Эти датчики должны работать при очень низком уровне энергопотребления, чтобы продлить срок службы батарей на несколько месяцев или использовать энергию, получаемую из окружающей среды. Но это означает, что им потребуется потреблять широкий диапазон электрических токов. Например, датчик может периодически активироваться, производить измерение и выполнять простой расчет, чтобы определить, превышает ли это измерение определенный пороговый уровень. Эти операции требуют относительно небольшого тока, но иногда датчику может потребоваться передать оповещение на удаленный радиоприемник. Для этого требуются гораздо большие токи.
Как правило, преобразователи мощности, которые принимают входное напряжение и преобразуют его в постоянное выходное напряжение, эффективны только в узком диапазоне токов. Однако на Международной конференции по твердотельным схемам, состоявшейся несколько дней назад, исследователи из Лаборатории микросистемных технологий Массачусетского технологического института представили новый преобразователь мощности, который сохраняет свою эффективность при токах от 500 пикоампер до 1 миллиампера, что соответствует увеличению уровня тока в 200 000 раз.
«Как правило, преобразователи имеют потребляемую мощность в режиме ожидания, то есть энергию, которую они потребляют даже тогда, когда не подают ток на нагрузку», — говорит Арун Паидимарри, научный сотрудник MTL во время проведения исследования, а ныне сотрудник IBM Research. «Так, например, если потребляемая мощность в режиме ожидания составляет один микроампер, то даже если нагрузка потребляет всего один наноампер, она все равно будет потреблять один микроампер тока. Мой преобразователь способен поддерживать эффективность в широком диапазоне токов».
Паидимарри, имеющий также докторскую и магистерскую степени Массачусетского технологического института, является первым автором доклада на конференции. Его научный руководитель, Ананта Чандракасан, профессор кафедры электротехники и информатики им. Ванневара Буша в Массачусетском технологическом институте, также внес свой вклад.
Концепция устройства:
Разработанный исследователями преобразователь является понижающим, то есть его выходное напряжение ниже входного. В частности, он принимает входное напряжение в диапазоне от 1,2 до 3,3 вольт и понижает его до 0,7–0,9 вольт.
«В режиме низкой мощности принцип работы этих преобразователей мощности основан не на непрерывном потоке энергии, — говорит Пайдимарри. — Он основан на энергетических пакетах. В преобразователе мощности есть несколько переключателей, индуктор и конденсатор, и вы, по сути, включаете и выключаете эти переключатели».
Схема управления переключателями включает в себя схему, которая измеряет выходное напряжение преобразователя. Если выходное напряжение ниже определенного порогового значения — в данном случае, 0,9 вольт — контроллеры активируют переключатель и выпускают энергетический пакет. Затем они проводят еще одно измерение и, при необходимости, выпускают еще один пакет.
Если ни одно устройство не получает питание от преобразователя, или если питание поступает только в простую локальную цепь, контроллеры могут отправлять от 1 до нескольких сотен пакетов в секунду. Но если преобразователь питает радиоприёмник, ему может потребоваться отправлять миллион пакетов в секунду.
Для обработки такого диапазона выходных сигналов типичный преобразователь, даже маломощный, просто выполняет миллион измерений напряжения в секунду; исходя из этого, он будет отправлять от 1 до 1 миллиона пакетов. Каждое измерение потребляет энергию, но для большинства существующих приложений энергопотребление незначительно. Однако для Интернета вещей это неприемлемо.
содержит
элемент, называемый делителем напряжения, который отводит небольшой выходной ток для измерения. В типичном преобразователе делитель напряжения — это просто еще один элемент в цепи; по сути, он всегда включен.
Но отводимый ток снижает эффективность преобразователя, поэтому в чипе исследователей из MIT делитель окружен блоком дополнительных элементов схемы, которые обеспечивают доступ к делителю только на долю секунды, необходимую для измерения. В результате достигается 50-процентное снижение потребляемой мощности в режиме ожидания по сравнению с лучшим экспериментальным маломощным понижающим преобразователем и десятикратное расширение диапазона допустимых токов.
«Это открывает захватывающие новые возможности для работы этих схем с использованием новых типов источников сбора энергии, таких как электроника, питаемая от тела», — говорит Чандракасан.
Данная работа финансировалась компаниями Shell и Texas Instruments, а прототип микросхемы был создан Тайваньской корпорацией по производству полупроводников в рамках ее программы создания университетских спутников.
Автор: Ларри Хардести, пресс-служба Массачусетского технологического института
