Récupération d'Energie Biomécanique et Systèmes Autonomes

National audienceLa récupération d'énergie (Energy Harvesting) est une thématique en plein essor visant à utiliser l'énergie ambiante (lumière, vibrations, gradients thermiques) présente dans l'environnement direct de dispositifs électroniques (capteurs, équipements mobiles) pour les alimenter, de façon à prolonger leur durée de fonctionnement, voire à les rendre totalement autonomes. La récupération d'énergie est généralement mise en œuvre pour alimenter de petits systèmes électroniques tels que des capteurs autonomes communicants pour le transport, l'industrie ou l'habitat du fait des puissances récupérées assez faibles; appliquée au cas de l'Homme, la récupération d'énergie peut atteindre des puissances de plusieurs milliwatts voire de plusieurs watts permettant d'alimenter des systèmes plus complexes tels que des lecteurs MP3, des téléphones portables ou des systèmes de localisation GPS. De nombreuses sources d'énergie présentes dans l'environnement de l'Homme peuvent être exploitées: le soleil, le gradient thermique entre la peau et l'extérieur, la déformation des vêtements, les contraintes dans les chaussures... . Cet article se focalise plus particulièrement sur la récupération d'énergie mécanique issue du corps humain et présente des exemples de dispositifs et d'applications issus de l'état de l'art montrant que la récupération d'énergie est déjà une réalité; et qu'elle permettra sur le plus long terme d'alimenter des dispositifs placés directement à l'intérieur du corps humain tels que des implants médicaux ou des pacemakers

Nano-Power Integrated Circuits for Energy Harvesting

The energy harvesting research field has grown considerably in the last decade due to increasing interests in energy autonomous sensing systems, which require smart and efficient interfaces for extracting power from energy source and power management (PM) circuits. This thesis investigates the design trade-offs for minimizing the intrinsic power of PM circuits, in order to allow operation with very weak energy sources. For validation purposes, three different integrated power converter and PM circuits for energy harvesting applications are presented. They have been designed for nano-power operations and single-source converters can operate with input power lower than 1 μW. The first IC is a buck-boost converter for piezoelectric transducers (PZ) implementing Synchronous Electrical Charge Extraction (SECE), a non-linear energy extraction technique. Moreover, Residual Charge Inversion technique is exploited for extracting energy from PZ with weak and irregular excitations (i.e. lower voltage), and the implemented PM policy, named Two-Way Energy Storage, considerably reduces the start-up time of the converter, improving the overall conversion efficiency. The second proposed IC is a general-purpose buck-boost converter for low-voltage DC energy sources, up to 2.5 V. An ultra-low-power MPPT circuit has been designed in order to track variations of source power. Furthermore, a capacitive boost circuit has been included, allowing the converter start-up from a source voltage VDC0 = 223 mV. A nano-power programmable linear regulator is also included in order to provide a stable voltage to the load. The third IC implements an heterogeneous multisource buck-boost converter. It provides up to 9 independent input channels, of which 5 are specific for PZ (with SECE) and 4 for DC energy sources with MPPT. The inductor is shared among channels and an arbiter, designed with asynchronous logic to reduce the energy consumption, avoids simultaneous access to the buck-boost core, with a dynamic schedule based on source priority