abstract: The modern era of consumer electronics is dominated by compact, portable, affordable smartphones and wearable computing devices. Power management integrated circuits (PMICs) play a crucial role in on-chip power management, extending battery life and efficiency of integrated analog, radio-frequency (RF), and mixed-signal cores. Low-dropout (LDO) regulators are commonly used to provide clean supply for low voltage integrated circuits, where point-of-load regulation is important. In System-On-Chip (SoC) applications, digital circuits can change their mode of operation regularly at a very high speed, imposing various load transient conditions for the regulator. These quick changes of load create a glitch in LDO output voltage, which hamper performance of the digital circuits unfavorably. For an LDO designer, minimizing output voltage variation and speeding up voltage glitch settling is an important task. The presented research introduces two fully integrated LDO voltage regulators for SoC applications. N-type Metal-Oxide-Semiconductor (NMOS) power transistor based operation achieves high bandwidth owing to the source follower configuration of the regulation loop. A low input impedance and high output impedance error amplifier ensures wide regulation loop bandwidth and high gain. Current-reused dynamic biasing technique has been employed to increase slew-rate at the gate of power transistor during full-load variations, by a factor of two. Three design variations for a 1-1.8 V, 50 mA NMOS LDO voltage regulator have been implemented in a 180 nm Mixed-mode/RF process. The whole LDO core consumes 0.130 mA of nominal quiescent ground current at 50 mA load and occupies 0.21 mm x mm. LDO has a dropout voltage of 200 mV and is able to recover in 30 ns from a 65 mV of undershoot for 0-50 pF of on-chip load capacitance. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Electrical Engineering 2016

Les travaux de cette thèse concernent la maîtrise de l’énergie et la convergence des besoins énergétiques dans le transport et les bâtiments. Une approche basée sur les techniques d’optimisation est proposée pour la gestion conjointe de la production et de la consommation d’énergie dans un bâtiment disposant de moyens de production locale d’énergie renouvelable et d’une connexion avec voiture électrique. "Le gestionnaire d’énergie" anticipe,24 heures à l’avance, les commandes optimales pour piloter les multiples sources électriques et thermiques placées dans le bâtiment ainsi que les procédés de stockage de l’énergie dans le butde parvenir à la meilleure configuration possible des flux énergétiques minimisant le coût de la facture énergétique. Considérant la bidirectionnalité du courant électrique entre la voiture et le bâtiment dans les applications "vehicle to home" (V2H), l’électricité stockée dans la batterie de la voiture peut être appelée pour alimenter les charges installées dans le bâtiment pendant que celle-ci est en stationnement. Le gestionnaire embarque également un mécanisme d’ajustement de la demande électrique qui permet de programmer le "fonctionnement" des électroménagers en vue de diminuer la consommation des habitants aux heures des pointes électrique. / This PhD dissertation addresses the power management for the convergence oftransportation and housing power requirement. An approach based on optimization techniquesis proposed for the joint management of the power production and consumption in buildingswith renewable energy generator and connection to electric vehicle. The power manageranticipates day ahead optimal control for multiple electrical and thermal sources locatedin the building as well as the processes of energy storage in order to achieve the bestpossible configuration of energy flow, which minimize the cost of energy bills. Consideringthe bidirectional energy flow between the vehicle and the building in the "vehicle to home"(V2H) applications, the energy stored in the cars battery of the car can be used to supplythe household loads while it is parked. The manager also performs an electrical demandadjustment mechanism which programs schedules the "operation" of some of home appliancesin order to reduce the consumption of the inhabitants during peak periods when the electricityprice is high.

Orientador: José Antonio Perrella Balestieri / Resumo: Este trabalho visa analisar a energia elétrica das instalações elétricas, os consumos de energia elétrica, ar comprimido e água gelada, criação de novos indicadores de desempenho energético e uso de ferramentas estatísticas em uma empresa montadora de veículos. Seu principal objetivo é obter novos indicadores de desempenho energético, redução do consumo de energia elétrica em uma pesquisa ação, com a necessidade de encontrar reduções de consumo de energia nas áreas das utilidades, água gelada, água quente, ar comprimido, energia elétrica nas áreas transversais. Dentre os insumos utilizados pelas indústrias, a energia elétrica insere-se como recurso essencial em quase todas as atividades de um sistema produtivo. Dessa forma, são evidenciados os consumos de maior relevância nas áreas de utilidades e nas áreas transversais. O investimento no uso eficiente de energia elétrica traz uma série de benefícios para a empresa, para o país e para seu cliente final. Dentre os aspectos econômicos envolvidos na atividade de racionalização do uso de energia, deve-se destacar a valorização da imagem e da visão estratégica da empresa. São evidenciados os novos indicadores de desempenho energético nos setores transversais e nas utilidades, mensais. Não houve correlação dos consumos de energia elétrica entre os prédios. As tendências de consumo de ar comprimido e água gelada mostraram uma incompatibilidade, observado nos gráficos de correlação. / Abstract: This work aims to analyze the demand for electric energy, electric energy consumption, compressed air and chilled water, creating new indicators of energy performance and use of statistical tools in a vehicle assembly company. Its main objective is to obtain new indicators of energy performance, reduced power consumption in an action research, with the need for energy consumption reductions in the areas of utilities, cold water, hot water, compressed air, chilled water, energy electric in cross-cutting areas. Among the inputs used by industries, the electricity is part of an essential feature in almost all activities of a production system. Thus, it is highlighted the most relevant consumption in the areas of utilities and in cross-cutting areas. Investment in energy-efficient brings a number of benefits for the company, for the country and for your end customer. Among the economic aspects involved in rationalizing activity of energy use, it should be noted to enhance the image and the strategic vision of the company. It will be shown the new energy performance indicators in cross-cutting sectors and the utilities, monthly. There was no correlation of electric energy consumption between buildings. The compressed air consumption trends and chilled water showed a mismatch, seen in correlation graphs. / Mestre

Ces travaux portent sur la récupération et le stockage d’énergie pour l’alimentation de capteurs sans fil dans un contexte aéronautique. Dans un premier temps, nous présentons la problématique particulière de l’alimentation des capteurs sans fil dans un tel domaine et dressons un état de l’art des différentes technologies de stockage et de récupération pouvant répondre à ce besoin. Dans un deuxième temps, à travers l’étude et la réalisation de deux récupérateurs, nous montrons les possibilités qu’apporte cette technologie et détaillons les contraintes de conception qu’impose le milieu afin d’obtenir une alimentation robuste et fiable. Le premier récupérateur présenté est une alimentation photovoltaïque située sur l’extrados de l’aile d’un A321 alimentant des bandes de capteurs sans fil proches. Le système fournit 2 watts, fonctionne par temps couvert et résiste aux températures fortement négatives (-50°C) et aux basses pressions (200hPa) qui sont rencontrées à l’altitude de croisière de cet appareil. Le deuxième récupérateur est une alimentation thermoélectrique placée dans le mât réacteur d’un A380 pour alimenter un système de capteurs dédié à la surveillance de l’état de structure. Le système résiste aux températures élevées (300°C) et aux importantes vibrations de la zone d’installation et produit l’énergie nécessaire à l’alimentation du système de capteurs. Les choix et les étapes de conception ayant menés aux deux systèmes sont détaillés, tant au niveau de l’assemblage mécanique que des circuits électroniques. / This work deals with energy harvesting and storage to power aircraft embedded wireless sensors. First, we discuss the issue of powering wireless sensors in an aircraft and we present a state of the art of the various energy harvesting and storage technologies that could be used. Then, through the design and construction of two harvesters, we show the possibilities offered by this technology and we explain the design constraints imposed by the application to get a reliable and robust power supply. The first harvester is a photovoltaic power supply located on the upper surface of an A321’s wing supplying a wireless sensors belt nearby. The systems provides 2 watts to the load, works with cloudy weather and is highly resistant to negative temperature (-50°C) and low pressure (200hPa) that are met at aircraft cruising altitude. The second harvester is a thermoelectric power supply located in an A380 pylon supplying a structural health monitoring system. The harvester is highly resistant to high temperature (300°C) and severe vibrations of the installation area and manages to generate the required energy to supply the structural health monitoring sensors. Mechanical and electronic design steps and choices that led to both harvesters are detailed and discussed.

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.

Les Piles à Combustible Microbiennes (PCMs) mettent en œuvre le métabolisme de micro-organismes et utilisent de la matière organique pour générer de l’énergie électrique. Les applications potentielles incluent le traitement de l’eau autonome en énergie, les bio-batteries, et le grappillage d’énergie ambiante. Les PCMs sont des équipements basse-tension et basse-puissance dont le comportement est influencé par la vitesse à laquelle l’énergie électrique est récupérée. Dans cette thèse, on étudie des méthodes pour récupérer l’énergie électrique de façon efficace. La tension à laquelle l’énergie est récupérée des PCMs influence leur fonctionnement et leurs performances électriques. La puissance délivrée est maximum pour une tension spécifique (environ 1/3 de la tension en circuit-ouvert). Les PCMs peuvent être testées à ce point en utilisant une charge contrôlée automatiquement qui inclut un algorithme de recherche de puissance maximale. Un tel outil a été utilisé pour évaluer la puissance maximum, la vitesse de consommation du combustible, le rendement Coulombic et le rendement de conversion de 10 PCMs à chambre unique de 1.3 L construites de façon similaire. Bien que d’autres choix structurels et opératoires peuvent permettre d’améliorer ces performances, ces résultats ont étudié pour la première fois les performances des PCMs en condition de production d’énergie de point de puissance maximal et testé les PCMs avec des conditions de récupération d’énergie réalistes. Récupérer un maximum d’énergie des PCMs est la ligne directrice de ce rapport. C’est rendu possible par des circuits dédiés de gestion de l’énergie qui embarquent un contrôle contre-réactif pour réguler la tension des PCMs à une valeur de référence qui est égale à une fraction de leur tension en circuit ouvert. Deux scénarios typiques sont développés dans la suite. Une application critique des PCMs concerne le grappillage autonome de petites énergies, pour alimenter des équipements électroniques basse-puissance (e.g. capteurs sans fil). Dans ce cas, les contraintes basse-puissance et basse-tension imposées par les PCMs nécessitent des fonctionnalités de démarrage autonomes. L’oscillateur d’Armstrong, composé d’inductances couplées à fort rapport d’enroulement et d’un interrupteur normalement-fermé permet d’élever des tensions de façon autonome à partir de sources basse-tension continue comme les PCMs. Ce circuit a été associé à des convertisseurs d’électronique de puissance AC/DC et DC/DC pour réaliser respectivement un élévateur-de-tension et une unité de gestion de l’énergie (UGE) auto-démarrante basée sur une architecture flyback. La première est adaptée pour les puissances inférieures à 1mW, alors que la seconde peut être dimensionnée pour des niveaux de puissance de quelques mW et permet de mettre en œuvre une commande qui recherche le point de puissance maximale du générateur. Une seconde application d’intérêt concerne le cas où de l’énergie est récupérée depuis plusieurs PCMs. L’association série peut être utilisée pour élever la tension de sortie mais elle peut avoir des conséquences négatives en terme de performances à cause des non-uniformités entre cellules. Cet aspect peut être résolu avec des circuits d’équilibrage de tension. Trois de ces circuits ont été analysés et évalués. Le circuit “complete disconnection” déconnecte une cellule défectueuse de l’association pour s’assurer qu’elle ne diminue pas le rendement global. Le circuit “switched-capacitor” transfère de l’énergie depuis les MFCs fortes vers les faibles pour équilibrer les tensions de toutes les cellules de l’association. Le circuit “switched-MFCs” connecte les PCMs en parallèle et en série de façon alternée. Chacune des trois méthodes peut être mise en œuvre à bas prix et à haut rendement, la plus efficace étant la “switchedcapacitor”qui permet de récupérer plus de 85% de la puissance maximum idéale d’une association très largement non uniforme. / Microbial fuel cells (MFCs) harness the metabolism of micro-organisms and utilize organic matter to generate electrical energy. They are interesting because they accept a wide range of organic matter as a fuel. Potential applications include autonomous wastewater treatment, bio-batteries, and ambient energy scavenging. MFCs are low-voltage, low-power devices that are influenced by the rate at which electrical energy is harvested at their output. In this thesis, we study methods to harvest electrical energy efficiently. The voltage at which energy is harvested from MFCs influences their operation and electrical performance. The output power is maximum for a certain voltage value (approx. 1/3rd the open-circuit voltage). This noteworthy operating point is favorable in some applications where MFCs are used as a power supply. MFCs can be tested at this point using an automatic load adjuster which includes a maximum power point tracking algorithm. Such a tool was used to evaluate the maximum power, the fuel consumption rate, the Coulombic efficiency and the energy conversion efficiency of ten similarly built 1.3 L single-chamber MFCs. Although structural and operating condition choices will lead to improved performance, these results investigate for the first time the performance of MFCs in continuous maximum power point condition and characterize MFCs in realistic energy harvesting conditions. Harvesting energy at maximum power point is the main thread of the manuscript. This is made possible with dedicated energy processing circuits embedding control feedback to regulate the MFC voltage to a fraction of its open-circuit voltage. Two typical scenarios are developed as outlined below. One critical application concerns autonomous low-power energy scavenging, to supply remote low-power electronic devices (e.g. wireless sensors). In this case, the low-power and low-voltage constraints imposed by MFCs require dedicated self start-up features. The Armstrong oscillator, composed of high turn-ratio coupled inductors and of a normally-on switch, permits to autonomously step-up voltages from a low DC source like MFCs. Although the circuit requires few components, its operation is not trivial because it partly relies on the parasitic elements of the inductors and the switch. Proper sizing of the inductors enables an optimized operation. This circuit can be associated with power electronic AC/DCand DC/DC converters to realize a voltage-lifter and a fly back-based self-starting Power Management Unit (PMU) respectively. The former is suitable for powering levels below 1mW, while the latter can be scaled for power levels of a few units of mW and facilitates implementation of maximum power point control. A second application of interest concerns the case where energy is harvested from several MFCs.Serial association can be used to step-up voltage but may lead to detrimental consequences in terms of performances because of hydraulic couplings between MFCs sharing the same electrolyte (e.g. if the MFCs are running in continuous flow) or because of electrical non-uniformities between cells. Whereas the former issue can be addressed with galvanically insulated PMUs, the latter can be solved with voltagebalancing circuits. Three of these latter circuits were analyzed and evaluated. The “complete disconnection” circuit isolates a faulty cell from the configuration to ensure it does not impede the overall efficiency. The “switched-capacitor” circuit transfers energy from the strong to the weak MFCs to equilibrate the voltages of the individual cells in the stack. The “switched-MFC” circuit alternatively connects MFCs in parallel and in series. Each of the three methods can be implemented at low-cost and at high efficiency, the most efficient one being the “switched-capacitor”, that permits to harvest more that 85% of the ideal maximum energy of a strongly-non-uniform MFC association.

In computing the available computing power has continuously fallen short of the demanded computing performance. As a consequence, performance improvement has been the main focus of processor design. However, due to the phenomenon called 'Power Wall' it has become infeasible to build faster processors by just increasing the processor's clock speed. One of the resulting trends in hardware design is to integrate several simple and power-efficient cores on the same chip. This design shift poses challenges of its own. In the past, with increasing clock frequency the programs became automatically faster as well without modifications. This is no longer true with many-core architectures. To achieve maximum performance the programs have to run concurrently on more than one core, which forces the general computing paradigm to become increasingly parallel to leverage maximum processing power. In this thesis, we will focus on the Reactive Stream Program (RSP). In stream processing, the system consists of computing nodes, which are connected via communication streams. These streams simplify the concurrency management on modern many-core architectures due to their implicit synchronisation. RSP is a stream processing system that implements the reactive system. The RSPs work in tandem with their environment and the load imposed by the environment may vary over time. This provides a unique opportunity to increase performance per watt. In this thesis the research contribution focuses on the design of the execution layer to run RSPs on tiled many-core architectures, using the Intel's Single-chip Cloud Computer (SCC) processor as a concrete experimentation platform. Further, we have developed a Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) technique for RSP deployed on many-core architectures. In contrast to many other approaches, our DVFS technique does not require the capability of controlling the power settings of individual computing elements, thus making it applicable for modern many-core architectures, with which power can be changed only for power islands. The experimental results confirm that the proposed DVFS technique can effectively improve the energy efficiency, i.e. increase the performance per watt, for RSPs.

La quantité d'énergie disponible dans les batteries et le nombre limité de cycles de recharge compliquent singulièrement la conception de réseaux de capteurs sans fil (WSN) autonomes. La récupération d'énergie dans l'environnement direct des nœuds et un stockage d'énergie à base de supercondensateurs sont aujourd'hui considérés comme solutions potentielles pour atteindre une durée de vie du réseau théoriquement infinie. Un gestionnaire d'énergie (PM pour ''Power Manager'') est embarqué dans chaque nœud afin de permettre un fonctionnement en neutralité énergétique (ENO), ce qui veut dire que les énergies récupérées et consommées par un nœud sont équivalentes sur le long terme. Dans cette thèse, nous proposons de nouveaux PMs qui adaptent dynamiquement l'intervalle de réveil des nœuds en fonction de l'énergie récupérée. La faible complexité de nos PMs, leur indépendance vis-à-vis du type de source d'énergie récupérée et leur faible empreinte mémoire facilitent leur implantation sur une plate-forme réelle de réseaux de capteurs sans fil. Par ailleurs, lorsque l'on considère un réseau multi-sauts, une variation trop fréquente de l'intervalle de réveil peut s'avérer pénalisante pour l'établissement de rendez-vous entre les nœuds et risque de fortement dégrader la qualité de services globale. Nous proposons donc un gestionnaire d'énergie (WVR-PM) qui limite autant que possible ces variations et qui permet d'améliorer le débit de près de 60% par rapport aux PMs de l'état de l'art tout en diminuant de 45% l'énergie consommée par une communication réussie. / The limited energy and recharge cycles of batteries are crippling the design of autonomous Wireless Sensor Networks (WSNs). To overcome this issue, everlasting harvested energy and supercapacitor-based energy storage are considered as potential solutions to achieve a theoretically infinite lifetime. A Power Manager (PM) is embedded in each WSN node to respect the Energy Neutral Operation condition (ENO), which means harvested energy is equal to consumed energy for a long period. In this thesis, a set of PMs are proposed for energy harvesting WSN nodes to adapt their average consumed energy by changing the wake-up interval according to the available harvested energy. Our PMs are low complexity, independent of energy sources, small memory footprint and therefore, can be easily implemented on a real EH-WSN node. Another issue addressed in this thesis when considering a multi-hop EH-WSN is the effect of wake-up interval variations to the global QoS. Due to its low harvested energy, a relay node is impractical to synchronize with a transmitter if its wake-up interval regularly changes, therefore degrading the global QoS. A new power manager, named Wake-up Variation Reduction power manager (WVR-PM) is proposed to reduce the variations of the wake-up interval. By using WVR-PM, the throughput of a multi-hop EH-WSN can be improved up to 59% compare to state-of-the-art PMs while the average consumed energy for one successful communication is reduced by 45%.

Au cours des dernières années, la révolution numérique a continué sa progression. Les technologies de l'information et des communications (TIC) ont totalement changé la vie quotidienne des gens à leur domicile (concept de « maison numérique »). Pendant ce temps, non seulement le volume des émissions de CO2 produit par les TIC, ce qu'on appelle l'empreinte carbone, est sans cesse en croissance mais elle s'accompagne également d'une hausse du prix de l'électricité, augmentant fortement la part des équipements numériques dans la budget global des ménages. Ainsi, pour des raisons environnementale et économique, réduire la consommation d'énergie dans les nombreux équipements du réseau domestique est devenu un enjeu majeur. Dans ce contexte, la thèse porte sur la conception, l'évaluation et la mise en œuvre d'un ensemble de mécanismes dans le but de répondre aux problèmes de consommation d'énergie sur les réseaux locaux rassemblant les équipements numériques domestiques. Nous proposons un réseau de contrôle qui est formé par des noeuds de contrôle de l'énergie placés au-dessus du réseau traditionnel. Chaque nœud de contrôle est relié à un dispositif en vue de coordonner les états d'alimentation de l'équipement domestique associé.. Un démonstrateur pour un système Home Power Efficiency (HOPE) a également été mis en œuvre. Il démontre la faisabilité de la solution technique que nous proposons pour le contrôle de l'énergie dans un réseau domestique réel avec des scénarios réels qui sont souvent utilisées par utilisateur. Après avoir analysé le mode d'utilisation des équipements du réseau domestique, nous proposons un système de gestion d'énergie qui contrôle ces équipements minimisant ainsi que leur consommation. Le système est basé sur l'analyse des services collaboratifs, chaque service est découpé en blocs fonctionnels atomiques, distribués dans les différents équipements. Cela permet de gérer avec plus de précision les besoins énergétiques de chaque équipement de manière à n'alimenter que les composants nécessaires au service demandé. Pour conclure ces travaux, nous avons également cherché à minimiser les impacts de l'économie d'énergie sur la qualité d'expérience perçue par l'utilisateur (notamment le délai d'activation des services). Nous proposons un système de gestion d'énergie pour des services collaboratifs offrant plusieurs compromis possibles entre la consommation d'énergie et le délai d'activation des services dans un réseau domestique. Il est complété par un algorithme d'apprentissage du comportement des utilisateurs domestiques. / In recent years, Information and Communications Technology (ICT) has totally changed the people daily life in the Digital Home. Meanwhile, not only the amount of CO2 emission of ICT, so called ''footprint'', is increasing without cease, but also the price of electricity is constantly rising. Thus, it is quite important to reduce energy consumption in the home network and home devices for the environmental and economic reasons. In order to cope with this context, the thesis concerns the design, the evaluation, and the implementation of a novel set of mechanisms with the purpose of responding to home network energy consumption problems. We proposed firstly an Overlay Energy Control Network which is formed by the overlay energy control nodes. Each node is connected to one device which forms an overlay control network to coordinate the power states of the device. Then, a testbed for HOme Power Efficiency system (HOPE) is implemented to demonstrate the technical solution for energy control in a real home network environment with several frequently used scenarios. After analyzing user's way of use of their home network equipment, we propose a power management which controls the devices based on the analysis of the collaborative services. These frequently used collaborative services require different functional blocks in different devices. This model provides the possibility to turn on the right requested functional blocks in the right device at the right moment. Finally, based on the former contribution, the collaborative overlay power management offers several possible tradeoffs between the power consumption and the waiting delay in the home network.

Quelles sont les particules élémentaires et comment l'univers proviennent sont les principales forces motrices de la physique des hautes énergies. Afin de démontrer le modèle standard et découvrez la nouvelle physique, plusieurs détecteurs sont construits pour les expériences en physique des hautes énergies. Capteurs à pixels CMOS offrent un compromis attirant entre la vitesse de lecture, le budget matériel, la tolérance au rayonnement, la consommation d'énergie et la granularité, par rapport aux capteurs à pixels hybrides et des dispositifs à transfert de charge. Ainsi, les CPS sont un bon choix pour détecter les particules chargées dans les détecteurs de vertex et des télescopes de faisceau. La distribution de puissance devient un enjeu important dans les détecteurs à venir, puisque une quantité considérable de capteurs seront installés. Malheureusement, le «Independent Powering» échoue, comme l'approche traditionnelle. Afin de résoudre les problèmes de distribution de puissance et de fournir des tensions silencieuses, cette thèse se concentre sur la conception de la gestion de l'alimentation à faible bruit, à basse consommation d'énergie, de petite taille et sur-puce pleinement pour les CPS. Les CPS sont d'abord introduits en tirer les exigences de conception de la gestion de l'alimentation. La distribution de puissance dédiées à les CPS est ensuite proposé, dans laquelle la gestion de l'alimentation est utilisée comme seconde étape de conversion de puissance. Deux régulateurs sur-puce pleinement sont proposés pour générer la tension d'alimentation analogique et de la tension d'alimentation de référence requis par l'opération d'échantillonnage double corrélé, respectivement. Deux prototypes ont vérifié ces régulateurs. Ils peuvent répondre aux exigences des CPS. En outre, les techniques de gestion de l'alimentation et de la conception tolérance au rayonnement sont également présentés dans cette thèse. / What are the elementary particles and how did the universe originate are the main driving forces in the high energy physics. In order to further demonstrate the standard model and discover new physics, several detectors are built for the high energy physics experiments. CMOS pixel sensors (CPS) can achieve an attractive tradeoff among many performance parameters, such as readout speed, granularity, material budget, power dissipation, radiation tolerance and integrating readout circuitry on the same substrate, compared with the hybrid pixel sensors and charge coupled devices. Thus, the CPS is a good candidate for tracking the charged particles in vertex detectors and beam telescopes.The power distribution becomes an important issue in the future detectors, since a considerable amount of sensors will be installed. Unfortunately, the independent powering has been proved to fail. In order to solve the power distribution challenges and to provide noiseless voltages, this thesis focuses on the design of a low noise, limited area, low power consumption and full on-chip power management in CPS chips. The CPS are firstly introduced drawing the design requirements of the power management. The power distribution dedicated to CPS chips is then proposed, in which the power management is utilized as the second power conversion stage. Two full on-chip regulators are proposed to generate the analog power supply voltage and the reference voltage required by correlated double sampling operation, respectively. Two prototypes have verified these regulators. They can meet the requirements of CPS. Moreover, the power management techniques and the radiation tolerance design are also presented in this thesis.