Etude de systèmes basse consommation avec récupération d'énergie

Study of low power systems with energy recovery capability

• Auteur / Autrice : Mathieu Coumba Faye
• Direction : Philippe Pannier, Emmanuel Bergeret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance le 16/12/2019
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (Marseille ; Toulon ; 2008-….)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Jacquemod
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Fesquet, Edith Kussener-Combier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvain Bourdel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Boucles d'asservissement de phase

Économies d'énergie

Bluetooth à basse consommation

Systèmes d'identification par radiofréquence

Mots clés libres

Rfid

13.56MHz

Champ proche

Récupération d’énergie

Convertisseur CA/CC Passif

PLL discrète

Démodulation IQ

ISO/IEC-14443 Type A

ISO/IEC-14443 Type B

Vhbr

Iso/iec 10373-6

Rfid

13.56MHz

Near Field

Power recovery

Passive Rectifier

Discrete PLL

IQ Demodulation

ISO/IEC-14443 Type A

ISO/IEC-14443 Type B

Vhbr

Iso/iec-10373-6

Résumé

Habituellement, les antennes utilisées dans les technologies RFID communiquant en champ proche ont une surface relativement grande. La réduction de cette surface présente un fort intérêt dans la mesure où elle facilite l’intégration dans des objets de petite dimension. Cependant, elle conduit à une diminution considérable de l’énergie disponible. Une amélioration de l’efficacité de fonctionnement, de tous les dispositifs intégrés à la puce, est primordiale pour pouvoir conserver les mêmes fonctionnalités d’un système passif avec une taille d’antenne qui tend à se réduire. Toutefois, l’optimisation adéquate devra se faire au niveau du système global. Cela assurera une contribution optimale de chaque dispositif inclus dans le circuit mais aussi celle de l’antenne radiofréquence. A cela se rajoute la tendance, au sein des applications associées à ces technologies, à intégrer de plus en plus de données et à nécessiter des débits de plus en plus élevés. Afin de répondre à ces problématiques, nous avons mené des études systèmes permettant d’identifier les différents facteurs influents dans la récupération d’énergie et de proposer un système optimisé. Pour l’aspect communication, nous avons étudié et conçu une PLL, basée sur la synchronisation par injection et un algorithme de descente de gradient, permettant de fournir une image sinusoïdale de la porteuse RF. Cela a permis, d’apporter une solution à l’absence de signal RF, durant la modulation ASK. Mais surtout de rendre possible une démodulation quadratique analogique. Grâce à cette méthode, nous avons réussi à concevoir un système compatible avec les méthodes de modulation ASK et PSK

Near field RFID technologies use to embark loop antennas large enough to provide the amount of energy needed by the all the circuits they are interfaced with. Reducing the size of those antennas facilitates their integration into small sized objects and opens up the possibility of new applications. However, it also reduces the energy transfer capability of the system. In order to keep the same functionalities with this size reduction trend, it is clear that each important part of the integrated circuit need to have a higher efficiency. Although an overall optimization, ensuring an optimal contribution of each of all the parts of the system, is more fitting. In addition to this energy drop, the current applications create an increasing need of high data volume exchange and high data rates. The main objectives of thesis work are the optimization of the power transfer capabilities of 13.56MHz passive RF systems and the improvement of the communication circuits. A thorough study, to identify the key factors in RF power transfer, have been led. The ultimate goal being the design of an optimized system. For the communication aspect a discrete PLL, based on injection locking and gradient descent algorithm, was studied and designed. Thus introducing a new method of carrier recovery in this field. This PLL provides a synchronous clock to the system during OOK modulation and also a sine shaped clock for quadrature demodulation. This method was successfully tested on ASK and PSK modulated signals.Two chip have been design and manufactured, using STMicroelectronics 130nm technology for the power recovery system and UMC 55nm technology for the clock and data recovery system