Estudo de conversores RF-DC para captação de energia utilizando transistores MOS convencionais e SOI de camadas ultrafinas

Com o avanço da Internet das Coisas (IoT), redes de sistemas inteligentes formadas por sensores estão se tornando cada vez mais presentes em diversas aplicações ao redor do mundo. No entanto, alguns obstáculos dificultam sua aplicabilidade. Esses desafios surgem em cenários onde essas redes precisam...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autor: Sabatine, Mateus Theodoro Mathias
Tipo de recurso: tesis de maestría
Estado:Versión publicada
Fecha de publicación:2025
País:Brasil
Institución:Centro Universitário da Fundação Educacional Inaciana (FEI)
Repositorio:Repositório do Conhecimento Institucional do Centro Universitário da Fundação Educacional Inaciana (FEI)
Idioma:portugués
OAI Identifier:oai:repositorio.fei.edu.br:FEI/5827
Acceso en línea:https://repositorio.fei.edu.br/handle/FEI/5827
https://doi.org/10.31414/EE.2025.D.132189
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description Com o avanço da Internet das Coisas (IoT), redes de sistemas inteligentes formadas por sensores estão se tornando cada vez mais presentes em diversas aplicações ao redor do mundo. No entanto, alguns obstáculos dificultam sua aplicabilidade. Esses desafios surgem em cenários onde essas redes precisam abranger áreas extensas, especialmente em locais de difícil acesso. Nesses casos, a alimentação energética dos dispositivos se torna inviável devido a fatores como distância, posicionamento e dispersão geográfica. Para enfrentar esses desafios, diversas tecnologias de captação de energia elétrica têm sido exploradas, utilizando fontes como calor, luz, vibrações e ondas eletromagnéticas, que possam permitir a alimentação de tais sensores, possibilitando a confecção de sistemas de ultrabaixa potência (ULP) energeticamente autônomos. Atualmente, com a presença de inúmeros sinais de Radiofrequência (RF) no ambiente, a captação de energia das ondas de (RF) é uma promissora área de estudo. Para a captação de energia são utilizadas antenas conectadas a circuitos conversores RF-DC de ultrabaixa potência, de maneira a aumentar o valor da tensão DC disponível para alimentação dos sensores. A maior parte destes circuitos utiliza transistores convencionais (MOSFET) ou diodos Schottky para efetuar a conversão dos sinais captados, uma vez que tais dispositivos apresentam tensão de condução inferior a diodos de junção PN. Quanto menor a tensão de condução/limiar dos dispositivos, maior o sinal DC que pode ser entregue à saída. No entanto, uma menor tensão de limiar também resulta em maior corrente de fuga no estado de corte dos dispositivos. Esse compromisso entre potência de saída e corrente de fuga pode ser mitigado com o uso de transistores SOI de última geração, como o UTBB, que permitem a polarização ativa do substrato. Essa técnica possibilita a modulação da tensão de limiar conforme as exigências do circuito, maximizando a relação entre a potência entregue à carga e a corrente de fuga. Portanto, este trabalho tem como objetivo o estudo de circuitos conversores RF-DC, implementados com transistores SOI de última geração. Os resultados obtidos demonstram uma diferença significativa de desempenho, conversores baseados em transistores MOS convencionais apresentaram uma tensão DC de saída estabilizada em 3,8 mV, enquanto os circuitos com transistores UTBB alcançaram até 9,8 mV. A análise é conduzida por meio de simulações computacionais utilizando softwares do tipo Spice, visando maximizar a eficiência da captação de energia (Energy Harvesting)
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Quanto menor a tensão de condução/limiar dos dispositivos, maior o sinal DC que pode ser entregue à saída. No entanto, uma menor tensão de limiar também resulta em maior corrente de fuga no estado de corte dos dispositivos. Esse compromisso entre potência de saída e corrente de fuga pode ser mitigado com o uso de transistores SOI de última geração, como o UTBB, que permitem a polarização ativa do substrato. Essa técnica possibilita a modulação da tensão de limiar conforme as exigências do circuito, maximizando a relação entre a potência entregue à carga e a corrente de fuga. Portanto, este trabalho tem como objetivo o estudo de circuitos conversores RF-DC, implementados com transistores SOI de última geração. Os resultados obtidos demonstram uma diferença significativa de desempenho, conversores baseados em transistores MOS convencionais apresentaram uma tensão DC de saída estabilizada em 3,8 mV, enquanto os circuitos com transistores UTBB alcançaram até 9,8 mV. A análise é conduzida por meio de simulações computacionais utilizando softwares do tipo Spice, visando maximizar a eficiência da captação de energia (Energy Harvesting)With the advancement of the Internet of Things (IoT), intelligent systems networks formed by sensors are becoming increasingly prevalent in various applications worldwide. However, certain challenges pose obstacles to their application, particularly in scenarios where these networks need to cover extensive areas, especially in remote or hard-to-reach locations. In such cases, powering these devices becomes impractical due to factors such as distance, positioning, and geographic dispersion. To address these challenges, various energy harvesting technologies have been explored, utilizing sources like heat, light, vibrations, and electromagnetic waves to power these sensors, enabling the development of energyautonomous ultra-low power (ULP) systems. Currently, with the abundance of RF signals in the environment, harvesting energy from RF waves is a promising research area. Energy harvesting is carried out using antennas connected to ultra-low-power RF-DC converter circuits, which increase the available DC voltage to power sensors. Most of these circuits use conventional transistors (MOSFETs) or Schottky diodes for signal conversion, as these components have lower conduction voltages compared to PN junction diodes. The lower the conduction/threshold voltage of the devices, the higher the DC signal that can be delivered at the output. However, a lower threshold voltage also results in higher leakage current when the devices are in the off state. This trade-off between output power and leakage current can be mitigated through the use of advanced SOI transistors, such as UTBB, which allow active substrate biasing. This technique enables the modulation of the threshold voltage according to the circuit’s requirements, maximizing trade-off between power delivery and leakage current. Therefore, this work aims to study RF-DC converter circuits implemented with state-of-the-art SOI transistors. The results obtained demonstrate a significant performance difference: converters based on conventional MOS transistors showed a stabilized DC output voltage of 3.8 mV, while circuits using UTBB transistors reached up to 9.8 mV. The analysis is conducted through computer simulations using Spice-like software, with the goal of maximizing energy harvesting efficiencyConselho Nacional De Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPQCentro Universitário FEI, São Bernardo do CampoDoria, R. T.2025-09-09T19:44:07Z2025info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfSABATINE, Mateus Theodoro Mathias. <b> Estudo de conversores RF-DC para captação de energia utilizando transistores MOS convencionais e SOI de camadas ultrafinas.</b> São Bernardo do Campo, 2025. 163 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Centro Universitário FEI, São Bernardo do Campo, 2025. Disponível em: https://doi.org/10.31414/EE.2025.D.132189.https://repositorio.fei.edu.br/handle/FEI/5827https://doi.org/10.31414/EE.2025.D.132189porpt_BRreponame:Repositório do Conhecimento Institucional do Centro Universitário da Fundação Educacional Inaciana (FEI)instname:Centro Universitário da Fundação Educacional Inaciana (FEI)instacron:FEIinfo:eu-repo/semantics/openAccessSabatine, Mateus Theodoro Mathias2025-11-14T00:31:42Zoai:repositorio.fei.edu.br:FEI/5827Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://sofia.fei.edu.br/pergamum/biblioteca/PRIhttps://repositorio-api.fei.edu.br/server/oai/requestcfernandes@fei.edu.bropendoar:2025-11-14T00:31:42Repositório do Conhecimento Institucional do Centro Universitário da Fundação Educacional Inaciana (FEI) - Centro Universitário da Fundação Educacional Inaciana (FEI)false
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