Power Baru Converter untuk Internet of Things Mengurangi Beristirahat Konsumsi Daya dengan 50 Persen

Insinyur dari MIT Microsystems Teknologi Laboratorium telah merancang converter kekuatan baru yang mempertahankan efisiensi pada arus mulai dari 100 picoamps ke 1 milliamp, rentang yang mencakup peningkatan millionfold di level saat ini.

The "internet hal" adalah gagasan bahwa kendaraan, peralatan, struktur sipil, peralatan manufaktur, dan bahkan ternak akan segera memiliki sensor yang melaporkan informasi langsung ke server jaringan, membantu dengan pemeliharaan dan koordinasi tugas.

Mereka sensor harus beroperasi pada kekuatan yang sangat rendah, untuk memperpanjang hidup baterai selama berbulan-bulan atau membuat hubungannya dengan energi dipanen dari lingkungan. Tapi itu berarti bahwa mereka harus menggambar berbagai arus listrik. Sebuah sensor mungkin, misalnya, bangun setiap begitu sering, mengambil pengukuran, dan melakukan perhitungan kecil untuk melihat apakah pengukuran yang melintasi ambang batas tertentu. operasi tersebut mengharuskan relatif sedikit saat ini, tapi kadang-kadang, sensor mungkin perlu untuk mengirimkan peringatan ke penerima radio jauh. Yang membutuhkan arus yang jauh lebih besar.

Umumnya, konverter daya, yang mengambil tegangan input dan mengubahnya menjadi tegangan output stabil, efisien hanya dalam kisaran sempit arus. Tetapi pada International Solid-State Circuits Conference pekan lalu, peneliti dari MIT Microsystems Teknologi Laboratories (MTL) disajikan converter kekuatan baru yang mempertahankan efisiensi pada arus mulai dari 500 picoamps ke 1 milliamp, rentang yang meliputi peningkatan 200.000 kali lipat level saat ini.

"Biasanya, konverter memiliki kekuatan diam, yang merupakan kekuatan yang mereka konsumsi bahkan ketika mereka tidak memberikan setiap arus ke beban," kata Arun Paidimarri, yang Postdoc di MTL ketika pekerjaan dilakukan dan sekarang di IBM Penelitian. "Jadi, misalnya, jika kekuatan diam adalah microamp, kemudian bahkan jika beban menarik hanya nanoamp, itu masih akan mengkonsumsi microamp saat ini. converter saya adalah sesuatu yang dapat mempertahankan efisiensi melalui berbagai arus. "

Paidimarri, yang juga meraih gelar doktor dan master dari MIT, adalah penulis pertama pada kertas konferensi. Dia bergabung dengan penasihat tesisnya, Anantha Chandrakasan, Profesor Vannevar Bush Teknik Elektro dan Ilmu Komputer di MIT.

perspektif paket

converter para peneliti adalah konverter langkah-down, yang berarti bahwa tegangan output lebih rendah dari tegangan input. Secara khusus, dibutuhkan tegangan masukan berkisar antara 1,2 sampai 3,3 volt dan mengurangi mereka untuk antara 0,7 dan 0,9 volt.

"Dalam rezim daya rendah, cara konverter daya ini bekerja, itu tidak didasarkan pada aliran kontinu energi," kata Paidimarri. "Ini didasarkan pada paket energi ini. Anda memiliki switch ini, dan sebuah induktor, dan kapasitor dalam konverter daya, dan Anda pada dasarnya menghidupkan dan mematikan switch ini. "

Sirkuit kontrol untuk switch termasuk sirkuit yang mengukur tegangan output dari konverter. Jika tegangan output di bawah ambang batas tertentu - dalam hal ini, 0,9 volt - kontroler melemparkan saklar dan merilis paket energi. Kemudian mereka melakukan pengukuran lain dan, jika perlu, lepaskan paket lain.

Jika tidak ada perangkat yang menggambar arus dari konverter, atau jika arus akan hanya untuk sederhana, sirkuit lokal, pengendali akan merilis antara 1 dan beberapa ratus paket per detik. Tetapi jika konverter makan daya untuk radio, mungkin perlu merilis juta paket kedua.

Untuk mengakomodasi berbagai output, konverter khas - bahkan rendah daya satu - hanya akan melakukan 1 juta tegangan pengukuran kedua; atas dasar itu, ia akan merilis mana saja 1-1 juta paket. Setiap pengukuran mengkonsumsi energi, tetapi untuk sebagian besar aplikasi yang ada, saluran listrik diabaikan. Untuk internet hal, bagaimanapun, itu tak tertahankan.

clocking bawah

Paidimarri dan Chandrakasan ini converter sehingga memiliki jam variabel, yang dapat menjalankan controller switch di berbagai tingkat. Itu, bagaimanapun, membutuhkan lebih banyak sirkuit kontrol yang kompleks. Rangkaian yang memonitor tegangan output converter, misalnya, mengandung unsur yang disebut pembagi tegangan, yang sifon dari arus kecil dari output untuk pengukuran. Dalam converter khas, pembagi tegangan hanya unsur lain di jalur sirkuit; itu, pada dasarnya, selalu.

Tapi menyedot saat menurunkan efisiensi converter, sehingga dalam chip peneliti MIT ', pembagi dikelilingi oleh blok elemen sirkuit tambahan, yang memberikan akses ke pembagi hanya untuk sepersekian detik bahwa pengukuran membutuhkan. Hasilnya adalah penurunan 50 persen dalam kekuasaan diam atas bahkan yang terbaik dilaporkan sebelumnya eksperimental daya rendah, langkah-down converter dan ekspansi sepuluh kali lipat dari kisaran saat penanganan.

"Ini membuka peluang baru yang menarik untuk mengoperasikan sirkuit ini dari jenis baru dari sumber energi-panen, seperti elektronik tubuh bertenaga," kata Chandrakasan.

"Karya ini mendorong batas-batas dari keadaan seni di daya rendah DC-DC konverter, bagaimana rendah Anda dapat pergi dalam hal arus diam, dan efisiensi yang dapat Anda mencapai pada tingkat ini saat ini rendah," kata Yogesh Ramadass , direktur penelitian manajemen daya di Texas Instruments 'Kilby Labs. "Anda tidak ingin converter Anda untuk membakar lebih dari apa yang disampaikan, jadi penting untuk converter untuk memiliki kekuasaan negara diam sangat rendah."

pekerjaan ini didanai oleh Shell dan Texas Instruments, dan chip prototipe dibangun oleh Taiwan Semiconductor Manufacturing Corporation, melalui Shuttle Program University.

Referensi: A. Paidimarri, A. P. Chandrakasan, "A Buck Converter dengan 240pW Diam Power, 92% Puncak Efisiensi dan 2E6 Dynamic Range," IEEE International Sirkuit Solid State Conference (ISSCC) 2017 Februari

Sumber: Larry Hardesty, MIT Berita