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Energy Harvesting Techniques for Autonomous WSNs/RFID with a Focus on RF Energy Harvesting

Zhao, Ping :
Energy Harvesting Techniques for Autonomous WSNs/RFID with a Focus on RF Energy Harvesting.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Energy Harvesting Techniques for Autonomous WSNs/RFID with a Focus on RF Energy Harvesting
Language: English
Abstract:

Supply circuits that harvest energy from surrounding ambient or dedicated sources have drawn much interest recently for providing a possibility of energy-autonomy to the wireless sensing devices. The objective of this thesis is to optimize the power transfer efficiency of the RF/microwave energy transducers in WSN/RFID applications. For this purpose, analysis on the power utilization of the wireless devices at different working states has been done, which implies a space of improving the power transfer efficiency by employing a novel design concept in the RF/microwave energy transducers. In order to observe a deep insight of the charge-pump based energy transducer, an analytical derivation has been implemented based on a compact I/V model for MOSFET working in strong inversion and subthreshold regions. The derivation provides a mathematical direction for the impact of the power consumption of the wireless device on the input impedance of the charge-pump rectifier, which acts as a core element in the energy transducer. With expressing the input impedance of the rectifier into a shunt connection of a resistor and a capacitor, as the load current consumption reduces the shunt resistance increases dramatically while the shunt capacitance holds a relatively constant value. This work proposes a methodology of employing an adaptively adjusted matching network between the rectifier and the antenna in order to optimize the power transfer efficiency according to the instant power consumption of the wireless devices on different working states. For read-only wireless devices with no embedded batteries, like RFID transponders, a tiny storage capacitor of pico-farad which can be charged-up to a certain voltage in microseconds is usually employed as a DC supplier. During the communication between reader and transponder, the reader radiates RF power continuously to supply the transponder. Extra power supply is required to adjust the matching network electrically for optimal power transfer, which raises a new challenge to the batteryless devices. A solution is proposed in this work that an auxiliary rectifier with a smaller constant load current consumption is employed to supply the feedback control circuitries. Besides, the abovementioned methodology is also applied in charging-up procedure of a wireless device which employs a supercapacitor as its charge storage. The charging-up procedure is extended to hours due to the huge volume of the capacitive storage, and the charging speed becomes a critical issue. During the charging-up, the output voltage of the recti- fier increases exponentially, while the charging current reduces exponentially. The input impedance derived for steady-state is not precisely applicable yet theoretically directive in this situation. A novel application of adaptively tunable matching network in transient process is implemented to accelerate the charging process of the wireless devices.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Schaltungen, die (natürlich vorhandene oder künstlich eingebrachte) Energie aus ihrer Umgebung beziehen und in elektrische Energie umwandeln (“energy harvesting”) haben in jüngerer Zeit grosses Interesse auf sich gezogen. Mit ihnen soll es zukünftig möglich sein, vor allem drahtlose Messgeräte energieautark zu betreiben. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Optimierung von Schaltungen zur Energiegewinnung aus hochfrequenten elektromagnetischen Feldern zur Versorgung von drahtlosen Sensorknoten und RFID-Transpondern. Zu diesem Zweck wurde der Leistungsbedarf verschiedener drahtloser Geräte in verschiedenen Arbeitszuständen analysiert. Diese Analyse zeigt, dass sich die Effizienz der Leistungsbertragung durch neuartige Übertragerschaltungen steigern lässt. Zwecks besseren Verständnisses von Ladungspumpen-basierten Energiewandlern wurde ein analytisches Modell erstellt, dessen Kern eine kompakte Beschreibung der Strom-Spannungs-Kennlinie von MOSFETs in starker Inversion und im Sub-Threshold-Betrieb darstellt. Die analytische Beschreibung zeigt die Auswirkungen des Leistungsbedarfs am Ausgang auf die Eingangsimpedanz des Ladungspumpen-Gleichrichters, welcher als Kernelement des Energiewandlers fungiert. Diese Eingangsimpedanz kann als Parallelschaltung eines Widerstands und eines Kondensators aufgefasst werden, wobei sich der Widerstandswert dramatisch erhöht, wenn die am Ausgang des Wandlers abgegebene Leistung sich verringert. Die Kapazität bleibt dagegen annähernd gleich. Die vorliegende Arbeit schlägt daher den Einsatz eines adaptiven Anpassungsnetzwerkes zwischen Gleichrichter und Antenne vor, um die Effizienz des Wandlers in Abhängigkeit vom Leistungsbedarf des zu versorgenden Gerätes in verschiedenen Arbeitszuständen zu optimieren. In passiven RFID-Transpondern ist keine Batterie eingebaut, sondern ein kleiner Speicherkondensator mit einer Kapazität im Pikofarad-Bereich, der innerhalb von einigen Mikrosekunden aufgeladen werden und als Energiespeicher (Stützkondensator) dienen kann. Bei der Kommunikation zwischen RFID-Lesegerät und Transponder sendet das Lesegerät kontinuierlich ein hochfrequentes Trägersignal aus, welches der Energieversorgung des Transponders dient. Der Leistungsverbrauch eines RFID-Transponders hängt stark von dem jeweils ablaufenden Vorgang ab. Um das Anpassungsnetzwerk elektrisch auf optimale Leistungsbertragung abzustimmen, wird eine gesonderte Stromversorgung benötigt. Das stellt bei batterielosen Geräten eine zusätzliche Herausforderung dar. Dieses Problem wird in der vorliegenden Arbeit so gelöst, dass ein Hilfsgleichrichter mit einer kleineren, konstanten Belastung eingesetzt wird, um die Regelung des Anpassungsnetzwerkes zu versorgen. Die vorgenannte Methode wird auch angewendet während der Aufladephase drahtloser Geräte, welche Superkondensatoren als Energiespeicher nutzen. Die Aufladephase verlängert sich in diesem Fall aufgrund der groen Kapazität auf mehrere Stunden, und die Ladegeschwindigkeit wird zu einem kritischen Thema. Während des Aufladevorgangs nähert sich die Ausgangsspannung des Gleichrichters asymptotisch an, während der Ladestrom exponentiell abklingt. Die für den Gleichgewichtszustand hergeleitete Eingangsimpedanz stimmt in diesem Fall nicht ganz mit der tatsächlichen uberein, gibt aber immer noch einen sinnvollen Richtwert vor. Eine neuartige Anwendung eines adaptiven Anpassnetzwerks während transienter Ladevorgängen wurde implementiert, um das Laden der Energiespeicher drahtloser Geräte zu beschleunigen.German
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Mikroelektronische Systeme
Date Deposited: 30 Oct 2012 16:16
Last Modified: 07 Dec 2012 12:05
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-31027
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Glesner, Prof. Manfred and Bein, Prof. Thilo
Refereed: 27 April 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3102
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