Questi sensori dovranno funzionare a livelli di potenza molto bassi per prolungare la durata della batteria di mesi o alimentarsi con energia ricavata dall'ambiente. Ciò significa, tuttavia, che dovranno assorbire un'ampia gamma di correnti elettriche. Ad esempio, un sensore potrebbe attivarsi periodicamente, effettuare una misurazione ed eseguire un semplice calcolo per verificare se tale misurazione supera una determinata soglia. Queste operazioni richiedono una corrente relativamente bassa, ma occasionalmente il sensore potrebbe dover trasmettere un allarme a un ricevitore radio distante. Questo richiede correnti molto più elevate.
In generale, i convertitori di potenza, che prendono una tensione in ingresso e la convertono in una tensione di uscita costante, sono efficienti solo entro un intervallo ristretto di correnti. Ma alla International Solid-State Circuits Conference di pochi giorni fa, i ricercatori del Microsystems Technology Laboratory del MIT hanno presentato un nuovo convertitore di potenza che mantiene la sua efficienza per correnti che vanno da 500 picoampere a 1 milliampere, un intervallo che comprende un aumento di 200.000 volte dei livelli di corrente.
"In genere, i convertitori hanno una potenza a riposo, ovvero l'energia che consumano anche quando non forniscono corrente al carico", spiega Arun Paidimarri, ricercatore post-dottorato presso MTL all'epoca dello svolgimento del lavoro e ora presso IBM Research. "Ad esempio, se la potenza a riposo è di un microampere, anche se il carico assorbe solo un nanoampere, consumerà comunque un microampere di corrente. Il mio convertitore è in grado di mantenere l'efficienza su un'ampia gamma di correnti.".
Paidimarri, che ha conseguito anche un dottorato e un master al MIT, è il primo autore dell'articolo presentato alla conferenza. Insieme a lui c'è il suo relatore di tesi, Anantha Chandrakasan, professore di ingegneria elettrica e informatica presso il MIT, titolare della cattedra Vannevar Bush.
Prospettiva del package:
Il convertitore dei ricercatori è un convertitore buck, il che significa che la sua tensione di uscita è inferiore alla tensione di ingresso. Nello specifico, prende tensioni di ingresso comprese tra 1,2 e 3,3 volt e le riduce a valori compresi tra 0,7 e 0,9 volt.
"Nel regime di bassa potenza, il funzionamento di questi convertitori di potenza non si basa su un flusso continuo di energia", afferma Paidimarri. "Si basa su questi pacchetti di energia. Ci sono degli interruttori, un induttore e un condensatore nel convertitore di potenza, e in pratica si accendono e spengono questi interruttori".
Il circuito di controllo per gli interruttori include un circuito che misura la tensione di uscita del convertitore. Se la tensione di uscita è inferiore a una certa soglia, in questo caso 0,9 volt, i controller attivano un interruttore e rilasciano un pacchetto di energia. Quindi effettuano un'altra misurazione e, se necessario, rilasciano un altro pacchetto.
Se nessun dispositivo riceve alimentazione dal convertitore, o se l'alimentazione è destinata solo a un semplice circuito locale, i controller potrebbero rilasciare da 1 a un paio di centinaia di pacchetti al secondo. Ma se il convertitore alimenta una radio, potrebbe dover rilasciare un milione di pacchetti al secondo.
Per gestire questa gamma di uscite, un convertitore tipico, anche a bassa potenza, eseguirà semplicemente un milione di misurazioni di tensione al secondo; su questa base, rilascerà tra 1 e 1 milione di pacchetti. Ogni misurazione consuma energia, ma per la maggior parte delle applicazioni esistenti, il consumo energetico è trascurabile. Per l'Internet delle cose, tuttavia, è inaccettabile.
contiene
un elemento chiamato partitore di tensione, che preleva una piccola corrente di uscita per la misurazione. In un convertitore tipico, il partitore di tensione è semplicemente un altro elemento nel percorso del circuito; in effetti, è sempre attivo.
Ma la corrente prelevata riduce l'efficienza del convertitore, quindi nel chip dei ricercatori del MIT, il partitore è circondato da un blocco di elementi circuitali aggiuntivi che consentono l'accesso al partitore solo per la frazione di secondo necessaria per una misurazione. Il risultato è una riduzione del 50% del consumo energetico a riposo, rispetto al miglior convertitore buck sperimentale a bassa potenza, e un ampliamento di dieci volte della gamma di gestione della corrente.
"Questo apre nuove ed entusiasmanti opportunità per far funzionare questi circuiti utilizzando nuovi tipi di fonti di raccolta di energia, come l'elettronica alimentata dal corpo", afferma Chandrakasan.
Questo lavoro è stato finanziato da Shell e Texas Instruments, e il prototipo del chip è stato realizzato dalla Taiwan Semiconductor Manufacturing Corporation, attraverso il suo programma di collaborazione con le università.
Autore: Larry Hardesty, Ufficio stampa del MIT
