ترجمه مقاله Low-Voltage Capacitive-Based Step-Up DC-DC Converters for RF Energy Harvesting System: A Review

چکیده

سلف های خارج از تراشه حجیم غالباً برای مبدل DC-DC افزایشی القایی در سیستم های استخراج انرژی RF (RFEH)، بکار گرفته می شوند، که این امر، محدودیتی در عامل فرم فیزیکی برای ادوات مینیاتوری شده، تحمیل می کند. این مقاله، مبدل های DC-DC افزایشی خازنی (پمپ بار الکتریکی) را به عنوان عنصر تقویت کننده ولتاژ برای سیستم های RFEH ولتاژ پایین را مرور ادبی و مورد بررسی قرار می دهد. توضیحات کلی در مورد RFEH و یک مرور ادبی جامع در مورد پمپ بار CMOS همراه با مدار تولید فرکانس مکمل استفاده شده به عنوان یک عنصر کلاک کننده، ارائه شد. ملاحظات طراحی کلیدی مدارات پمپ بار در اینجا همراه با توصیه هایی برای رفع تنگناهای آن برای توسعه های بعدی در سیستم های RFEH، بیان شده اند.

 

سفارش ترجمه مهندسی برق

 

1. مقدمه

در دهه های اخیر، تقاضا برای «گره های حسگر بیسیم» (WSN های) «فوق العاده توان پایین» (ULP) مینیاتوری شده [1، 2]، ایمپلنت های پزشکی [3] و ادوات قابل پوشیدن [4] برای اینترنت اشیاء (IoT) [5] باعث افزایش جنبش در پژوهش های دانشگاهی و صنعتی شده است. مصرف توان «دستگاه نهایی آنالوگ» (AFE) مربوط به ULP و فرستنده ها و گیرنده ها بیش از پیش رو به کاهش است و استفاده از «استخراج انرژی» (EH) به عنوان یک راهکار جایگزین بجای باتری را یادآور می شود، جایی که جایگزینی آنها برای دستگاه های قابل ایمپلنت (قابل پیوند) محدود و غیرعملی است. کارهای پژوهشی انجام شده به دنبال برداشت انرژی محیطی از منابع خورشیدی [6، 7]، حرارتی [8]، ارتعاشی [9] یا الکترومغناطیسی/RF [10] برای تامین انرژی ادوات ULP بوده اند.

انرژی خورشیدی یا پیزوالکتریک (PZ)، چگالی توان قابل توجهی در مقایسه با انرژی حرارتی و RF [9] دارد، با این حال، محدودیت هایی بخاطر وابستگی به شرایط آب و هوایی و نامنظم بودن منبع انرژی برای کاربردهایی که نیاز به یک منبع توان ثابت دارند، یعنی گره های حسگر بیوپزشکی (BSN ها)، مناسب نیستند [1، 3، 4]. همچنین، طراحی یک مدار راه انداز موثر و کارآمد برای برداشت انرژی «مولدهای ترموالکتریک» (TEG) در نیمه اکسید فلز مکمل (CMOS) بخاطر ولتآژ پایین تولید شده، کار چالش برانگیزی است [3، 8]. از سوی دیگر، «استخراج انرژی RF» (RGEH)، راهکاری جذاب برای تامین توان مدارات ULP علیرغم چگالی توان آن می باشد. قابلیت اطمینان زیاد منبع انرژی (در RFEH دور برد یا میدان دور) و عامل (یا ضریب) فرم فیزیکی کم مبدل (آنتن)، مزیت های کلیدی بکار گیری RFEH هستند.

بلوک دیاگرام یک سیستم RFEH در شکل 1 (الف) نشان داده شده است. تا حال حاضر، سیستم های CMOS RFEH نسل قدیم غالباً از مبدل های DC-DC افزایشی القایی  استفاده می کرده اند [10].

 

• 1. استخراج انرژی RF (الف) بلوک دیاگرام (ب) انتشار انرژی در فضا

 

علت آن، اثربخشی در طراحی برای راه اندازی کم است و این امر، بازده تبدیل توان (PCE) زیاد در مقایسه با همتای خازنی اش (پمپ بار) را ارتقا می دهد. اخیراً، نشان داده شده که مبدل های DC-DC افزایشی خازنی، از نظر راه اندازی موثر و بهبود عملکرد PCE برای کاربردهای EH، مقرون به صرفه تر شده اند [5، 6]. اما، تنها توسعه محدود مبدل های DC-DC افزایشی CMOS خازنی پیاده سازی شده در سیستم های RFEH، صورت گرفته است [11-15]. این امر، نیاز به بررسی ملاحظات طراحی، محدودیت ها و اهداف توسعه ای آتی مبدل های DC-DC افزایشی CMOS خازنی برای سیستم های RFEH جهت دستیابی به کاهش ضریب فرم فیزیکی دستگاه IoT کلی مینیاتوری شده، را یادآور می شود.

بنابراین، این مقاله، محدودیت های پیاده سازی یک مبدل DC-DC افزایشی خازنی برای سیستم های RFEH را مورد بررسی قرار می دهد. ابتدا، یک مرور کلی در مورد سیستم RFEH در بخش 2 ارائه می شود. بخش 3، مرور ادبی جامع مدارات پمپ بار و مدار تولید فرکانس متناظر را به عنوان یک المان تولید کلاک پالس را پوشش می دهد. بحث در مورد یافته ها در بخش 4 انجام شده است و ملاحظات طراحی، محدودیت ها و اهداف توسعه ای آتی مبدل های DC-DC افزایشی CMOS خازنی برای سیستم های RFEH، بررسی می شوند. بخش 5، مقاله را نتیجه گیری می کند.

 

2. استخراج انرژی RF (RFEH)

سیستم های RFEH را می توان به دو نوع دسته بندی نمود: RFEH میدان نزدیک (نزدیک برد) و میدان دور (دور برد). در شکل 1 (ب)، روش کار هر نوع RFEH نشان داده شده است. دسته بندی آن معمولاً براساس تراکم توان، فرکانس و برد ارسال انرژی RF استخراج شده، تعین می شود. RFEH میدان نزدیک از طریق تزویج مغناطیسی عمل می کند، به نحوی که فرستنده و گیرنده در فاصله فرانهوفر (2D²/λ) و نزدیک هم قرار داده می شوند، که D، قطر آنتن است و λ طول موج سیگنال RF می باشد. همچنین، چگالی توان RFEH میدان نزدیک، به میزان قابل توجهی بیشتر از RFEH میدان دور است. علاوه بر آن، RFEH میدان نزدیک را می توان براساس برد ارسال یا طول موج RF، به انواع منطقه راکتیو/سلفی و رادیاتیو/فرسنل تقسیم بندی کرد. تابش الکترومغناطیسی (EM) از میدان های الکتریکی (E) و مغناطیسی (H) که مشخص کننده موج منتشر شده به صورت آزاد است، تشکیل شده است. رابطه بین E و H در RFEH میدان نزدیک، در پیش بینی چگالی توان که E یا H می توانند در زمان های مختلف غالب شوند، بسیار پیچیده است.

هنگامی که برد ارسال انرژی RF منتشر شده بیشتر از فاصله فرانهوفر باشد، آن سیستم در دسته RFEH میدان دور اختصاصی یا فراگیر، قرار می گیرد. میدان های E و H در RFEH میدان دور، در نقاط مختلف فضا، بزرگای برابر دارند. بنابراین، توان دریافتی آنتن با معادله انتقال فریس [16] بیان شده به صورت زیر قابل پیش بینی است:

1. 1. 1. 1. 1.                                                              

که در آن P_TX توان ارسال شده، G_TX بهره آنتن فرستنده، P_RX توان دریافتی، G_RX بهره آنتن گیرنده و R فاصله بین آنتن فرستنده و گیرنده است. به صورت دیگر، پیک دامنه ولتاژ ورودی، V_Ant دریافت شده در آنتن را می توان به صورت زیر محاسبه نمود [17]،

1. 1. 1. 1. 2.                                                              

که در آن R_Ant، مقاومت تابشی آنتن است. بازده سیستم RFEH را می توان براساس بازده هر بلوک سیستم، به صورت زیر محاسبه نمود،

1. 1. 1. 1. 3.                                                               

که در آن، η_IMN، η_Rectifier و η_PMU، به ترتیب عبارتند از بازده «شبکه تطبیق امپدانس» (IMN)، یکسوساز و «واحد مدیریت توان» (PMU) می باشند.

 

1. 2. یکسوساز

بلوک یکسوساز، مدار اصلی یک سیستم RFEH محسوب می شود. این مدار، توان RF ورودی که به صورت جریان متناوب (AC) است را به «جریان مستقیم» (DC) قابل استفاده برای تامین برق مدارات ULP، تبدیل می کند [18-20]. در گذشته، یکسوسازهای استفاده شده در «شناسایی RF» (RFID) با استفاده از دیودهای شاتکی، بخاطر مشخصه حالت وصل ولتاژ کم شان مورد استفاده قرار می گرفتند [21]. رشد نمایی مدار مجتمع (IC)، باعث اخراع MOSFET، بخصوص فنآوری CMOS شد که در آن، ترانزیستورهای متصل به دیود جایگزین دیود شاتکی شدند. مدار معادل دیودی MOSFET در شکل 2 (الف) نشان داده شده. با این حال، ولتاژ آستانه (V_th) ترانزیستورهای متصل به دیود، بیشتر از دیودهای شاتکی است. برای رفع این مسئله، طرح های جبرانسازی V_th -ایستا برای کاهش تلفات مستقیم (forward loss) و همچنین کاهش مقاومت حالت وصل آن، معرفی شده اند تا به بایاس مستقیم بهتری دست یافته شود.

 

• 2. (الف) مدار معادل دیودی توپولوژی یکسوساز MOSFET RF (ب) دیکسون (ج) «درایو تفاضلی تزویج متقابل شده» (CCDR).

 

جریمه این توازن مزایا و معایب، افزایش جریان نشتی معکوس بخاطر ولتاژ بایاس گیت بیشتر در مد بایاس معکوس است. برای رفع این اصل، روش جبرانسازی اکتیو معرفی شده است [22]. این روش، V_th را در حالت بایاس مستقیم کاهش می دهد و V_th را در حالت بایاس معکوس افزایش می دهد.

توپولوژی های متداول یکسوساز در CMOS عبارتند از «درایو دیکسون و درایو تفاضلی تزویج متقابل شده» (CCDR) هستند که به ترتیب در شکل های 2 (ب) و 2 (ج) نشان داده شده اند. یکسوسازهای CMOS در ابتدا در کاربرد RFID «فرکانس فوق بالا» (UHF) که ساختار مداری و ویژگی های عملکردی آن برای کاربرد RFEH یکسان است، بکار گرفته می شدند. عملکرد CCDR در دو سیکل عملکردی ورودی RF مثبت و منفی، توصیف شده است. در سیکل مثبت، M_P1,1 و M_N2,1 مربوط به شکل 2 (ج)، در حالت خطی به عنوان کلید به کار گرفته می شوند و M_P2,1 و M_n1,1 در مد قطع می باشند. جریان از طریق M_P1 به مرحله بعد می رود و از طریقM_N2 دوباره به ترمینال منفی منبع ورودی بر می گردد. عملکرد مشابهی در سیکل منفی رخ می دهد، به نحوی که M_P2 و M_N1 در حالت خطی کار می کنند و M_P1 و M_N2 در حالت قطع هستند. این عملکرد برای همه مراحل بعدی در یکسوساز چندمرحله ای یا چندسطحی، مشابه و یکسان است.

پیک دامنه ولتآژ ورودی یکسوساز، یعنی V_in,rec را می توان با عبارت زیر سنجش نمود[23]،

1. 1. 1. 1. 4.                                                              

که در آن Q، ضریب کیفیت سلف در IMN است. جهت محاسبه توان ورودی یکسوساز، یعنی P_in,rec بجز رابط IMN، از عبارت زیر استفاده می شود:

1. 1. 1. 1. 5.                                                              

که در آن S_11rec نشان دهنده ضریب انعکاس ورودی یکسوساز است و P_S بیان کنند منبع توان ورودی است. فرمولاسیون دقیق مربوط به CCDR جهت تعیین توان ورودی به صورت زیر است:

1. 1. 1. 1. 6.                                                              

که در آن S_dd11,rec و S_cd11,rec، به ترتیب ضریب انعکاس مد تفاضلی به تفاضلی و مد تفاضلی به مشترک در یکسوساز می باشند.

«ضریب تبدیل توان» (PCE) عمدتاً به فرکانس RF ورودی، V_Ant، V_in,rec و مقاومت بار خروجی (R_L)، با فرمول عمومی زیر بستگی دارد،

1. 1. 1. 1. 7.                                                              

که در آن P_out,rec، توان خروجی تحویل داده شده با بار، محاسبه شده بوسیله ولتاژ خروجی یکسوسازی شده، V_out,rec تقسیم بر R_L می باشد.

به بیان خلاصه، عمدتاً دیودهای شاتکی به عنوان یکسوساز بررو یک IC مربوط به RFID بکار گرفته می شدند تا بر محدودیت افت ولتاژ مستقیم و جریان نشتی معکوس غلبه کنند. با این حال، پیاده سازی CMOS کامل هنوز بخاطر هزینه کم، ضریب فرم و سازگاری با تلفیق فنآوری، ترجیح داده می شود. پیاده سازی یکسوساز بوسیله CMOS  فقط بر کاهش افت ولتاژ مستقیم و کاهش جریان نشتی معکوس متمرکز بوده اند. اینها، ملاحظات اصلی هنگام طراحی یکسوساز برای RFEH فراگیر می باشند.

 

1. 2. شبکه تطبیق امپدانس (IMN)

IMN رابطی بین آنتن و یکسوساز است، همانگونه که در مدل مدار معادل شکل 4 نشان داده شده. R_L و C_L به ترتیب مقاومت و خازن بار هستند. همچنین، R_in,rec و C_in,rec، به ترتیب مقاومت و خازن مدار معادل یکسوساز هستند. L_M1، L_M2 و C_M1، تشکیل دهنده IMN هستند که در آن، L_P1، L_P2، R_P1، R_P2، C_P1 و C_P2 نشان دهنده مولفه های پارازیتی هستند [24-26]. پارازیت ها از منابع مختلف مانند ظرفیت خازنی بستر (زیرلایه)، سیم های پیوند و «بورد مدار چاپی» (PCB)، بوجود می آیند. IMN در برگیرنده ترکیبی از عناصر خازنی و سلفی است که به عنوان یک پل بین آنتن گیرنده تا یکسوساز عمل می کند تا با کاهش عدم انتطابق امپدانس در فرکانس مدنظر، به حداکثر انتقال توان دست یابد. علاوه بر دستیابی به حداکثر انتقال توان، کارهای متعدد مرتبط با RFEH فراگیر، به IMN به عنوان یک عنصر تقویت ولتاژ جهت افزایش حساسیست RFEH، توجه کرده اند [27]. شکل 3، به صورت خلاصه، پیکربندی های IMN مختلفی که برای سیستم های RFEH مناسب هستند را نشان می دهد [26، 28-35].

عملکرد IMN، با ضرب انعکاس ورودی S₁₁ بیان شده به صورت زیر، سنجش می شود:

1. 1. 1. 1. 8.                                                              

Z_in,rec=R_in,rec+X_in,rec، امپدانس یکسوساز است و Z_Ant^*، مزدوج مختلط Z_Ant است و Z_Ant=R_Ant+X_Ant، امپدانس آنتن است (معمولاً 50 اهم). معادله (9)، مقدار توان منعکس شده که توان دوم ضریب بازتاب معادله (8) است را نشان می دهد:

1. 1. 1. 1. 9.                                                              

 

• 3. انواع مختلف شبکه های تطبیق امپدانسی (الف) تا (و) شبکه های LC [27]، (ز) شبکه T (ح) شبکه پای (π) (س) طراحی کمکی (Co-design) [28-31] (ش) تطبیق ترانسفورماتور [32-34] (ص) تطبیق قابل پیکربندی [25]

 

• 4. مدار معادل قسمت بیرونی RFEH

 

جهت حصول حداکثر انتقال توان و کمینه سازی تلفات، جمله حقیقی آنتن و یکسوساز باید برابر باشد. همچنین، جمله موهومی باید بوسیله جمله مزدوج مربوط به همدیگر، حذف شود.

همانگونه که در [27] نشان داده شده، IMN نیز به عنوان یک تقویت کننده ولتاژ پسیو عمل می کند، به نحوی که V_Ant تقویت شود. این روش می تواند با تقویت سیگنال ولتاژ ورودی تا بالاتر از V_th ترانزیستورها، عملکرد یکسوساز را بهبود بخشد. بهره ولتاژ، A_v تناسب مستقیمی با ضریب کیفیت سلف دارد [21، 36] که به صورت زیر محاسبه می شود،

1. 1. 1. 1. 10.                                                            

همانگونه که در (10) توصیف شده، میزان تقویت ولتاژ به ضریب کیفیت سلف (Q) بسیار وابسته است. عموماً، سلف های خارج از تراشه، ضریب Q بزرگتری در مقایسه با سلف های برروی تراشه دارند. به عنوان مثال، با یک سلف خارج از تراشه، با ضریب Q چهار برابر سلف برروی تراشه، بهره ولتاژ به میزان دو برابر در مقایسه با همتای برروی تراشه افزایش می یابد [37]. بنابراین، ضریب Q مربوط به سلف IMN، نقش مهمی در ارتقای عملکرد حساسیت سیستم RFEH با تقویت V_Ant برای هدایت ترانزیستورهای یکسوساز در بهبود عملکرد دارد. ضریب Q یک سلف به صورت زیر بدست می آید:

1. 1. 1. 1. 11.                                                            

که در آن ω₀، فرکانس تشدید برحسب رادیان بر ثانیه است، L اندوکتانس است، X_L راکتانس القایی یا سلفی است و R_Ls، مقاومت سری سلف است. به بیان دیگر، ضریب Q خازن به صورت زیر بدست می آید:

1. 1. 1. 1. 12.                                                            

X_C، راکتانس خازنی است، R_C، مقاومت سری خازن و C ، ظرفیت خازنی تجمعی است. در کل، ضریب Q مربوط به مدار RLC به صورت زیر بدست می آید:

1. 1. 1. 1. 13.                                                            

که در آن R_L و X_L مربوط به IMN بیانگر ورودی یکسوساز است. شایان ذکر است که یکسوساز، یک مدار غیرخطی است که در آن امپدانس ورودی متناسب با سطح V_in,rec، تغییر می کند. هنگام طراحی IMN یک روش طراحی دقیق لازم است تا از حداکثر انتقال توان و تقویت موثر ولتاژ در یک محدوده گسترده از توان ورودی RF اطمینان حاصل شود. ضریب Q مربوط به یک سلف «بر تراشه» به پارازیت های متناسب با گره فنآوری، وابسته است [38].

 

• • • • • • • 1. ضریب Q مربوط به نوع/مدل سلف

 

 

• 5. طرح ساده یک پمپ بار الکتریکی

 

با این حال، برای بهبود ضریب Q روش های متنوعی گزارش شده اند که از جمله می توان نوآوری طراحی فیزیکی سلف های «بر تراشه» [37، 39، 40] و آنتن طراحی کمکی Q بالا [10، 41] را نام برد تا به عملکرد عالی از نظر حساسیت دست یافته شود. جدول 1، بطور خلاصه ضریب Q مربوط به سلف های مختلف را نشان می دهد.

5. نتیجه گیری

این مقاله، توضیحات کلی مربوط به مدار پمپ بار را برای سیستم های RFEH، ارائه داد. خلاصه ای از طراحی پمپ بار نوین برای کاربرد EH بخصوص در سیستم های RFEH مورد ملاحظه قرار گرفت. مروری کلی در مورد مدارات پمپ بار انواع معماری های نوین قبلاً ارائه شده از جنبه تلفات، فنون طراحی پمپ بار در توسعه سیستم RFEH با بهره گیری از یک مبدل DC-DC افزایشی خازنی را به بحث گذاشت. با توجه به مشخصات مربوط به طیف گسترده ای از طراحی های مدار پمپ بار، روشی برای ترسیم جنبه های طراحی و توازن عملکردی از لحاظ مزایا و معایب پمپ بار EH پیشنهاد شده که در آن طراحان برای محقق سازی یک مبدل DC-DC افزایشی بسیار کارآمد در سیستم های RFEH برای نسل بعدی ادوات IoT مینیاتوری شده، آنها را مورد ملاحظه قرار دهند.