在今年拉斯维加斯的消费电子展上，主题是“物联网” – 人类环境中的所有东西，从厨房用具到工业设备，都可以配备可以交换数据的传感器和处理器，帮助维护和协调任务。
然而，要实现这一愿景，需要具有足够强大功能的发射机能够向几十码远的设备广播，但能够高效节能持续数月 – 或者甚至从热量或机械振动中获取能量。
“一个关键的挑战是设计具有极低待机功率的这些电路，因为大多数这些设备只是闲置，等待某些事件触发通信，”Anantha Chandrakasan解释说，Joseph F.和Nancy P. Keithley电气教授麻省理工学院的工程学 “当它开启时，你希望尽可能高效，当它关闭时，你想要真正切断关闭状态的功率，即泄漏功率。”
本周，在电气和电子工程师协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，可将断态泄漏减少100倍。同时，它为蓝牙传输或甚至更长距离的802.15.4无线通信协议提供足够的功率。
“诀窍在于我们借用了我们用来降低数字电路泄漏功率的技术，”Chandrakasan解释道。数字电路的基本元件是晶体管，其中两个电引线通过半导体材料(例如硅)连接。在其本土状态下，半导体并不是特别好的导体。但是在晶体管中，半导体具有位于其顶部的第二导线，其垂直于电引线延伸。通过这根导线发送正电荷 – 称为栅极 – 将电子吸向它。电子的浓度产生电流可以在引线之间穿过的桥。
虽然半导体不是天然非常好的导体，但它们也不是完美的绝缘体。即使没有对栅极施加电荷，一些电流仍会在晶体管上泄漏。它并不多，但随着时间的推移，它可以在大部分时间闲置的设备的电池寿命上产生很大的不同。
走向负面
Chandrakasan – 连同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–通过向门口施加负电荷来减少泄漏。发射器空闲。这使电子远离电引线，使半导体成为更好的绝缘体。
当然，该策略仅在产生负电荷消耗的能量少于电路否则将失去泄漏时起作用。在通过半导体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消耗20皮瓦的功率以节省10,000皮瓦的泄漏。
为了有效地产生负电荷，麻省理工学院的研究人员使用一种称为电荷泵的电路，这是一个小型电容网络 – 可以存储电荷的电子元件 – 和开关。当电荷泵暴露于驱动芯片的电压时，其中一个电容器会产生电荷。投掷其中一个开关将电容器的正端连接到地，导致电流从另一端流出。这个过程一遍又一遍地重复。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有效，研究人员采用了长期以来在Chandrakasan小组中工作的技术。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离散步骤，其中只有一部分需要更高的电压。对于这些步骤，电路使用电容器和电感器来局部增加电压。这样可以降低电路的整体电压，同时仍能实现高频传输。
这些效率对电池寿命的意义取决于变送器的运行频率。但如果它只能在每小时左右播出一次，那么研究人员的电路可以将功耗降低100倍。
