Study, optimization and silicon implementation of a smart high-voltage conditioning circuit for electrostatic vibration energy harvesting system

La récupération de l'énergie des vibrations est un concept relativement nouveau qui peut être utilisé dans l'alimentation des dispositifs embarqués de puissance à micro-échelle avec l'énergie des vibrations omniprésentes dans l environnement. Cette thèse contribue à une étude générale des récupérateurs de l'énergie des vibrations (REV) employant des transducteurs électrostatiques. Un REV électrostatique typique se compose d'un transducteur capacitif, de l'électronique de conditionnement et d un élément de stockage. Ce travail se concentre sur l'examen du circuit de conditionnement auto-synchrone proposé en 2006 par le MIT, qui combine la pompe de charge à base de diodes et le convertisseur DC-DC inductif de type de flyback qui est entraîné par le commutateur. Cette architecture est très prometteuse car elle élimine la commande de grille précise des transistors utilisés dans les architectures synchrones, tandis qu'un commutateur unique se met en marche rarement. Cette thèse propose une analyse théorique du circuit de conditionnement. Nous avons développé un algorithme qui par commutation appropriée de flyback implémente la stratégie de conversion d'énergie optimale en tenant compte des pertes liées à la commutation. En ajoutant une fonction de calibration, le système devient adaptatif pour les fluctuations de l'environnement. Cette étude a été validée par la modélisation comportementale.Une autre contribution consiste en la réalisation de l'algorithme proposé au niveau du circuit CMOS. Les difficultés majeures de conception étaient liées à l'exigence de haute tension et à la priorité de la conception faible puissance. Nous avons conçu un contrôleur du commutateur haute tension de faible puissance en utilisant la technologie AMS035HV. Sa consommation varie entre quelques centaines de nanowatts et quelques microwatts, en fonction de nombreux facteurs - paramètres de vibrations externes, niveaux de tension de la pompe de charge, la fréquence de la commutation de commutateur, la fréquence de la fonction de calibration, etc.Nous avons également réalisé en silicium, fabriqué et testé un commutateur à haute tension avec une nouvelle architecture de l'élévateur de tension de faible puissance. En montant sur des composants discrets de la pompe de charge et du circuit de retour et en utilisant l'interrupteur conçu, nous avons caractérisé le fonctionnement large bande haute-tension du prototype de transducteur MEMS fabriqué à côté de cette thèse à l'ESIEE Paris. Lorsque le capteur est excité par des vibrations stochastiques ayant un niveau d'accélération de 0,8 g rms distribué dans la bande 110-170 Hz, jusqu'à 0,75 W de la puissance nette a été récupérée.Vibration energy harvesting is a relatively new concept that can be used in powering micro-scale power embedded devices with the energy of vibrations omnipresent in the surrounding. This thesis contributes to a general study of vibration energy harvesters (VEHs) employing electrostatic transducers. A typical electrostatic VEH consists of a capacitive transducer, conditioning electronics and a storage element. This work is focused on investigations of the reported by MIT in 2006 auto-synchronous conditioning circuit, which combines the diode-based charge pump and the inductive flyback energy return driven by the switch. This architecture is very promising since it eliminates precise gate control of transistors employed in synchronous architectures, while a unique switch turns on rarely. This thesis addresses the theoretical analysis of the conditioning circuit. We developed an algorithm that by proper switching of the flyback allows the optimal energy conversion strategy taking into account the losses associated with the switching. By adding the calibration function, the system became adaptive to the fluctuations in the environment. This study was validated by the behavioral modeling. Another contribution consists in realization of the proposed algorithm on the circuit level. The major design difficulties were related to the high-voltage requirement and the low-power design priority. We designed a high-voltage analog controller of the switch using AMS035HV technology. Its power consumption varies between several hundred nanowatts and a few microwatts, depending on numerous factors - parameters of external vibrations, voltage levels of the charge pump, frequency of the flyback switching, frequency of calibration function, etc. We also implemented on silicon, fabricated and tested a high-voltage switch with a novel low power level-shifting driver. By mounting on discrete components the charge pump and flyback circuit and employing the proposed switch, we characterized the wideband high-voltage operation of the MEMS transducer prototype fabricated alongside this thesis in ESIEE Paris. When excited with stochastic vibrations having an acceleration level of 0.8 g rms distributed in the band 110-170 Hz, up to 0.75 $\mu$W of net electrical power has been harvested.PARIS-JUSSIEU-Bib.électronique (751059901) / SudocSudocFranceF

Соціальне та професійне проектування управління туристичним напрямком у професійній підготовці майбутніх туристів

The present research analyses the effectiveness of implementing social and professional designing of tourist destination management through the content training of future tourismologists. The research focuses on structuring the authors’ model of implementing social and professional designing of tourist destination management in the modern high school. Every detailed stage of implementing a certain type of social and professional designing in the professional training of future tourism specialists is marked by elaborating a cutting-edge database of scient metric publications, constructing the corresponding matrices for the analysis and assessment of the available potential of tourist destination, and calculating the total indicator of tourist destination resource potential. An explicit social commitment of the declared designing in training future tourismologists is emphasized by the problems of regional development of tourist destination management, by concentrating on ways to stabilize development and by overcoming the existing destructive tendencies with the help of a rational comparison of the available resource and demographic potential of the territory. The ways of increasing the educational process effectiveness influenced by the systematic use of social and professional designing technology of tourist destination management in the training of future tourismologists are analytically substantiated. A close relation of productive professional training with prevailing theoretical and practical aspects of tourism innovations is conceptualized; this determines personalization of the creative approach and innovative thinking. The effect of the rationalization of professional training in order to increase territory development indicators, to establish effective intra-industry cooperation and to maintain a systematically ecological optimum of the region is designed.У цьому дослідженні проаналізовано ефективність впровадження соціального та професійного проектування управління туристичними напрямками за допомогою змістової підготовки майбутніх туристів. Дослідження зосереджено на структуруванні авторської моделі впровадження соціального та професійного проектування управління туристичними напрямками в сучасній середній школі. Кожен детальний етап впровадження певного типу соціального та професійного проектування у професійну підготовку майбутніх фахівців у галузі туризму відзначається розробкою передової бази наукових метричних публікацій, побудовою відповідних матриць для аналізу та оцінки наявного туристичного потенціалу призначення та обчислення загального показника ресурсного потенціалу туристичного призначення. Явна соціальна прихильність заявленого проектування у навчанні майбутніх туристів підкреслюється проблемами регіонального розвитку управління туристичними напрямками, зосередженням на шляхах стабілізації розвитку та подоланням існуючих деструктивних тенденцій за допомогою раціонального порівняння наявного ресурсу та демографічний потенціал території. Аналітично обґрунтовано шляхи підвищення ефективності освітнього процесу під впливом систематичного використання технології соціального та професійного проектування управління туристичними напрямками у підготовці майбутніх туристів. Концептується тісний зв’язок продуктивної професійної підготовки з переважаючими теоретичними та практичними аспектами туристичних інновацій; це визначає персоналізацію творчого підходу та інноваційного мислення. Розроблено ефект від раціоналізації професійної підготовки з метою підвищення показників розвитку території, налагодження ефективної внутрішньогалузевої співпраці та підтримання систематичного екологічного оптимуму регіону

etude, optimisation et implémentation en silicium du circuit de conditionnement intelligent haute-tension pour le système de récupération électrostatique d'énergie vibratoire

Vibration energy harvesting is a relatively new concept that can be used in powering micro-scale power embedded devices with the energy of vibrations omnipresent in the surrounding. This thesis contributes to a general study of vibration energy harvesters (VEHs) employing electrostatic transducers. A typical electrostatic VEH consists of a capacitive transducer, conditioning electronics and a storage element. This work is focused on investigations of the reported by MIT in 2006 auto-synchronous conditioning circuit, which combines the diode-based charge pump and the inductive flyback energy return driven by the switch. This architecture is very promising since it eliminates precise gate control of transistors employed in synchronous architectures, while a unique switch turns on rarely. This thesis addresses the theoretical analysis of the conditioning circuit. We developed an algorithm that by proper switching of the flyback allows the optimal energy conversion strategy taking into account the losses associated with the switching. By adding the calibration function, the system became adaptive to the fluctuations in the environment. This study was validated by the behavioral modeling. Another contribution consists in realization of the proposed algorithm on the circuit level. The major design difficulties were related to the high-voltage requirement and the low-power design priority. We designed a high-voltage analog controller of the switch using AMS035HV technology. Its power consumption varies between several hundred nanowatts and a few microwatts, depending on numerous factors - parameters of external vibrations, voltage levels of the charge pump, frequency of the flyback switching, frequency of calibration function, etc. We also implemented on silicon, fabricated and tested a high-voltage switch with a novel low power level-shifting driver. By mounting on discrete components the charge pump and flyback circuit and employing the proposed switch, we characterized the wideband high-voltage operation of the MEMS transducer prototype fabricated alongside this thesis in ESIEE Paris. When excited with stochastic vibrations having an acceleration level of 0.8 g rms distributed in the band 110-170 Hz, up to 0.75 µW of net electrical power has been harvested.La récupération de l'énergie des vibrations est un concept relativement nouveau qui peut être utilisé dans l'alimentation des dispositifs embarqués de puissance à micro-échelle avec l'énergie des vibrations omniprésentes dans l’environnement. Cette thèse contribue à une étude générale des récupérateurs de l'énergie des vibrations (REV) employant des transducteurs électrostatiques. Un REV électrostatique typique se compose d'un transducteur capacitif, de l'électronique de conditionnement et d’un élément de stockage. Ce travail se concentre sur l'examen du circuit de conditionnement auto-synchrone proposé en 2006 par le MIT, qui combine la pompe de charge à base de diodes et le convertisseur DC-DC inductif de type de flyback qui est entraîné par le commutateur. Cette architecture est très prometteuse car elle élimine la commande de grille précise des transistors utilisés dans les architectures synchrones, tandis qu'un commutateur unique se met en marche rarement. Cette thèse propose une analyse théorique du circuit de conditionnement. Nous avons développé un algorithme qui par commutation appropriée de flyback implémente la stratégie de conversion d'énergie optimale en tenant compte des pertes liées à la commutation. En ajoutant une fonction de calibration, le système devient adaptatif pour les fluctuations de l'environnement. Cette étude a été validée par la modélisation comportementale.Une autre contribution consiste en la réalisation de l'algorithme proposé au niveau du circuit CMOS. Les difficultés majeures de conception étaient liées à l'exigence de haute tension et à la priorité de la conception faible puissance. Nous avons conçu un contrôleur du commutateur haute tension de faible puissance en utilisant la technologie AMS035HV. Sa consommation varie entre quelques centaines de nanowatts et quelques microwatts, en fonction de nombreux facteurs - paramètres de vibrations externes, niveaux de tension de la pompe de charge, la fréquence de la commutation de commutateur, la fréquence de la fonction de calibration, etc.Nous avons également réalisé en silicium, fabriqué et testé un commutateur à haute tension avec une nouvelle architecture de l'élévateur de tension de faible puissance. En montant sur des composants discrets de la pompe de charge et du circuit de retour et en utilisant l'interrupteur conçu, nous avons caractérisé le fonctionnement large bande haute-tension du prototype de transducteur MEMS fabriqué à côté de cette thèse à l'ESIEE Paris. Lorsque le capteur est excité par des vibrations stochastiques ayant un niveau d'accélération de 0,8 g rms distribué dans la bande 110-170 Hz, jusqu'à 0,75 µW de la puissance nette a été récupérée

Study, optimization and silicon implementation of a smart high-voltage conditioning circuit for electrostatic vibration energy harvesting system

La récupération de l'énergie des vibrations est un concept relativement nouveau qui peut être utilisé dans l'alimentation des dispositifs embarqués de puissance à micro-échelle avec l'énergie des vibrations omniprésentes dans l’environnement. Cette thèse contribue à une étude générale des récupérateurs de l'énergie des vibrations (REV) employant des transducteurs électrostatiques. Un REV électrostatique typique se compose d'un transducteur capacitif, de l'électronique de conditionnement et d’un élément de stockage. Ce travail se concentre sur l'examen du circuit de conditionnement auto-synchrone proposé en 2006 par le MIT, qui combine la pompe de charge à base de diodes et le convertisseur DC-DC inductif de type de flyback qui est entraîné par le commutateur. Cette architecture est très prometteuse car elle élimine la commande de grille précise des transistors utilisés dans les architectures synchrones, tandis qu'un commutateur unique se met en marche rarement. Cette thèse propose une analyse théorique du circuit de conditionnement. Nous avons développé un algorithme qui par commutation appropriée de flyback implémente la stratégie de conversion d'énergie optimale en tenant compte des pertes liées à la commutation. En ajoutant une fonction de calibration, le système devient adaptatif pour les fluctuations de l'environnement. Cette étude a été validée par la modélisation comportementale.Une autre contribution consiste en la réalisation de l'algorithme proposé au niveau du circuit CMOS. Les difficultés majeures de conception étaient liées à l'exigence de haute tension et à la priorité de la conception faible puissance. Nous avons conçu un contrôleur du commutateur haute tension de faible puissance en utilisant la technologie AMS035HV. Sa consommation varie entre quelques centaines de nanowatts et quelques microwatts, en fonction de nombreux facteurs - paramètres de vibrations externes, niveaux de tension de la pompe de charge, la fréquence de la commutation de commutateur, la fréquence de la fonction de calibration, etc.Nous avons également réalisé en silicium, fabriqué et testé un commutateur à haute tension avec une nouvelle architecture de l'élévateur de tension de faible puissance. En montant sur des composants discrets de la pompe de charge et du circuit de retour et en utilisant l'interrupteur conçu, nous avons caractérisé le fonctionnement large bande haute-tension du prototype de transducteur MEMS fabriqué à côté de cette thèse à l'ESIEE Paris. Lorsque le capteur est excité par des vibrations stochastiques ayant un niveau d'accélération de 0,8 g rms distribué dans la bande 110-170 Hz, jusqu'à 0,75 µW de la puissance nette a été récupérée.Vibration energy harvesting is a relatively new concept that can be used in powering micro-scale power embedded devices with the energy of vibrations omnipresent in the surrounding. This thesis contributes to a general study of vibration energy harvesters (VEHs) employing electrostatic transducers. A typical electrostatic VEH consists of a capacitive transducer, conditioning electronics and a storage element. This work is focused on investigations of the reported by MIT in 2006 auto-synchronous conditioning circuit, which combines the diode-based charge pump and the inductive flyback energy return driven by the switch. This architecture is very promising since it eliminates precise gate control of transistors employed in synchronous architectures, while a unique switch turns on rarely. This thesis addresses the theoretical analysis of the conditioning circuit. We developed an algorithm that by proper switching of the flyback allows the optimal energy conversion strategy taking into account the losses associated with the switching. By adding the calibration function, the system became adaptive to the fluctuations in the environment. This study was validated by the behavioral modeling. Another contribution consists in realization of the proposed algorithm on the circuit level. The major design difficulties were related to the high-voltage requirement and the low-power design priority. We designed a high-voltage analog controller of the switch using AMS035HV technology. Its power consumption varies between several hundred nanowatts and a few microwatts, depending on numerous factors - parameters of external vibrations, voltage levels of the charge pump, frequency of the flyback switching, frequency of calibration function, etc. We also implemented on silicon, fabricated and tested a high-voltage switch with a novel low power level-shifting driver. By mounting on discrete components the charge pump and flyback circuit and employing the proposed switch, we characterized the wideband high-voltage operation of the MEMS transducer prototype fabricated alongside this thesis in ESIEE Paris. When excited with stochastic vibrations having an acceleration level of 0.8 g rms distributed in the band 110-170 Hz, up to 0.75 µW of net electrical power has been harvested

VHDL-AMS modeling of adaptive electrostatic harvester of vibration energy with dual-output DC-DC converter

International audienceThis paper presents a functional design and modeling of smart conditioning circuit of a vibrational energy harvester based on electrostatic transducer. Two original features are added to the basic configuration previously published (whose model we presented on BMAS2007 conference). Firstly, we developed an auto-calibration block which allows the new harvester to adapt dynamically to the varying environment parameters (e.g., amplitude of external vibrations). Secondly, we propose an original schematic configuration based on dual output DC-DC converter, which implements a smart power interface with the load, allowing the harvester to manage a possibly variable load and adapt to different situations (e.g. unsufficient generated power level, load too large, etc.). The scheme of the power interface re-uses the coil existing in the basic harvester configuration. The new harvester architecture contains ldquosoftwarerdquo blocks which can be programmed to implement different power-management and auto-calibration strategies. We describe one possible algorithm of the whole architecture operation, and present the corresponding modeling results. The system is implemented as a mixed VHDL-AMS/ELDO model

Smart Adaptive Power Management in Electrostatic Harvester of Vibration Energy

International audienceThis paper reports a new functional design and modeling of a vibration energy harvester composedfrom a mechanical resonator (MEMS), capacitive transducer and a conditioning circuit based on the BUCK DC-DC converter architecture. The basic configuration of conditioning circuit from [1][2] is enhanced with two majorfeatures for the power management allowing, firstly, to adapt dynamically to the variation of external vibrationparameters and, secondly, a smart interface with the load, witch allows the system to manage a possibly variableload and to adapt to different situations (e.g. insufficient generated power level, load too large, etc.). The study isvalidated by behavioral VHDL-AMS/ELDO modeling

IC design of an adaptive high-voltage electrostatic vibration energy harvester

International audienceThis work presents a low power low- and high-voltage IC design of an asynchronous conditioning circuit assisting the capacitive vibration energy harvester. The proposed IC implements a sensing and control electronics featuring an autocalibration concept, which allows the harvester to adapt to the environmental fluctuations. For the first time such a system is designed to operate at high voltage (up to 30 V). The estimated average power consumption of the IC is less then 1.1uW, whereas the average harvested power is approximately 1.4uW for 14V operation voltage. Current paper is particularly focusing on an ultra-low power (7.3-52)nW clock generator with a programmable frequency (41-265)Hz. The IC design has been carried out in AMS 0.35um high-voltage CMOS technology and has been validated by a coupled VHDL-AMS/SPICE simulation

Design of Controller IC for Asynchronous Conditioning Circuit of an Electrostatic Vibration Energy Harvester

International audienceThis paper presents a transistor-level design of a power management electrical circuit for asynchronous electrostatic energy harvester. The conditioning circuit of the harvester is based on a charge pump and a fly back circuits. The designed power management block implements the concept of adaptive behaviour of energy harvester, allowing it to operate in an optimal mode in environment where the magnitude of the vibrations may change in time. For the first time, such a system is designed to operate at high voltage (up to 30 V). However, this paper does not concern the design of electromechanical transducer. The IC design has been carried out in 0.35um high-voltage CMOS technology, and has been validated by a coupled VHDL-AMS/SPICE simulation. The control system average power consumption is less then 0.9uW, whereas the average harvested power is approximately 1.1uW for 14V operation voltage

Smart integrated conditioning electronics for electrostatic vibration energy harvesters

International audienceThis paper presents an overview of problems related to electronic conditioning of capacitive transducers used for the kinetic energy conversion. It proposes a methodology for the system-level and circuit-level design of conditioning electronics for electrostatic energy harvesters so to comply with the requirements of realistic applications: long-lasting operation, self-calibration, low consumed power and the implementation using the integrated circuit CMOS technology. An original architecture of a self-calibrating conditioning circuit is proposed. The paper gives a review of main design challenges related to this architecture, explains the motivation of the technology choice, provides insight into critical blocks and presents intermediate results of design

Capacitive kinetic energy harvesting: System-level engineering challenges

International audienc