Conception et implémentation d`un circuit de conditionnement pour

Proposition de stage de master recherche
Conception et implémentation d’un circuit de
conditionnement pour un système
microélectromécanique (MEMS) de récupération
d'énergie vibratoire
Mots-clés : Electronique, systèmes microélectomécaniques (MEMS),
microcontrôleurs, interfaces analogiques
Organisme : Université Pierre et Marie Curie (Paris-VI) (Paris, France)
Laboratoire : Laboratoire d'informatique de Paris-VI (LIP6)
Encadrant : Dimitri Galayko
Durée : 6 mois, possibilité de poursuivre en thèse de doctorat
Niveau : 2ème année de master
Bourse : 800 euros / mois
Contact : Dimitri Galayko, [email protected], tel. +33 1 44 27 70 16
Compétences espérées : Conception de circuits et systèmes électroniques,
microcontrolleurs, intérêt pour les circuits intégrés analogiques et pour les
systèmes multiphysiques
Contexte
Dans un réseau de capteurs sans fil, les capteurs sont souvent appelés à fonctionner
longtemps sans intervention humaine. Les capteurs à très basse consommation et qui
peuvent recharger de manière autonome leur source d’énergie sont particulièrement
intéressants dans ce cadre. Pour cela, il est possible de récupérer de l’énergie à partir du
milieu ambiant. Ici nous nous intéressons à une récupération de l’énergie des vibrations
mécaniques présentes dans l’environnement et à sa conversion en énergie électrique. Un
type de composant qui le permet est un condensateur dont la valeur de la capacité varie
avec les vibrations (fig. 1). Un exemple d’une telle 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 [4].
Le principe de récupération d’énergie est basé sur le fait qu’à charge q constante,
l’énergie W nécessaire pour charger une capacité C est d’autant plus grande que la
valeur de la capacité 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 intéressant de charger la capacité
lorsqu’elle 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.
La réalisation d’un circuit de conditionnement qui gère le processus de chargedécharge cyclique et qui génère une tension constante nécessaire pour alimenter le
capteur, représente un véritable verrou technologique. Les recherches sur sa conception
et sur son optimisation sont toujours en cours au niveau mondial.
Figure. 3. Exemple d’un circuit de conditionnement [1].
Le département SOC du LIP6, en coopération avec le laboratoire ESYCOM (ESIEE),
participe à ces activités. Notre contribution se situe dans l'avancement de la
compréhension du fonctionnement, dans la modélisation et dans la conception du
système de la fig. 1, avec un circuit de conditionnement dont l'architecture a été
proposée dans [1] (fig. 3), une description de son fonctionnement étant donnée dans [1,
2, 3]. A noter que l'élément le plus critique de ce circuit est le switch Sw dont le timing
de commutation est déterminant pour le rendement énergétique du système.
Au sein du LIP6, depuis 2006 des recherches portent sur la conception et sur
l’optimisation du circuit de conditionnement. Nous avons réussi à modéliser le système
complet avec un modèle mixte ELDO/VHDL-AMS [2]. Grâce à cela nous avons pu
identifier et décrire un régime de fonctionnement optimal en termes de rendement
énergétique [3]. Ce fonctionnement est assuré par un switch « intelligent » dont la
commutation est ordonnée par l'état interne du circuit (tension sur Cstore), et non pas
par une séquence périodique, comme c’était le cas dans les travaux existants.
Objectifs du stage
L’objectif du stage est de concevoir et d'implémenter un prototype discret du circuit de
conditionnement qui permettrait de valider les algorithmes de commande du cycle de
charge-décharge, avec le but d'optimiser les performances énergétiques du système.
•
•
•
•
•
•
Le stage inclut les étapes suivantes :
Etude bibliographique, prise en main du modèle du circuit [2], compréhension de son
fonctionnement.
Conception en composants discrets de l'interface de mesure permettant prélever l'état
énergétique courant du circuit (interface tension avec très faible capacité parasite).
Cette interface doit permettre la lecture de la tension Cstore (fig. 3) par un
microcontrôleur.
Conception en composants discrets d'un switch MOS commandé par des circuits
numériques
Conception et réalisation d'une carte associant les deux blocs d'interface et un
microcontrôleur.
Programmation du microcontrôleur selon l'algorithme de commande optimale (celui-ci
sera donné par l’encadrant)
Validation du travail par une mise en place de la mesure avec le dispositif
micromécanique réalisé à ESYCOM.
Références
[1] Yen et al., « A Variable-Capacitance Vibration-to-Electric Energy Harvester », IEEE TCAS, I,
vol.53,2,Fev 2006, p.288-295
[2] D. Galayko, R. Pizarro, P. Basset, A. M. Paracha, G. Amendola, AMS modeling of controlled
switch for design optimization of capacitive vibration energy harvester, IEEE BMAS 2007
international conference, september 2007, San José, California, USA
[3] D. Galayko, R. Pizarro, P. Basset, A. M. Paracha, G. Amendola, Optimization and AMS
modeling of capacitive vibration energy harvester, IEEE PowerMEMS 2007 international
conference, November 2007, Freiburg, Germany
[4] A. M. Paracha, P. Basset, P. Lim, F. Marty and T. Bourouina, A bulk silicon-sased vibrationto-electric energy converter using an in-plane overlap plate (IPOP) mechanism, PowerMEMS2006