当发射器闲置时,新电路可以减少功率泄漏

点击次数:17   更新时间:2018-05-16   【关闭

工程师已经开发出一种新的发射器设计,可将关闭状态泄漏减少100倍。同时,这种新技术为蓝牙传输或更远距离的802.15.4无线通信协议提供了足够的功率。 /

在今年的拉斯维加斯消费电子展上,最大的主题是“物联网” - 人类环境中的所有东西,从厨房电器到工业设备,都可以配备传感器和处理器,可以交换数据,帮助与维护和任务的协调。

但是,实现这一愿景需要足够强大的发射器来向几十码远的设备发射信号,但能量效率足以持续数月 - 甚至从热量或机械振动中收集能量。

“一个关键的挑战就是设计这些电路的待机功耗极低,因为大多数这些设备都只是闲置,等待某个事件触发通信,”Anantha Chandrakasan,Joseph F.和Nancy P. Keithley电气学教授解释说。工程在MIT。 “当它开启时,你希望尽可能高效,当它关闭时,你想真正切断关闭状态的电源和泄漏电源。”

本周,在电气和电子工程师学会的国际固态电路会议上,Chandrakasan的小组将展示一种新的发射器设计,可将关闭状态泄漏降低100倍。同时,它为蓝牙传输或更远距离的802.15.4无线通信协议提供足够的功率。

“诀窍是我们借用了用于减少数字电路泄漏功率的技术,”Chandrakasan解释说。数字电路的基本元件是晶体管,其中两个电导线通过诸如硅的半导体材料连接。在他们的家乡,半导体并不是特别好的导体。但是在晶体管中,半导体的第二根导线位于其上方,该导线垂直于电导线延伸。通过这条导线发出正电荷 - 被称为门 - 将电子吸引向它。电子的浓度产生了电流可以在导线之间交叉的桥。

但是,尽管半导体本身并不是很好的导体,但它们也不是完美的绝缘体。即使没有电荷施加到栅极,一些电流仍然泄漏到晶体管。这并不多,但随着时间的推移,它可以使大部分时间都处于空闲状态的设备的电池寿命发生很大变化。

消极

Chandrakasan - 与麻省理工学院电气工程和计算机科学研究生Arun Paidimarri和论文的第一作者以及Chandrakasan实验室的研究科学家Nathan Ickes - 通过在发射器上施加负电荷来减少泄漏闲。这会将电子从电引线驱走,使半导体成为更好的绝缘体。

当然,这种策略只有在产生负电荷消耗的能量少于电路失去泄漏能力时才起作用。在通过台湾积体电路制造公司的研究计划制造的原型芯片上进行的测试中,麻省理工学院的研究人员发现,他们的电路仅耗费20皮瓦的功率,以节省10,000密耳的功耗。

为了有效地产生负电荷,麻省理工学院的研究人员使用称为电荷泵的电路,该电路是一个小型电容器网络 - 可存储电荷的电子元件 - 以及开关。当电荷泵暴露于驱动芯片的电压时,电荷积聚在其中一个电容器中。投掷其中一个开关将电容器的正极端连接到地,导致电流从另一端流出。这个过程反复重复。唯一真正的功耗来自投掷开关,每秒发生约15次。

打开

为了使发射器在激活时更加高效,研究人员采用了长期以来一直在Chandrakasan小组工作的特点的技术。通常,发射机可以广播的频率是其电压的函数。但麻省理工学院的研究人员将产生电磁信号的问题分解为不连续的步骤,只有其中一些需要更高的电压。对于这些步骤,电路使用电容和电感来局部增加电压。这样可以保持电路的整体电压,同时仍然可以实现高频传输。

这些效率对电池寿命的影响取决于变送器运行的频率。但是如果它每小时只能播出一次,研究人员的电路就可以将功耗降低100倍。

德州仪器(TI)嵌入式处理系统实验室主任Baher Haroun表示:“超低泄漏能量对于未来传感器节点至关重要,因为它需要发射器只占很小的一段时间,这帮助了麻省理工学院研究人员'工作。 “与Anantha的研究团队合作开发超低功耗电路和系统思想对TI一直有利。我们从他的团队的新颖方法中学习,并深入理解适用于多种功能的超低功耗方法,从数字到无线电频率。“

这项研究也得到了壳牌的资助。

资料来源:麻省理工学院新闻节目Larry Hardesty

图片:Jose-Luis Olivares /麻省理工学院