Ny chip til at vække små trådløse enheder kan forlænge batteriets levetid

En ny strømbesparende chip udviklet af ingeniører ved University of California San Diego kan reducere eller eliminere behovet for at udskifte batterier i Internet of Things (IoT)-enheder og wearables markant. Den såkaldte wake-up-modtager vækker kun en enhed, når den skal kommunikere og udføre sin funktion. Det gør det muligt for enheden at forblive i dvale resten af ​​tiden og reducere strømforbruget.

Teknologien er nyttig til applikationer, der ikke altid behøver at transmittere data, som IoT-enheder, der lader forbrugere med det samme bestille husholdningsartikler, de er ved at løbe tør for, eller bærbare sundhedsmonitorer, der måler en håndfuld gange om dagen.

"Problemet er nu, at disse enheder ikke ved præcis, hvornår de skal synkronisere med netværket, så de vågner med jævne mellemrum for at gøre dette, selv når der ikke er noget at kommunikere. Det ender med at koste meget strøm, "sagde Patrick Mercier, professor i el- og computerteknik ved UC San Diego. "Ved at tilføje en vågner, vi kunne forbedre batterilevetiden for små IoT-enheder fra måneder til år."

Holdet, ledet af Mercier og UC San Diego elektriske og computeringeniørprofessorer Drew Hall og Gabriel Rebeiz, udgivet deres arbejde med titlen, "A 22,3 nW, 4,55 cm ² Temperatur-Robust Wake-up Receiver, der opnår en følsomhed på -69,5 dBm ved 9 GHz, "i IEEE Journal of Solid State Circuits .

Wake-up-modtageren er en ultra-laveffekt-chip, der hele tiden kigger efter et specifikt radiosignal, kaldet en wake-up signatur, der fortæller den, hvornår den skal vække hovedenheden. Det behøver kun en meget lille mængde strøm for at blive ved og gøre dette - 22,3 nanowatt i dette tilfælde, cirka en halv milliondel den effekt, det tager at køre et LED -natlys.

En vigtig del af denne receivers design er, at den retter sig mod radiosignaler med højere frekvens end andre wake-up-modtagere. Signalerne er i frekvensen 9 gigahertz, som er inden for satellitkommunikation, flyvekontrol og registrering af køretøjers hastighed. Målretning mod en højere frekvens gjorde det muligt for forskere at skrumpe alt, inklusive antennen, transformer og andre off-chip komponenter ned i en meget mindre pakke - mindst 20 gange mindre end tidligere arbejde på nanowatt-niveau.

Denne opvågningsmodtager kan også noget andet, som andre nanowatt-drevne modtagere ikke kan:præstere godt over et bredt temperaturområde. For denne modtager, ydeevnen er konsistent fra -10 C op til 40 C (14 F til 104 F). Typisk, ydeevnen i laveffekts wake-up-modtagere falder, hvis temperaturen ændrer sig med blot et par grader. "Til indendørs brug, dette er ikke en big deal. Men til udendørs brug, det skal fungere over et stort temperaturvindue. Vi adresserede specifikt, at i dette arbejde, " sagde Mercier.

UC San Diego-teamet udviklede nye kredsløbsdesign og teknikker på systemniveau for at udstyre deres modtager med alle disse funktioner, mens de øgede følsomheden. Disse blev gjort mulige takket være banebrydende ultra-laveffektelektronik udviklet af Mercier og Hall laboratorier, og avancerede antenne- og radioteknologier udviklet af Rebeiz -laboratoriet.

Ifølge forskerne, denne receivers kombination af strømforbrug på nanowatt-niveau, lille pakkestørrelse (4,55 kvadratcentimeter i areal), følsomhed (-69,5 dBm) og temperaturydelse er den bedste, der er blevet offentliggjort til dato.

"Disse tal er ret imponerende inden for trådløs kommunikation - strømforbrug så lavt, mens den stadig bevarer temperaturens robusthed, alt i en lille, meget følsomt system - dette vil muliggøre alle mulige nye IoT-applikationer, " sagde Mercier.

Der er en lille afvejning i latens. Der er en forsinkelse på 540 millisekunder mellem, hvornår modtageren registrerer opvågningssignaturen, og når den vækker enheden. Men til de påtænkte applikationer, forskere bemærker, at denne mængde forsinkelse ikke er et problem.

"Du har ikke brug for høj gennemstrømning, kommunikation med høj båndbredde, når du sender kommandoer til dit smarte hjem eller wearables, for eksempel, så afvejningen med at vente et halvt sekund på at få 100, 000x forbedring i kraft er det værd, " sagde Mercier.