Le développement intensif de l’électronique à très faible consommation énergétique et des technologies de communication sans fils ont permis l’apparition des nœuds de capteur sans fils dans plusieurs domaines. Un nœud de capteur sans fils devrait être un système autonome. Néanmoins, les batteries sont utilisés jusqu’à aujourd’hui pour son alimentation. L’utilisation des batteries comme source d’énergie présente des défis majeurs tels que le coût de remplacement et d’entretien. L’objectif de ce projet est de valider la possibilité d’alimentation d’un nœud de capteur sans fils à partir de l’énergie vibratoire à travers un récupérateur piézoélectrique. Un système d’alimentation complet d’un nœud de capteur sans fils contient le transducteur piézoélectrique, une unité de gestion de puissance et un élément de stockage. Ce mémoire de maîtrise présente les travaux élaborés dans le but de définir une configuration bien adaptée d’un système d’alimentation autonome complet. La réalisation de ce projet a nécessité le développement d’un démonstrateur expérimental du système en se basant sur des composants commerciaux. Ce démonstrateur a permis de valider la faisabilité du système de récupération d’énergie vibratoire pour des excitations qui peuvent exister dans le domaine de l’automobile en termes de fréquence de résonance et amplitudes d’accélération. Tout d’abord, les besoins énergétiques du nœud de capteur à alimenter et du circuit de gestion de puissance sélectionné ont été caractérisés expérimentalement en établissant une communication entre le nœud et une station de base. À partir de ces résultats, le transducteur piézoélectrique et l’élément de stockage adéquats ont été déterminés. Dans notre cas, le transducteur piézoélectrique choisi est soumis à une excitation harmonique d’amplitude 0.3 g et de fréquence de 65.8 Hz. Il alimentait le nœud de capteur sans fils développé opérant à une période de transmission de 17s à travers le circuit de gestion de puissance de faibles pertes favorisant le transfert optimal d’énergie entre l’entrée et la sortie du système. La fonctionnalité du système a été mise en évidence et une méthodologie comportant les différentes considérations à tenir en compte lors de développement de ce type de système a été proposée. Il est démontré que l’étude énergétique du système est un atout pour son développement. En effet, le design du transducteur piézoélectrique doit être fait de telle façon que la puissance générée par le récupérateur piézoélectrique soit supérieure à la puissance requise par le reste du système. Pour cela, la source de vibration doit être caractérisée en termes de fréquence et amplitude d’accélération. La puissance totale requise par le nœud de capteur et le circuit de gestion de puissance doit être déterminée. Le dimensionnent de l’élément de stockage doit aussi tenir compte de l’énergie totale requise par la charge.

La nature intermittente et aléatoire des sources renouvelables, telles que le photovoltaïque et l’éolien, nécessite un complément de stockage, tel une batterie et un système de secours énergétique, tel un générateur diesel, en particulier dans un système autonome. En ce qui concerne le générateur diesel, il a besoin d'un certain temps pour démarrer et il ne peut pas donner immédiatement la puissance nécessaire, en raison de son comportement dynamique. Alors, la qualité de l'énergie est abaissée pendant cette période en raison du manque de puissance. Par conséquent, pendant la période de démarrage du générateur diesel, un supercondensateur est suggéré pour équilibrer la puissance en raison de sa réponse rapide et de sa densité de puissance élevée. Une stratégie de contrôle de puissance est proposée pour réaliser la coordination entre le générateur diesel et le supercondensateur. La simulation et les résultats expérimentaux montrent que la stratégie de contrôle proposée est capable de réguler la tension du bus continu dans des limites acceptables et d’alimenter la charge pendant la sous production d'énergie renouvelable ou lors d'augmentation de la demande de la charge. De plus, le supercondensateur peut également être utilisé pour surmonter les limites de stockage électrochimique telles que son état de charge et son courant maximal. Ainsi, cette thèse propose le contrôle de puissance en temps réel pour un micro réseau continu avec un système hybride photovoltaïque-batterie-supercondensateur-diesel, visant à répondre à la demande de puissance de charge avec fiabilité et à stabiliser de la tension du bus continu. La simulation et les résultats expérimentaux montrent également que la stratégie de contrôle améliore les performances dynamiques et statiques du micro réseau continu pour différentes conditions de fonctionnement. De plus, afin de minimiser le coût énergétique du groupe diesel, le coût du carburant et la consommation de carburant sont analysés à travers plusieurs tests expérimentaux. Par conséquent, la valeur optimale de sa production d'énergie est déduite et appliquée dans une nouvelle stratégie de gestion de la puissance est proposée. Cette stratégie peut atteindre l'objectif de maximiser l'utilisation de l'énergie photovoltaïque et de prendre en compte la caractéristique de démarrage lent et le coût énergétique du générateur diesel. Les simulations et expérimentations sont réalisées en utilisant des données photovoltaïques réelles pour illustrer les performances et le comportement du système hybride. Les résultats obtenus vérifient l'efficacité de cette stratégie. De plus la comparaison avec la stratégie de gestion de la puissance précédente, dans laquelle le coût d’énergie du générateur diesel n'est pas pris en compte, démontre que la nouvelle stratégie de gestion peut réduire le coût total du système de puissance à courant continu hybride. / The intermittent and random nature of renewable sources, such as photovoltaic and wind turbine, asks for the complement of storage, such as battery and back-up energy, such as diesel generator, especially in a standalone power system. Concerning the diesel generator, it needs some time to start up and cannot immediately offer the needed power, due to its dynamic behavior. Hence, the power quality is lowered down during this period because of the shortage of power. Therefore, during the period of the diesel generator starting up, a supercapacitor is suggested to compensate the power balance because of its fast response and high power density. A power control strategy is proposed to achieve the coordination between diesel generator and supercapacitor. Both simulation and experimental results show that the proposed control strategy is able to regulate the DC bus voltage within the acceptable limits and supplying the load during the renewable power under generation or load step-increase situations. In addition, the supercapacitor can be also used to overcome the electrochemical storage limits like its state of charge and maximum current. So, this thesis proposes the real time power control for a hybrid photovoltaic-battery-supercapacitor-diesel generator DC microgrid system, aiming to meet the load power demand with reliability and stabilizing the DC bus voltage. Both simulation and experimental results show that the designed control strategy improves the DC microgrid dynamic and static performances under different operating conditions. Furthermore, in order to minimize the diesel generator energy cost, the fuel cost and fuel consumption are analysed through several experimental tests. Therefore, the optimal value of its power generation is deduced and applied in a newly proposed energy management strategy. This strategy can achieve the goal of maximizing the utilization of photovoltaic energy and taking into account the slow start-up characteristic and energy cost of diesel generator. Both simulation and experimental studies are carried out by using the real photovoltaic data to illustrate the performance and the behavior of the hybrid system. The obtained results verify the effectiveness of this strategy. Furthermore, the comparison with the previous energy management strategy, in which the diesel generator energy cost is not considered, demonstrates that the newly proposed energy management strategy can reduce the total cost of the hybrid DC power system.

La sophistication grandissante des dispositifs intelligents ultra-portatifs, tels que les smartphones ou les tablettes,crée un besoin d'amélioration des performances des organes de conversion de puissance.La tendance des technologies d'acheminement de puissance évolue progressivement vers une fréquence plus élevée, une meilleure densité d'intégration et une plus grande flexibilité dans les schémas d'asservissement. La modulation dynamique de tension est utilisée dans les circuits intégrés de gestion de puissances(DVS PMICs)des transmetteurs RF alors que la modulation DVFS est utilisée dans les PMICs dédiées au CPUs et GPUs. Des DCDC flexibles et fonctionnant à haute fréquence constituent aujourd'hui la solution principale en conjonction avec des régulateurs à faible marge de tension (LDO).L'évolution vers des solutions à base de HFDCDC de faibles dimensions pose un défi sérieux en matière de 1)stabilité des boucles d'asservissement,2)de complexité des architectures de contrôle imbriquant des machines d'état asynchrones pour gérer une large dynamique de puissance de sortie et 3)de portabilité de la solutions d'une technologie à une autre.Les solutions les plus courantes atteignent aujourd'hui une gamme de 2 à 6 Mhz de fréquence de découpage grâce à l'usage de contrôleurs à hystérésis qui souffrent de la difficulté à contenir la fréquence de découpage lors des variations de la tension ou du courant en charge.Nous avons voulu dans ce travail étendre l'usage des méthodes de conception et de modélisation conventionnelles comme le modèle petit signal moyen, dans une perspective de simplification et de création de modèles paramétriques. L'objectif étant de rendre la technique de compensation flexible et robuste aux variations de procédés de fabrication ou bien aux signaux parasités inhérents à la commutation de puissance.Certes, le modèle moyen petit signal, au demeurant bien traité dans la littérature, réponds amplement à la problématique de compensation des DCDCs notamment quand la stabilité s'appuie sur le zéro naturel à haute fréquence inhérent à la résistance série ESR de la capacité de sortie, mais les HFDCDC actuels utilisent des capacités MLCC ayant une très faible ESR et font appel à des techniques de compensation paramétriques imbriquant le schéma de compensation dans la génération même du rapport cyclique. La littérature existante sur le fonctionnement de la machine d'état, se contente d'une description simpliste de convertisseurs PWM/PFM mais ne donne que très peu d'éléments sur la gestion des opérations synchrones/asynchrones alternant PWM,PFM,écrêtage de courant, démarrage ou détection de défaillance. Dans ce travail, notre études est axée sur les deux aspects suivants:1)La modélisation paramétrique et la compensation de la boucle d'asservissement de HFDCDC et 2)la portabilité de la conception de la machine d'états du contrôleur notamment lorsqu'elle intègre des transitions complexes entre les modes.Dans la première section, nous avons développé un modèle petit signal moyen d'un convertisseur Buck asservi en mode courant-tension et nous l'avons analysé pour faire apparaitre les contributions proportionnelle, intégrale et dérivé dans la boucle. Nous avons démontré la possibilité d'utiliser le retour en courant pour assurer l'amortissement nécessaire et la stabilité de la boucle pour une large dynamique de variations des conditions de charge.Dans la seconde section, nous avons développé une architecture de machine d'états sophistiquée basé sur la méthode d'Huffman avec un effort substantiel d'abstraction que nous a permis de la concevoir en description RTL pour une gestion fiable du fonctionnement asynchrone et temps réel.Notre contribution théorique a fait l'objet d'une réalisation d'un PMIC de test comportant deux convertisseurs Buck cadencés à 12MHz en technologie BiCMOS 0.5um/0.18um. Les performances clefs obtenues sont:une surtension de 50mV pendant 2us suite à l'application d'un échelon de courant de 300mA. / The continuous sophistication of smart handheld devices such as smartphones and tablets creates an incremental need for improving the performances of the power conversion devices. The trend in power delivery migrates progressively to higher frequency, higher density of integration and flexibility of the control scheme. Dynamic Voltage Scaling Power Management ICs (DVS PMIC) are now systematically used for powering RF Transmitters and DVFS PMICS using Voltage and Frequency scaling are used for CPUs and GPUs. Flexible High frequency (HF) DC/DC converters in conjunction with low dropout LDOs constitute the main solution largely employed for such purposes. The migration toward high frequency/small size DCDC solutions creates serious challenges which are: 1) the stability of the feedback loop across a wide range of loading voltage and current conditions 2) The complexity of the control and often-non-synchronous state machine managing ultra large dynamics and bridging low power and high power operating modes, 3) The portability of the proposed solution across technology processes.The main stream solutions have so far reached the range of 2 to 6 MHz operation by employing systematically sliding mode or hysteretic converters that suffer from their variable operating frequency which creates EMI interferences and lead to integration problems relative to on-chip cross-talk between converters.In this work we aim at extend the use of traditional design and modeling techniques of power converters especially the average modeling technique by putting a particular care on the simplification of the theory and adjunction of flexible compensation techniques that don't require external components and that are less sensitive to process spread, or to high frequency substrate and supply noise conditions.The Small Signal Average Models, widely treated in the existing literature, might address most needs for system modeling and external compensation snubber design, especially when aiming on the high frequency natural zero of the output capacitor. However, HFDCDC converters today use small size MLCC capacitors with a very low ESR which require using alternative techniques mixing the compensation scheme with the duty cycle generation itself. The literature often provides a simplistic state machine description such as PWM/PFM operations but doesn't cover combined architectures of synchronous / non synchronous mode operations such as PWM, PFM, Current Limit, Boundary Clamp, Start, Transitional and finally Fault or Protection modes.In our work, we have focused our study on two main axes: 1) The parametric modeling and the loop compensation of HFDCDC and 2) the scalability of the control state machine and mode inter-operation. In the first part, we provided a detailed small signal averaged model of the “voltage and current mode buck converter” and we depicted it to emphasize and optimize the contributions of the Proportional, Integral and Derivative feedback loops. We demonstrated the ability to use the current feedback to damp and stabilize the converter with a wide variety of loading conditions (resistive or capacitive). In the second part, we provided architecture of the mode control state machine with different modes like the PWM, PFM, soft-start, current limit,… .The technique we have used is inspired by Huffman machine with a significant effort to make it abstract and scalable. The state machine is implemented using RTL coding based on a generic and scalable approach.The theoretical effort has been implemented inside a real PMIC test-chip carrying two 12MHz buck converters, each employing a voltage and current mode feedback loop. The chip has been realized in a 0.5um / 0.18um BiCMOS technology and tested through a dedicate Silicon validation platform able to test the analog, digital and power sections. The key performance obtained is a 50mV load transient undershoot / overshoot during 2us following a load step of 300mA (slope 0.3A/ns).

La présence importante de plusieurs réseaux sans-fils de différentes portées a encouragée le développement d’une nouvelle génération d’équipements portables sans-fils avec plusieurs interfaces radio. Ainsi, les utilisateurs peuvent bénéficier d’une large possibilité de connectivité aux réseaux sans-fils (e.g. Wi-Fi [1], WiMAX [2], 3G [3]) disponibles autour. Cependant, la batterie d’un nœud mobile à plusieurs interfaces sera rapidement épuisée et le temps d’utilisation de l’équipement sera réduit aussi. Pour prolonger l’utilisation du mobile les standards, des réseaux sans-fils, on définie (individuellement) plusieurs états (émission, réception, sleep, idle, etc.); quand une interface radio n’est pas en mode émission/réception il est en mode sleep/idle où la consommation est très faible, comparée aux modes émission/réception. Pourtant, en cas d’équipement portable à multi-interfaces radio, l’énergie totale consommée par les interfaces en mode idle est très importante. Autrement, un équipement portable équipé de plusieurs interfaces radio augmente sa capacité de connectivité mais réduit sa longévité d’utilisation. Pour surpasser cet inconvénient on propose une plate-forme, qu'on appelle IMIP (Integrated Management of Interface Power), basée sur l’extension du standard MIH (Media Independent Handover) IEEE 802.21 [4]. IMIP permet une meilleure gestion d’énergie des interfaces radio, d’un équipement mobile à multi-radio, lorsque celles-ci entrent en mode idle. Les expérimentations que nous avons exécutées montrent que l’utilisation de IMIP permet d'économiser jusqu'a 80% de l'énergie consommée en comparaison avec les standards existants. En effet, IMIP permet de prolonger la durée d'utilisation d'équipements à plusieurs interfaces grâce à sa gestion efficace de l'énergie. / The large availability of wireless networks of different ranges, has contributed to the development of new generation of handheld devices with multi-radio interfaces. Thus, the end-users are able to achieve ubiquitous and seamless connectivity across heterogeneous wireless networks (e.g., Wi-Fi [1], WiMAX [2] and 3G_LTE [3]). However, a mobile node with multi-radio interfaces has its battery energy consumed rapidly, which reduces the operation/usage time of the device. To improve battery usage, wireless network standards have defined (individually) different interface states (transmit, receive, idle, sleep, etc.); when an interface is not transmitting or receiving, it goes to sleep/idle state where energy consumption is very low compared to transmit and receive states. However, in the case of multi-radio handheld devices, the total energy consumed by the interfaces in sleep/idle state is significant. Thus, equipping a mobile device with multiple interfaces increases its seamless connectivity but reduces its operation/usage longevity. To overcome this inconvenient, we proposed a framework, called IMIP (Integrated Management of Interface Power) that consists of an extension of MIH (Media Independent Handover) IEEE 802.21 standard [4]. IMIP allows a better power management of radio interfaces of a multi-radio mobile node; indeed, it reduces considerably energy consumption. The basic idea behind IMIP is to shut down any interface in idle mode and use a proxy that emulates the interface; the proxy wakes up the interface when it receives a connection request directed to this interface. IMIP requires at least one interface in active mode. Experiments show that using IMIP enables a saving of up to 80% of power consumption compared with existing power management standards. Thus, IMIP allows longer usage of multiple interface devices thanks to its effective energy management.

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