Power management circuits for ultra low-power systems

Abstract

La domanda di apparecchiature elettroniche portatili sta aumentando nella vita di tutti i giorni e si estende su un numero illimitato di applicazioni, dall'elettronica di consumo (smartphone, laptop, ecc.), all'elettronica per applicazioni biomedicali (dispositivi indossabili e impiantabili), fino alle reti di sensori (dispositivi WSN e IOT). Questi sistemi, che sono intrinsecamente sistemi a segnali misti, richiedono un consumo energetico minimo per prolungare la durata del dispositivo e ridurre le dimensioni e il peso della batteria. La riduzione del consumo energetico prolunga la durata del dispositivo, ma, d’altra parte, non può garantire la completa indipendenza dei sistemi elettronici portatili. Pertanto, le tecniche di Energy Harvesting, che mirano a raccogliere energia dall'ambiente circostante, sono emerse come valide alternative per la ricarica o l'alimentazione di circuiti low power (LP) e ultra-low power (ULP). La sezione di gestione dell'alimentazione per i sistemi con batteria LP e ULP deve essere progettata sia per limitare il consumo di energia che per recuperare l'energia ambientale, in modo da estendere l'autonomia dei sistemi elettronici portatili. Questa tesi si concentra sullo studio della gestione dell'alimentazione per i sistemi a bassa potenza e a bassissima potenza, sulla progettazione e la realizzazione di un circuito harvester a radiofrequenza (RF) e di un riferimento di tensione programmabile ULP. In particolare, è stata condotta un'indagine sulla disponibilità di energia del campo elettromagnetico RF in diversi ambienti per valutare se questa fonte può ricaricare o alimentare direttamente nodi sensori integrati a bassissima potenza. La campagna di misure ha confermato che il campo RF è dipendente dall'ambiente, non controllabile e non è prevedibile. Tuttavia, le misure hanno anche dimostrato che in alcuni degli ambienti valutati è disponibile un considerevole livello di energia RF, che potrebbe essere raccolta per ricaricare un nodo del sensore a bassa potenza. Sulla base di queste misurazioni, è stato progettato e realizzato in tecnologia CMOS ST 65 nm un circuito harvester RF (HarvIC) per la gestione dell’alimentazione di un sensore di temperatura integrato con convertitore analogico-digitale.I risultati della simulazione a livello di transistor mostrano che l'architettura progettata può essere efficacemente utilizzata per recuperare energia in almeno due ambienti oggetto della campagna di misure RF. All'interno del sottosistema di gestione dell'alimentazione, i circuiti bandgap ULP devono garantire buone prestazioni in termini di coefficiente di temperatura e accuratezza di riferimento, con un consumo energetico di pochi nanowatt. Inoltre, i sistemi on chip richiedono valori diversi di tensioni di polarizzazione (ad esempio per implementare tecniche di progettazione a bassa potenza), quindi la possibilità di programmare il riferimento di tensione, con un consumo energetico limitato, potrebbe estendere drasticamente la versatilità e l'applicabilità del circuito bandgap in sistemi ULP. Sulla base di queste osservazioni, è stato progettato e realizzato in tecnologia CMOS TSMC 55 nm un innovativo circuito bandgap ULP, chiamato PVREF. PVREF fornisce quattro riferimenti di tensione, con un consumo di corrente inferiore a 30 nanoampere per riferimento, garantendo al tempo stesso grande programmabilità e limitata area di silicio. Il circuito PVREF può essere considerato un crossover tra riferimenti di tensione a bassissima potenza e riferimenti di tensione programmabili, con prestazioni notevoli rispetto allo stato dell'arte di entrambe le classi di circuiti. I nuovi sottosistemi descritti in questa tesi, HarvIC e PVREF, contribuiscono all'attuale tendenza di progettazione di sistemi di gestione dell'alimentazione per dispositivi ULP più efficienti e intelligenti. Inoltre, il loro design, come riportato in questa tesi, mostra l'importanza di attente tecniche di progettazione circuitale analogica al fine di ottenere livelli di prestazione ottimali.

The demand for portable electronic equipments is increasing in day-to-day life and it spans over an unbounded number of applications, from consumer electronics (smartphones, laptops, etc.), to biomedical electronics (wearable and implantable devices), till sensor networks (WSN and IOT devices). These systems, which are inherently mixed-signal systems, require minimum power consumption to extend the device life-time and reduce the size and weight of the battery. Reducing power consumption extends the device life-time, but cannot guarantee the complete independence of portable electronic systems. Therefore, Energy Harvesting techniques, which aim to collect energy from the surrounding environment, have emerged as valuable alternative for charging or power supplying of low-power (LP) and ultra low-power (ULP) circuits. The power management section for LP and ULP battery-assisted systems should be designed to both limit power consumption and recover the environmental energy, so as to maximize the autonomy of portable electronic systems. This thesis focuses on the study of the power management for low-power and ultra low-power systems and the design and implementation of a radio frequency (RF) harvester and a ULP programmable voltage reference. In particular, a survey of the RF electromagnetic field power availability in different environments has been carried out to assess whether this source can recharge or directly supply ultra low-power integrated sensor nodes. The measurement campaign has confirmed that the RF field is ambient-dependent, not controllable and not predictable. However, the survey has also demonstrated that a sizeable RF energy level is available in some of the investigated environments and could be harvested to recharge a low-power sensor node. Based on these measurements, an RF harvester circuit (HarvIC) has been designed and implemented in ST 65 nm CMOS technology for the power management of an integrated temperature sensor with analog-to-digital converter. The results of transistor-level simulation show that the implemented RF harvester architecture can be effectively used to recover energy in at least two of the investigated environments. Within the power management subsystem, ULP bandgap circuits must guarantee good performance in terms of temperature coefficient and reference accuracy, with power consumption not exceeding few nanowatts. Moreover, systems on chip require different values of biasing voltages (e.g. to implement low-power design techniques), hence the possibility to program the voltage reference, with limited power consumption, could drastically extend the versatility and the applicability of the bandgap circuit in ULP systems. Based on the above observations, an innovative ULP bandgap circuit, called PVREF, has been designed and implemented in TSMC 55 nm CMOS technology. PVREF provides four voltage references, with current consumption below 30 nanoampere each, while guaranteeing large reference programmability and requiring limited silicon area. The PVREF circuit can be considered a cross-over between ultra low-power voltage references and programmable voltage references, with remarkable performance compared with the state-of-the-art of both classes of circuits. The novel subsystems described in this thesis, HarvIC and PVREF, contribute to the current design trend toward more efficient and smarter power management systems for ULP devices. Moreover, their design, as reported in this dissertation, shows the importance of careful analog circuit design techniques in order to obtain extreme performance levels.