Een nieuwe energiebesparende chip, ontwikkeld door ingenieurs van de Universiteit van Californië in San Diego, kan de noodzaak om batterijen in Internet of Things (IoT)-apparaten en wearables te vervangen aanzienlijk verminderen of elimineren. De zogenaamde wekontvanger wekt een apparaat alleen wanneer het moet communiceren en zijn functie moet uitvoeren. Hierdoor kan het apparaat de rest van de tijd inactief blijven en het stroomverbruik verminderen.

De technologie is handig voor toepassingen die niet altijd gegevens hoeven te verzenden, zoals IoT-apparaten waarmee consumenten direct huishoudelijke artikelen kunnen bestellen die bijna op zijn, of draagbare gezondheidsmonitoren die een paar keer per dag metingen uitvoeren.

"Het probleem is nu dat deze apparaten niet precies weten wanneer ze moeten synchroniseren met het netwerk, dus worden ze regelmatig wakker om dit te doen, zelfs als er niets is om te communiceren. Dit kost uiteindelijk veel stroom, zei Patrick Mercier, een professor in elektrische en computertechniek aan UC San Diego. "Door een wekontvanger toe te voegen, we zouden de levensduur van de batterij van kleine IoT-apparaten van maanden tot jaren kunnen verbeteren."

Het team, onder leiding van Mercier en UC San Diego, professoren elektrotechniek en computertechniek, Drew Hall en Gabriel Rebeiz, publiceerden hun werk met de titel, "Een 22,3 nW, 4,55 cm ² Temperatuurrobuuste ontwaakontvanger met een gevoeligheid van -69,5 dBm bij 9 GHz, " in de IEEE Journal of Solid-State Circuits .

De wake-up receiver is een ultra-low power chip die continu op zoek is naar een specifiek radiosignaal, een wake-up handtekening genoemd, dat vertelt het wanneer het hoofdapparaat moet worden geactiveerd. Het heeft slechts een zeer kleine hoeveelheid stroom nodig om aan te blijven en dit te doen - 22,3 nanowatt in dit geval, ongeveer een half miljoenste van het vermogen dat nodig is om een ​​LED-nachtlampje te laten branden.

Een belangrijk onderdeel van het ontwerp van deze ontvanger is dat hij gericht is op radiosignalen met een hogere frequentie dan andere wekkerontvangers. De signalen hebben een frequentie van 9 gigahertz, die zich op het gebied van satellietcommunicatie bevindt, luchtverkeersleiding en voertuigsnelheidsdetectie. Door een hogere frequentie te targeten, konden onderzoekers alles verkleinen, inclusief de antenne, transformator en andere off-chip componenten terug in een veel kleiner pakket - minstens 20 keer kleiner dan eerder werk op nanowatt-niveau.

Deze wake-up-ontvanger kan ook iets anders dat andere ontvangers met nanowatt-voeding niet kunnen:goed presteren over een breed temperatuurbereik. Voor deze ontvanger de prestaties zijn consistent van -10 C tot 40 C (14 F tot 104 F). Typisch, de prestaties van wekontvangers met laag vermogen nemen af ​​als de temperatuur ook maar een paar graden verandert. "Voor gebruik binnenshuis, dit is niet erg. Maar voor buitengebruik, het moet over een breed temperatuurvenster werken. Daar hebben we in dit werk specifiek op ingegaan, ' zei Mercier.

Het UC San Diego-team ontwikkelde nieuwe circuitontwerpen en technieken op systeemniveau om hun ontvanger uit te rusten met al deze functies en tegelijkertijd de gevoeligheid te vergroten. Deze werden mogelijk gemaakt dankzij geavanceerde elektronica met ultralaag vermogen, ontwikkeld door de laboratoria van Mercier en Hall, en geavanceerde antenne- en radiotechnologieën ontwikkeld door het Rebeiz-lab.

Volgens de onderzoekers is de combinatie van deze ontvanger van stroomverbruik op nanowattniveau, kleine verpakkingsgrootte (4,55 vierkante centimeter in oppervlakte), gevoeligheid (-69,5 dBm) en temperatuurprestaties is de beste die tot nu toe is gepubliceerd.

"Deze cijfers zijn behoorlijk indrukwekkend op het gebied van draadloze communicatie:zo laag stroomverbruik, met behoud van temperatuurrobuustheid, alles in een kleine zeer gevoelig systeem - dit zal allerlei nieuwe IoT-toepassingen mogelijk maken, ' zei Mercier.

Er is een kleine afweging in latentie. Er is een vertraging van 540 milliseconden tussen het moment waarop de ontvanger de weksignatuur detecteert en het moment waarop het apparaat wordt gewekt. Maar voor de beoogde toepassingen, onderzoekers merken op dat deze hoeveelheid vertraging geen probleem is.

"Je hebt geen hoge doorvoer nodig, communicatie met hoge bandbreedte bij het verzenden van opdrachten naar uw smart home of wearables, bijvoorbeeld, dus de afweging van slechts een halve seconde wachten om een ​​100 te krijgen, 000x verbetering in vermogen is het waard, ' zei Mercier.