På årets Consumer Electronics Show i Las Vegas var det stora temat "Internet of Things" – idén om att mycket i den mänskliga miljön kan utrustas med sensorer och processorer för att utföra vissa uppgifter. MIT ska nu på en konferens i USA visa upp ett nykonstruerat sändarchip för IoT med extremt låg energiförbrukning.

För att uppfylla visionen för IoT krävs sändare som dels kan sända över data till enheter som befinner sig många meter bort och som är strömsnåla nog att klara sig på egen hand i flera månader med batterier eller genom att skörda energi från värme eller vibrationer. Forskare vid MIT har studerat en möjlighet att skapa sändare som är mycket snåla genom att lägga en negativ spänning på gaten.

– En viktig utmaning är att utforma dessa kretsar med extremt låg energiförbrukning i standby. De flesta av dessa kretsar befinner sig i vila och väntar på en viss händelse som ska utlösa ett meddelande, säger Anantha Chandrakasan, Professor i Electrical Engineering vid MIT. När den är på vill du att den ska vara så effektiv som möjligt och när den är avstängd vill du verkligen stänga av den.

MIT kommer denna vecka, på Institute of Electrical and Electronics Engineers 'International Solid-State Circuits Conference, att presentera en nykonstruerad sändare som minskar off-state-läckaget 100 gånger och samtidigt ger tillräcklig med kraft för en Bluetooth-överföring eller för 802.15.4 trådlöst kommunikation med längre räckvidd.

MIT-forskarna har lyckats minska läckaget genom att lägga en negativ spänning på gaten när sändaren befinner sig i vila, vilket gör halvledaren till en mycket bättre isolator. Naturligtvis fungerar den här strategin bara om den negativa spänningen ger en mindre energiförlust än chipet annars skulle förlora i läckage. I tester utförda på ett prototypchip, tillverkat genom TSMC:s forskningsprogram, fann MIT-forskarna att deras chip bara förbrukade 20 picowatt i vila och sparade 10 nanowatt i läckage.

Omkoppling från vila
För att generera den negativa spänningen använder MIT forskarna en krets känd som en laddningspump, som är ett litet nätverk av kondensatorer och omkopplare. När laddningspumpen är exponerad för den spänning som driver chippet laddas en av kondensatorerna upp. Därpå kopplas den positiva änden av kondensatorn till jord, vilket får en ström att flyta ut i andra änden. Denna process upprepas om och om igen. Det enda verkliga effektuttaget kommer från att kasta om switchen, vilket händer ungefär 15 gånger per sekund.

Chipet aktivt
För att göra sändaren effektivare när den är aktiv har forskarna även använt tekniker som länge har varit ett inslag i arbetet inom Chandrakasan forskningsgrupp. Vanligtvis är den frekvens vid vilken en sändare kan sända en funktion av dess spänning. Men MIT-forskarna delade upp problemet genom att generera en elektromagnetisk signal i diskreta steg där bara några av dem kräver högre spänningar. För dessa steg använder kretsen kondensatorer och induktorer och möjliggör på det sättet högfrekvent sändning.

Vad dessa effektivitetsvinster innebär för batterilivslängden beror förstås på hur ofta sändaren är i driftläge. Men om den kan komma undan med sändningar endast varje timme eller så, kan forskarnas krets minska effektförbrukningen med en faktor 100, enligt MIT.

– Ultralågt läckage är avgörande för framtida sensornoder som behöver sända under en mycket liten del av tiden, säger Baher Haroun, chef för Embedded Processing Systems Labs på Texas Instruments, som hjälpt till att finansiera MIT-forskarnas arbete. Att arbeta med Ananthas forskargrupp på kretsar för ultralåg effektförbrukning och deras systemidéer har alltid varit till nytta för TI. Vi lär av hans grupps nya metoder och fördjupar vår förståelse av de metoder för ultralåg effektförbrukning som gäller för flera funktioner – från digitala till radiofrekventa.

Filed under: Utländsk Teknik