Conversor DC-DC em tecnologia CMOS para energy harvesting

Abstract

As energias renováveis estão a ser cada vez mais utilizadas porque, para além de serem não poluentes, tentando compensar o consumo energético mundial excessivo, permitem o desenvolvimento de novas tecnologias, como por exemplo os sistemas sem fios. É o caso da energia fotovoltaica, na qual é produzida energia elétrica a partir da irradiação solar. No entanto, a corrente e potência produzidas pelas células fotovoltaicas depende muito do valor de irradiação que incide no painel, dessa forma a obtenção de um sistema eficiente de produção de energia elétrica, ainda é muito difícil. Por outro lado, nos sistemas de alimentação autónomos é utilizada uma bateria para armazenamento de energia, que normalmente fornece energia consoante a carga que possui, sendo que a tensão fornecida diminui à medida que a bateria descarrega. Para tentar combater a dependência destes sistemas dos valores da irradiação solar, são utilizados conversores MPPT (Maximum Power Point Tracker ), que são dispositivos que forçam os equipamentos a trabalhar no ponto de potência máxima. A presente dissertação tem como principal objetivo o desenho e simulação de um conversor DC-DC integrado com um MPPT em tecnologia CMOS, de dimensões reduzidas e capaz de carregar uma bateria através da energia de um painel fotovoltaico, sempre no seu ponto máximo. A ferramenta utilizada para construir o projeto foi o S-Edit™, um ambiente de programação gráfica para design de circuitos, integrado no Tanner EDA’s T-Spice™. O circuito a apresenta quatro partes, a célula fotovoltaica, o conversor DC-DC, a bateria, e o circuito de controlo. O conversor DC-DC desenhado é um step-up, ou seja um elevador de tensão, regulado através da onda de PWM (Pulse width modulation) que é, por sua vez, controlada pelo circuito de controlo. O circuito de controlo, compara a corrente fornecida pelo painel à carga, em momentos de tempo diferentes, e incrementa ou decrementa o PWM, se a última corrente medida for menor ou maior que a anterior, respetivamente.

Renewable energies are being used more and more because, besides being non-polluting, trying to compensate the world's excessive energy consumption, they allow the development of new technologies like the wireless systems. Photovoltaic energy is a type of renewable energy, producing electric energy from solar irradiation. However the electric current and power produced by photovoltaic cells is too dependent of the irradiation's value that is absorbed by the panel, making it very difficult to attain an efficient energy production system. On the other hand, in autonomous systems, a battery is used for storing energy, which usually provides energy depending on how much energy it possesses. The voltage decreases as the battery discharges. To counter the system's dependence on solar irradiation values, MPPT converters are used. These converters are devices that force the equipments to work on full power. The main goal of this thesis is to design and simulate and DC-DC converter integrated with a MPPT in CMOS technology, with reduced dimensions and able to charge a battery through a photovoltaic panel always at its maximum point. The tool used for the project's development was S-Edit™, which is a graphic programming environment for circuit designing, integrated in Tanner EDA’s T-Spice™. The circuit consists of four parts, the photovoltaic cell, the DC-DC converter, the battery and control circuit. The designed DC-DC converter is a step-up, regulated by PWM wave which is controlled by the control circuit. The control circuit compares the current provided by the panel to the charge, in different moments in time, and increments or decrements the PWM, if the last measured current is smaller or bigger than the previous, respectively.