Implementação de um sistema MPPT em circuito integrado CMOS

Abstract

Ao longo dos últimos anos a indústria microelectrónica tem evoluído no sentido de reduzir o consumo energético dos seus dispositivos no sentido de estes serem alimentados por fontes energéticas diversas, nomeadamente fontes renováveis. A crescente demanda por componentes energeticamente eficientes e pela miniaturização dos componentes eletrónicos exigem a conceção de fontes de alimentação com potência reduzida na ordem das dezenas de μW ás centenas de mW. Atualmente, com os crescentes avanços tecnológicos é possível obter componentes energéticamente eficientes e com tamanhos reduzidos capazes de colmatar as restrições energéticas das mais variadas aplicações. A utilização de fontes energia elétrica que tirão proveito da energia existente no meio onde se inserem os diversos dispositivos eletrónicos ou simplesmente para recarregar as baterias, apresenta-se como um dos principais objetivos a alcançar. Entre todas as energias renováveis, a energia fotovoltaica surge como umas das que proporciona um maior potencial. A sua disponibilidade global e os constantes desenvolvimentos tecnológicos no âmbito do fotovoltaico permitem o desenvolvimento de sistemas de alimentação com rendimento energético cada vez mais elevado. A presente dissertação tem como objetivo o estudo, a simulação e implementação de um conversor CC-CC, step-up, com algoritmo de controlo MPPT integrado designado por método de correlação de ripple (Ripple Correlation Control – RCC), para aplicações de baixa potência na ordem das dezenas de μW às centenas de mW. Desenvolveu-se um conversor CC-CC, autónomo, para carregamento de baterias com recurso a painéis fotovoltaicos, como fonte de energia, de forma contínua mesmo em situações de baixa luminosidade. Um circuito de gestão de energia devidamente dimensionado foi implementado com recurso a um algoritmo de procura do ponto de máxima potência (Maximum Power Point Tracking – MPPT). O objetivo desta implementação é extrair a máxima potência disponível da fonte de energia elétrica, neste caso o painel fotovoltaico, independentemente das condições meteorológicas e da potência requerida pela carga, sendo o excesso de energia redirecionado para a bateria. Nesta dissertação apresentam-se os resultados das simulações, assim como os resultados experimentais de todos os circuitos desenvolvidos de forma a validar todo o sistema implementado.

Over recent years the microelectronics industry efforts have been focused on reducing energy consumption of integrated circuits (IC) so that electronic devices can be powered by any available energy source, namely the renewable energy sources. The increasing demand for ever-small electronic components have pushed the design of power supplies from the hundreds of mW to tens of μW. With the current technological advances it’s possible to obtain highly energy efficient components with reduced sizes capable of fulfilling the energetic requirements of several applications. The use of renewable electric energy from the surrounding sources, where the various electronic devices operate or simply recharge batteries, presents itself as one of the main goals of the leading industries. Among all renewables, photovoltaic emerges as the one providing a greater potential. Its global availability and constant technological developments allow the development of power systems with increasingly higher energy efficiency. This thesis aims to study, simulate and implement a DC-DC step-up converter with an integrated MPPT control algorithm based on the Ripple Correlation Control (RCC) for low power applications in the order of tens of μW to hundreds of mW. Its was developed a DC-DC converter for standalone charging of batteries using solar panels as power source, even in low light situations. A power management circuit was implemented and properly designed using a maximum power point tracking (MPPT) algorithm in order to extract the maximum power available from the PV array, regardless of weather conditions and power required by the load, being the excess energy redirected to the battery. In this dissertation the simulation results and the experimental results from all circuits developed are presented in order to validate the implemented system.