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SoC/Offres d'emplois/Stages/2009-2010/CIAN 13 (circuits) Print page

IP d’un switch MOS haute tension pour circuits de récupération d’énergie vibratoire : conception VLSI et modélisation comportementale.

version PDF du sujet

Encadrants : Dimitri Galayko, Andrii Dudka
Durée : 6 mois
Date de début : avril 2010
Contact : dimitri.galayko@lip6.fr, tél. 01 44 27 70 16

Généralités

Dans un réseau de capteurs sans fil, les capteurs sont souvent appelés à fonctionner longtemps sans intervention humaine, de façon la plus autonome possible vis à vis de l’alimentation électrique. Les capteurs à très basse consommation et qui peuvent recharger de manière autonome leur source d’énergie électrique sont particulièrement intéressants dans ce cadre. Nous nous intéressons ici  à une recharge du capteur en énergie électrique par transformation d’énergie mécanique en énergie électrique. Le composant qui permet cette conversion est un condensateur  dont la valeur de la capacité varie avec les vibrations (fig. 1). Un exemple de réalisation de cette structure est donné sur la photo de la fig. 2.
 

Figure 1. Exemple de convertisseur d’énergie mécanique/électrique
 
Figure 2. Exemple de la partie mécanique du système de la figure 1.

Le principe de récupération d’énergie est fondé sur le fait que à charge q constante, l’énergie W nécessaire pour charger une capacité C est plus grande pour une valeur de la capacité plus petite (W=q2/(2C)). De même, l’énergie qui se libère lorsqu’une capacité se décharge est inversement proportionnelle à la valeur de la capacité. Ainsi, dans le contexte du système de la figure 1, il est possible de charger la capacité lorsque celle-là est grande, et de la décharger lorsqu’elle est petite. La différence de l’énergie obtenue dans un tel cycle « charge-décharge » peut être utilisée pour alimenter un circuit électrique faible consommation.

Projet et contexte du stage

L’équipe CIAN du LIP6 s’intéresse à la modélisation et à la conception du circuit de conditionnement permettant de commander le cycle de charge-décharge de la capacité variable. Il s’agit d’un circuit complexe, haute tension (des dizaines de volts), que l’on souhaite intégrer sur silicium.

 
Figure 3. Circuit de conditionnement proposé dans [1]

Une des architectures possibles pour conditionner le fonctionnement du capter d’énergie est donné fig.3. Cette architecture a été proposée par B. Yen en 2006 [1]. Il s’agit d’un convertisseur DC-DC composé d’une pompe de charge et d’un circuit dite de retour, qui fonctionne comme un convertisseur de type Buck. Ces deux sous-circuits correspondent à deux phases de récupération d’énergie et la commutation entre les deux phases se fait à l’aide du switch SW. Une étude théorique a mis en évidence la nécessité d’une commande complexe pour ce switch.  Cependant son implémentation  est rendue difficile il s'agit d'un switch « flottant » (connecté entre deux nœuds) qui fonctionne à une haute tension par rapport à la masse. Par ailleurs, ce switch et ses circuits de commande doivent consommer le moins d’énergie possible et  être intégrés sur silicium. Pour ces raisons, les circuits de commande du switch ont une architecture très particulière incluant une fonctionnalité de « décalage de niveau » (level shifter),  des blocs de capacités commutées et de mémoire analogique. Un tel circuit de commande de switch a été conçu par les chercheurs de l’équipe CIAN. A l’heure actuelle, le schéma électrique a été validé par des simulations. 

Objectif du stage

Le stage a pour objectif d’achever la conception du switch intégré haute tension, en créant un IP complet de ce composant, pouvant être utilisé pour la conception d’un système de plus haut niveau d’abstraction. A l’heure actuelle, seule la vue « schématique » du switch existe. Le stagiaire doit compléter par deux vues suivantes :
•    Layout : il s’agit de dessiner et de valider le layout (dessin de masque) du switch. Ce dessin se fera dans l’environnement CADENCE dans la technologie AMS035 haute tension de Austriamicrosystems
•    Modèle VHDL-AMS comportemental : le but de cette vue est de pouvoir simuler simplement des systèmes complets incluant un ou plusieurs switches haute tension. Le modèle doit traduire la caractéristique I-V non-linéaire du switch, les capacités parasites et le comportement transitoire lors du changement d’état.

Compétences requises

Electronique analogique MOS, conception de circuits intégrés, connaissance du langage VHDL-AMS

Bibliographie

 [1] B. C. Yen and J. H. Lang. A variable-capacitance vibration-to-electric energy harvester. IEEE TCAS, 53(2):288–295, february 2006.

LIP6 LIP6-SoC LIP6 CNRS UPMC