High efficiency MPPT switched capacitor DC-DC converter for photovoltaic energy harvesting aiming for IoT applications

Abstract

This work presents a six phase Switched Capacitor (SC) DC - DC converter for photovoltaic Energy Harvesting designed in a 130 nm CMOS process for commercial motes application and Internet of Things (IoT). It tracks the Maximum Power Point (MPP) of a commercial 3 cm x 3 cm 60 mW polycrystalline photoelectric panel through switching frequency modulation aiming battery recharge. Open-circuit voltage ratio was the chosen Maximum Power Point Tracking (MPPT) strategy. The converter achieves a maximum power conversion efficiency of 90 % for input power higher than 30 mW and is designed to operate with input voltages from 1.25 V to 1.8 V, resulting output voltages from 2.5 V to 3.6 V, respectively. Peripheral circuitry also includes an output over-voltage protection of 3.6 V and the control circuits, that consumes a total of 850 A at 3.3 V of static power. Complete layout consumes 300 x 700 m2 of silicon area. The only external components are 6x100 nF capacitors.

Este trabalho apresenta um conversor CC - CC baseado em Capacitores Chaveados de 6 fases e tempos intercalados com o objetivo de coletar energia fotovoltaica projetado em tecnologia CMOS de 130 nm para ser usado em aplicações em Internet das Coisas e Nós Sensores. Ele rastreia o máximo ponto de entrega de energia de um painel fotovoltaico policristalino de 3 cm x 3 cm através de modulação da frequência de chaveamento com o objetivo de carregar baterias. A razão da tensão de circuito aberto foi a estratégia de rastreio escolhida. O conversor foi projetado em uma tecnologia CMOS de 130 nm e alcança uma eficiência de 90 % para potencias de entrada maiores do que 30 mW e pode operar com tensões que vão de 1.25 até 1.8 V, resultando em saídas que vão de 2.5 até 3.6, respectivamente. Os circuitos periféricos também incluem uma proteção contra sobre tensão na saída de 3.6 V e circuitos para controle, que consomem um total máximo de potência estática de 850 A em 3.3 V de alimentação. O layout completo ocupa uma área de 300 x 700 m2 de silício. Os únicos componentes não integrados são 6x100 nF capacitores.