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Ein Sensor könnte zum Beispiel dann und wann aufwachen, Messungen vornehmen und mit einer kleinen Berechnung feststellen, ob vorgegebene Werte über- oder unterschritten werden. Diese Funktionen benötigen nur wenig Strom, aber gelegentlich muss der Sensor einen Alarm an einen entfernten Empfänger funken. Das erfordert schon erheblich mehr Energie.
Entsprechende Leistungsumsetzer, die eine Eingangsspannung in eine stabile Ausgangsspannung umsetzen, sind leider nur in einem kleinen Strombereich effizient. Aber während der letzten «International Solid-State Circuits Conference» präsentierten Forscher der «Microsystems Technologies Laboratories» (MTL) des MIT einen neuen Leistungsumsetzer, der seine Effizienz in einem Strombereich von 500 pA bis 1 mA beibehält, eine 2 000 000-fache Erweiterung des Strombereichs.
«Typischerweise zeigen Umsetzer einen Ruhestrom, den sie auch dann verbrauchen, wenn sie keinen Strom an die Last übertragen», sagt der ehemalige MTL-Doktorand Arun Paidimarri, der jetzt bei IBM Research angestellt ist. «Beträgt der Ruhestrom zum Beispiel 1 µA und die Last zieht nur 1 nA, wird immer noch ein Strom von 1 µA verbraucht. Der MIT-Umsetzer kann seine Effizienz jedoch über einen weiten Strombereich beibehalten.»
Der von den Forschern entwickelte Umsetzer ist ein Abwärtsregler; das bedeutet, dass die Ausgangsspannung geringer als die Eingangsspannung ist. Der neue Regler akzeptiert Eingangsspannungen von 1,2 bis 3,3 V und setzt sie herunter auf Spannungen zwischen 0,7 und 0,9 V. In dem Bereich geringer Leistungen basiert die Arbeitsweise dieser Leistungsumsetzer nicht auf einem kontinuierlichen Energiefluss. Sie basiert vielmehr auf Energiepaketen.
Man hat im Leistungsumsetzer diese Wandler, eine Spule und einen Kondensator. Und man schaltet im Prinzip diese Wandler ein und aus. Die Steuerung für die Wandler hat noch einen Schaltkreis, der die Ausgangsspannung des Umsetzers misst. Unterschreitet die Ausgangsspannung einen bestimmten Wert – in diesem Fall 0,9 V – betätigt der Controller einen Wandler und gibt ein Energiepaket frei. Dann erfolgt eine weitere Messung und die eventuell notwendige Freigabe eines weiteren Pakets.
Wenn keine Schaltung Strom vom Umsetzer zieht, oder wenn der Strom nur zu einer einfachen lokalen Schaltung geht, wird der Umsetzer pro Sekunde etwa ein bis mehrere Hundert Energiepakete freigeben. Muss der Umsetzer aber einen Sender versorgen, können es Millionen Energiepakete sein. Um diesen Ausgangsbereichen gerecht zu werden, macht ein typischer Umformer – auch einer mit geringer Leistung – rund eine Million Spannungsmessungen pro Sekunde.
Auf dieser Basis gibt der Umsetzer etwa ein bis eine Million Pakete frei. Jede Messung verbraucht Energie, aber für die meisten vorhandenen Applikationen ist dieser Leistungsverbrauch vernachlässigbar. Für IoT-Anwendungen ist das aber nicht der Fall.
Aus diesem Grund verfügt der MIT-Wandler über einen variablen Takt, mit dem die Schaltersteuerung über einen weiten Ratenbereich laufen kann. Das erfordert aber komplexere Steuerschaltungen. So befindet sich zum Beispiel in der Monitorschaltung für die Ausgangsspannung des Umsetzers ein Element, genannt Spannungsteiler, der einen kleinen Strom vom Ausgang für die Messungen abzieht. In einem typischen Umsetzer ist der Spannungsteiler nur ein weiteres Element im Schaltungspfad; er ist in der Tat immer eingeschaltet.
Aber diese Strombelastung senkt die Effizienz des Umsetzers. Daher ist der Teiler im MIT-Chip von einem Block aus weiteren Schaltungselementen umgeben, die einen Zugriff zum Teiler nur für die Sekundenbruchteile einer notwendigen Messung zulassen. Das Ergebnis ist eine Senkung des Ruhestroms um 50 % gegenüber den besten bisher vorgestellten, experimentellen Abwärtsregler geringer Leistung, sowie eine 10-fache Erweiterung des Strombereichs.
«Diese Arbeit verschiebt die Grenzen der besten DC/DC-Wandler mit geringer Leistung dahin, wie tief man mit dem Ruhestrom gehen kann und welche Effizienz sich mit diesen geringen Strompegeln erreichen lässt», erklärt Yogesh Ramadass, Direktor der Kilby Labs von Texas Instruments.
Finanziell unterstützt wurde die Forschungsarbeit von Shell und Texas Instruments. Produziert wurde der Prototyp des Chips von der Taiwan Semiconductor Manufacturing Corporation durch deren University Shuttle Program.
Massachusetts Institute of Technology
Cambridge, MA 02139-4307, USA
www.mit.edu