Fast Energy-Harvesting TEG-Supplied Charging Regulator Microsystem

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作者
Tianyu Chang,Gabriel A. Rincón‐Mora
出处
期刊:IEEE Transactions on Power Electronics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:38 (7): 9116-9126 被引量:2
标识
DOI:10.1109/tpel.2023.3265068
摘要

This article presents a fast hysteretic switched-inductor charging regulator (SLCR) microsystem. It is powered by on-chip thermoelectric generators (TEGs) to supply Internet-of-Things (IoT) wireless microsensors. On-chip TEGs are appealing because they are 12–1400× smaller than off-chip ones. IoT sensors mostly idle in low-power mode and transmit data wirelessly only in high-power mode on demand. This requires CMOS SLCRs to respond quickly to abrupt load dumps caused by IoT sensors. State-of-the-art (SoA) SLCRs respond to load dumps in 100 μs–2.5 ms. This time duration amounts to a significant portion of the IoT sensor's data transmission time (500 μs–7 ms). This slow response time jeopardizes the quality of data transmission. This article presents a fast hysteretic control that responds in 9.6 μs. This control adopts nested hysteretic architecture and requires only three comparators and simple combinational logics, which is appealing, considering the low power budget limited by on-chip TEGs. Moreover, this article contributes detailed stability analysis, derives response time and accuracy, and provides intuitive and accurate system design equations. Measured results of a 180-nm CMOS prototype validate that the proposed system shortens response time by 10–260× compared with the SoA.

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