Dimensionnement d`un convertisseur DC/DC intégrable sur puce

Universit´ e Catholique de Louvain
´
Ecole Polytechnique de Louvain
Dimensionnement d’un convertisseur
DC/DC int´egrable sur puce pour la
r´ecup´eration d’´energie `a tr`es faible tension
Promoteurs Pr. Denis Flandre
Pr. David Bol
Lecteur Dr. Julien De Vos
Travail de fin d’´etudes pr´esent´e
en vue d’obtenir le grade de
Master ing´enieur civil ´electricien
Jordan Giovanola
Nicolas Phalempin
Date : 8 juin 2015

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Remerciements
Nous tenons tout d’abord `a remercier nos deux promoteurs, les professeurs David
Bol et Denis Flandre, pour le temps qu’ils nous ont accord´e et pour les conseils avis´es
qu’ils ont pu nous apporter tout au long de ce travail. Nous tenons ensuite `a remercier
Pierre-Antoine Haddad pour avoir partag´e avec nous son exp´erience autant sur le
sujet en lui-mˆeme que sur la mani`ere de mener `a bien ce travail.
Je tiens tout d’abord `a remercier mes parents ainsi que mes nonni pour leur
soutien inestimable au cours de ces 22 derni`eres ann´ees. Je souhaite ´egalement re-
mercier mon oncle qui, entre deux blagues pas toujours marrantes, a r´eussi `a ´eveiller
mon int´erˆet pour les sciences et m’a amen´e par la mˆeme occasion `a choisir les ´etudes
d’ing´enieur.
Jordan
En premier lieu, je tiens `a remercier Marion, ma source intarissable de motivation
tout au long de ce travail. Ensuite, je remercie bien ´evidemment mes parents de
m’avoir toujours encourag´e `a entreprendre ces ´etudes et d’avoir tout mis en œuvre
pour que je puisse les mener `a bien. J’aimerais ´egalement remercier mes amis pour
leur partage d’exp´erience dans ce travail, pour l’int´erˆet qu’ils ont port´e `a ce travail
et pour leurs encouragements. Enfin, je souhaiterais d´edier ce travail `a celle qui n’a
pas encore l’age de comprendre ce que signifie ˆetre ing´enieur, mais qui m’a pourtant
donn´e la motivation, durant ces cinq ann´ees, `a en devenir un.
Nicolas
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Abstract
Over the last years, the Internet of Things (IoT) has experienced an increased
interest amongst the scientific community. This enthusiasm for the IoT goes together
with the many researches led in the field of Wireless Sensor Networks (WSN) which
will be a key technology for the IoT. The integration of sensors in the IoT is what
makes the connexion between the virtual and the physical world possible : this is
the Internet of the future.
Energy autonomy of the IoT node is a critical aspect of this technology. The use
of energy harvesting techniques such as photovoltaic cells or thermoelectric genera-
tors (TEGs) is an important milestone in order to achieve this autonomy. This work
will focus on the design of a switched capacitor DC/DC converter. This converter
will be connected to the output of a TEG which delivers a voltage as low as 0.156V
and will increase it to a target voltage of 0.5V. The developped design methodology
is mostly based on the analysis of simulation results obtained using the software
Eldo from Mentor Graphics. The use of such a tool proves essential in the design of
a circuit based on advanced MOS technology (65nm GP) and working in subthre-
shold region. An optimization algorithm inspired by the gradient descent has also
been used in order to set some circuit parameters.
The final circuit includes the following elements : the equivalent model of the
TEG, the DC/DC converter based on a multi-stage voltage doubler topology, a ring
oscillator, a non overlapping clock generator, and clock buffers. The efficiency of the
complete system is 49.6% and provides an output voltage of 0.525V under a load
current of 5.25µA.
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