On-chip power management unit for multi-band ambient RF energy harvesting oriented to IOT and WSN applications

Abstract

Several attempts have been made to reduce or eliminate the use of batteries in remote electronic applications such as IoT and WSN nodes. However, most designs are constrained to operate under very specific conditions, and an appropriate system that can operate in different environments or less restrictive conditions is still to be designed. Optimization is required throughout the process of capturing, storing, and delivering, in order to use the energy from the environment in form of RF signals. Most of the previous works present a fault pattern that avoids reaching this objective, as is the focusing only in the part of the antenna design with a basic power management circuit. This gives rise to another of the main challenges that is to avoid the use of discrete diodes that define a high threshold voltage requirement as well as the approach of feeding the application continuously. This research proposes the design of a new RF energy harvester on-chip to manage and optimize the way in which energy is scavenged and delivered to the load. Considering power levels and frequencies available in an urban and suburban environment, and the demand in the consumption of the device to be feed. Finally, a design capable of working with input powers up to -38dBm, receiving four bands from 1.68GHz to 2.47GHz, a max voltage conversion efficiency of 69, a Vout up to 4.1V, and independent of the load impedance was achieved.

Se han realizado varios intentos para reducir o eliminar el uso de baterías en aplicaciones electrónicas que operen en sitios remotos como algunos de los dispositivos de IoT y WSN. Sin embargo, la mayoría de los diseños están limitados a operar en condiciones muy específicas, y aún no se ha diseñado un sistema apropiado que pueda operar en diferentes entornos o condiciones menos restrictivas. Para utilizar la energía que se encuentra en el entorno en forma de señales de RF en condiciones normales, se requiere de la optimización en todo el proceso de captura, almacenamiento y entrega. La mayoría de los trabajos anteriores presentan un patrón de falla que evita alcanzar el objetivo, como es el enfoque solo en la parte del diseño de la antena con un circuito básico de gestión de energía. Esto da lugar a otro de los principales desafíos que es evitar el uso de diodos discretos que tienen como requisito implícito un voltaje de umbral alto, así como el enfoque de alimentar el dispositivo de carga de forma continua. Esta investigación presenta el diseño de un nuevo recolector de energía de RF en-chip para administrar y optimizar la forma en que la energía se recoge y se entrega a la carga. Considerando los niveles de potencia y frecuencias disponibles en un entorno urbano y suburbano, y la demanda en el consumo del dispositivo a alimentar. Finalmente, se logró un diseño capaz de trabajar con potencias de entrada de hasta -38dBm, recibiendo cuatro bandas que van desde 1.68GHz a 2.47GHz, una eficiencia de conversión de voltaje máxima de 69, un Vout de hasta 4.1V e independiente de la impedancia del dispositivo de carga.