Diese Sensoren müssen mit sehr geringem Stromverbrauch arbeiten, um die Batterielebensdauer auf Monate zu verlängern oder Energie aus der Umgebung zu gewinnen. Das bedeutet jedoch, dass sie einen breiten Strombedarf haben. Beispielsweise könnte ein Sensor periodisch aktiv werden, eine Messung durchführen und eine einfache Berechnung vornehmen, um festzustellen, ob der Messwert einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Diese Vorgänge benötigen relativ wenig Strom. Gelegentlich muss der Sensor jedoch möglicherweise eine Warnung an einen entfernten Funkempfänger senden. Dies erfordert deutlich höhere Ströme.
Im Allgemeinen arbeiten Stromrichter, die eine Eingangsspannung in eine konstante Ausgangsspannung umwandeln, nur in einem engen Strombereich effizient. Auf der International Solid-State Circuits Conference präsentierten Forscher des Microsystems Technology Laboratory am MIT jedoch vor wenigen Tagen einen neuen Stromrichter, der seine Effizienz bei Strömen von 500 Pikoampere bis 1 Milliampere beibehält – ein Bereich, der eine 200.000-fache Steigerung der Stromstärke umfasst.
„Typischerweise haben Wandler eine Ruhestromaufnahme, also die Energie, die sie auch dann verbrauchen, wenn sie keinen Strom an die Last abgeben“, erklärt Arun Paidimarri, damals Postdoktorand bei MTL und jetzt bei IBM Research. „Wenn die Ruhestromaufnahme beispielsweise ein Mikroampere beträgt, verbraucht die Last selbst dann noch ein Mikroampere, wenn sie nur ein Nanoampere Strom aufnimmt. Mein Wandler zeichnet sich dadurch aus, dass er seine Effizienz über einen weiten Strombereich aufrechterhält.“.
Paidimarri, der auch einen Doktortitel und einen Masterabschluss vom MIT besitzt, ist Erstautor des Konferenzbeitrags. Ihm zur Seite steht sein Dissertationsbetreuer Anantha Chandrakasan, Vannevar Bush Professor für Elektrotechnik und Informatik am MIT.
Funktionsweise:
Der von den Forschern entwickelte Wandler ist ein Abwärtswandler, dessen Ausgangsspannung niedriger ist als die Eingangsspannung. Konkret reduziert er Eingangsspannungen von 1,2 bis 3,3 Volt auf 0,7 bis 0,9 Volt.
„Im Niedrigleistungsbereich basiert die Funktionsweise dieser Wandler nicht auf einem kontinuierlichen Energiefluss“, erklärt Paidimarri. „Sie basiert auf Energiepaketen. Der Wandler enthält Schalter, eine Spule und einen Kondensator, die im Prinzip ein- und ausgeschaltet werden.“
Die Steuerschaltung für die Schalter misst die Ausgangsspannung des Wandlers. Liegt die Ausgangsspannung unter einem bestimmten Schwellenwert – in diesem Fall 0,9 Volt –, aktivieren die Steuerelemente einen Schalter und geben ein Energiepaket frei. Anschließend wird erneut gemessen und gegebenenfalls ein weiteres Paket freigegeben.
Wird kein Gerät vom Wandler mit Strom versorgt oder fließt der Strom nur in einen einfachen lokalen Stromkreis, geben die Steuerelemente zwischen einem und mehreren hundert Paketen pro Sekunde frei. Wenn der Wandler beispielsweise ein Funkgerät mit Strom versorgt, muss er unter Umständen eine Million Datenpakete pro Sekunde senden.
Um diesen Ausgabebereich abzudecken, führt ein typischer Wandler, selbst ein stromsparender, einfach eine Million Spannungsmessungen pro Sekunde durch und sendet entsprechend zwischen einer und einer Million Datenpakete. Jede Messung verbraucht Energie, die jedoch für die meisten Anwendungen vernachlässigbar ist. Für das Internet der Dinge ist dies jedoch inakzeptabel.
enthält
einen Spannungsteiler, der einen kleinen Ausgangsstrom zur Messung abzweigt. In einem typischen Wandler ist der Spannungsteiler einfach ein weiteres Element im Stromkreis; er ist praktisch immer aktiv.
Da der abgezweigte Strom jedoch die Effizienz des Wandlers verringert, ist der Teiler im Chip der MIT-Forscher von einem Block zusätzlicher Schaltungselemente umgeben, der den Zugriff auf den Teiler nur für den Bruchteil einer Sekunde ermöglicht, der für eine Messung benötigt wird. Das Ergebnis ist eine Reduzierung der Ruhestromaufnahme um 50 Prozent im Vergleich zum besten experimentellen Abwärtswandler mit geringem Stromverbrauch und eine Verzehnfachung des Strombereichs.
„Dies eröffnet spannende neue Möglichkeiten, diese Schaltungen mit neuartigen Energiequellen zu betreiben, beispielsweise mit körpereigener Elektronik“, so Chandrakasan.
Diese Arbeit wurde von Shell und Texas Instruments finanziert, und der Prototyp-Chip wurde von der Taiwan Semiconductor Manufacturing Corporation im Rahmen ihres Universitäts-Satellitenprogramms gebaut.
Autor: Larry Hardsty, MIT-Pressestelle
