MIT新发现：小型太阳能传感器

2015-7-14 14:44| 发布者: 高华华| 查看: 1700| 评论: 0|来自: 研发埠

摘要: 最近在信息技术行业兴起的一个新的词语“物联网”─其基本思想车辆、电气、建筑结构、制造设备，甚至家禽等可以通过嵌入式传感器，将相关信息联网发送给服务器来完成协助维护和协调工作等任务。

       （译者：王培德）
       新型超低功耗电路提高能量吸收率超过80%
       最近在信息技术行业兴起的一个新的词语“物联网”─其基本思想车辆、电气、建筑结构、制造设备，甚至家禽等可以通过嵌入式传感器，将相关信息联网发送给服务器来完成协助维护和协调工作等任务。

       然而，要实现这个愿景，需要借助低功耗传感器，保证在电池不充电的情况下可以持续使用几个月─甚至更长时间，同时还要求传感器可以从外界环境中获取能源进行充电。
       上周，VLSI技术研讨会议上，MIT的科研人员展示了一种新型功率转换芯片，这种芯片对能量的吸收率高达80%以上，甚至用在极低功率微型太阳能电池，也有良好的效果。而此前使用相同方法的超低功率转换器的能量吸收率仅为40%~50%。
       此外，如果考虑附加因素，科研人员所展示的芯片还可以对能量吸收效率进行改进。此前的超低功率转换器要不是使用太阳能电池充电，要不就是使用直接充电设备充电，而这种新芯片既可以使用太阳能电池充电，同时还可以使用直接充电设备进行充电，可以通过电池直接为设备供能。
       新型芯片的所有操作都需要共用一个传感器─即芯片的主要电子元件─这样可以节省电路板空间，但却增加了电路的复杂性。不管怎样，这种芯片的功耗很低。
       相关论文的第一作者，MIT电子与计算机工程的本科生Dina Reda EI-Damak表示，“我们还想在电池容量和输出电压的调节方面做些研究，我们需要不断地调整芯片所能吸收的最大功率，通过把这些功能都做成与传感器共享的形式，然后观察哪一种运行方式是最佳的。要做到在不影响芯片整体性能的同时，在有限的输入功率条件下─10毫微瓦到1微瓦─将芯片应用到物联网上。”
       该团队所展示的芯片样品由台湾半导体制造商为大学的航天飞机项目所制造。
       电流上下波动
       整体电路的主要作用是调节太阳能电池与充电设备之间的电压。如果电池长时间在过高或过低的电压下工作，电池会因内部化学反应物的分解等原因而报废。
       为了更好地控制芯片内的电流，EI-Damak以及他的导师Anantha Chandrakasan，Joseph F.以及电气工程专业的Nancy P. Keitheley教授，借助线圈绕成的电感。当电流通过电感线圈时，线圈周围会产生磁场，减弱线圈内电流的变化。
       电感线圈在充电和放电时回路电流方向不同，由于电感的存在，回路中的电流不会立即变化，而是逐渐增加至充电电流或减小为零。由于回路中热能的耗散速率与电流的平方成正比，因此这种方式可以改善电路的效率。
       当电流逐步降为零后，还需要及时将回路开关切换，否则，电流就开始在回路中反向流动，会大大降低电路的效率。电流上升和下降的速率主要取决于太阳能电池所提供的电压，该电压是变化的，因此电流变化速率实际上比较复杂。因此，回路开关的通断时间也是变化的。
       电子计时
       EI-Damak和Chandrakasan使用电子储能元件电容来控制回路的通断时间。电流越大，电容储能速度越快。当电容储能完成后，电感回路就被切断了。
       电压的调节对芯片是十分重要的，当电压变化后会导致电流变化速率的改变。因此，电压通常是固定的，回路的接通时间取决于电容的容量。
       EI-Damak和Chandrakasan将它们的芯片上安装了不同规格、不同容量的电容。当电流下降时，芯片会根据太阳能电池所提供的电压大小选择合适的电容进行充电。当电容充满后，电感回路就切断了。
       芯片制造集成技术交流会上的发言人Brett Miwa说，“在该领域中，现在的大趋势是随着功率逐渐变低，效率也在不断地减低，因为用来做功的能量是一定的，如果输入的能量很小，你很难输出大量的能量，因为能量消耗率更大。EI-Damak的设计有效地降低了能量消耗率”
       他补充道，“最值得人们关注的事情应该是，这是一套相当完善的系统，这是一套完整的芯片的电源管理系统，这个设计方案相比于其他文献中的方案，略复杂，但更加全面。因此，她在一个更复杂的系统中实现这些高性能的芯片设计，这本身就十分引人注意。”
       译自：http://newsoffice.mit.edu/2015/solar-powered-sensors-0623
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