Однако для реализации этого видения потребуются датчики с чрезвычайно низким энергопотреблением, которые могут работать в течение нескольких месяцев без замены батареи — или, что еще лучше, которые могут извлекать энергию из окружающей среды для подзарядки.
На прошлой неделе на симпозиуме по технологиям и схемам СБИС исследователи Массачусетского технологического института представили новую микросхему преобразователя мощности, которая может собирать более 80 процентов энергии, поступающей в нее, даже при чрезвычайно низких уровнях мощности, характерных для крошечных солнечных элементов. Предыдущие экспериментальные преобразователи сверхмалой мощности имели КПД всего 40-50 процентов.
Более того, чип исследователей обеспечивает эти улучшения эффективности, принимая на себя дополнительные обязанности.
В то время как его предшественники могли использовать солнечные элементы либо для зарядки аккумулятора, либо для непосредственного питания устройства, этот новый чип может делать и то, и другое, и он может питать устройство напрямую от аккумулятора.
Все эти операции также используют один индуктор — основной электрический компонент микросхемы — что экономит место на печатной плате, но еще больше увеличивает сложность схемы. Тем не менее, энергопотребление чипа остается низким.
«Мы по-прежнему хотим иметь возможность зарядки аккумуляторов, и мы все еще хотим обеспечить регулируемое выходное напряжение», — говорит Дина Реда Эль-Дамак, аспирантка Массачусетского технологического института в области электротехники и информатики и первый автор новой статьи. «Нам нужно отрегулировать входной сигнал для извлечения максимальной мощности, и мы действительно хотим выполнять все эти задачи с использованием совместного использования индуктора и посмотреть, какой рабочий режим является лучшим. И мы хотим сделать это без ущерба для производительности при очень ограниченных уровнях входной мощности — от 10 нановатт до 1 микроватта — для Интернета вещей."
Взлеты и падения
Основная функция схемы — регулировать напряжение между солнечным элементом, аккумулятором и устройством, которое элемент питает.
Если аккумулятор работает слишком долго при слишком высоком или слишком низком напряжении, например, его химические реагенты разрушаются, и он теряет способность удерживать заряд.
Чтобы контролировать ток, протекающий через их чип, Эль-Дамак и ее советник Ананта Чандракасан, Джозеф Ф. и Нэнси П. Кейтли, профессор электротехники, используйте индуктор, представляющий собой проволоку, намотанную на катушку. Когда ток проходит через индуктор, он создает магнитное поле, которое, в свою очередь, сопротивляется любому изменению тока.
Переключатели на пути индуктивности заставляют его попеременно заряжаться и разряжаться, так что ток, протекающий через него, непрерывно нарастает, а затем снова падает до нуля. Ограничение тока повышает эффективность схемы, поскольку скорость, с которой она рассеивает энергию в виде тепла, пропорциональна квадрату тока.
Однако, как только ток упадет до нуля, переключатели на пути индуктивности необходимо немедленно включить; в противном случае ток может начать течь по цепи в неправильном направлении, что резко снизит ее эффективность.
Сложность заключается в том, что скорость нарастания и падения тока зависит от напряжения, генерируемого солнечным элементом, которое сильно варьируется. Так что время переключения переключателя тоже должно меняться.
Электрические песочные часы
Для управления синхронизацией переключателей Эль-Дамак и Чандракасан используют электрический компонент, называемый конденсатором, который может накапливать электрический заряд.
Чем выше ток, тем быстрее заполняется конденсатор. Когда он заполнен, цепь перестает заряжать индуктор.
Однако скорость, с которой падает ток, зависит от выходного напряжения, регулирование которого является самой целью микросхемы. Поскольку это напряжение фиксировано, изменение времени должно происходить из-за изменения емкости. Таким образом, Эль-Дамак и Чандракасан оснащают свой чип блоком конденсаторов разного размера.
Когда ток падает, он заряжает подмножество этих конденсаторов, выбор которых определяется напряжением солнечного элемента. И снова, когда конденсатор заполняется, переключатели на пути индуктивности переключаются.