Le dernier buzz dans l’industrie des technologies de l’information concerne « l’Internet des objets» – l’idée que les véhicules, les appareils électroménagers, les structures du génie civil, le matériel de fabrication, et même le bétail auraient leurs propres capteurs embarqués qui communiquent des informations directement à des serveurs en réseau, aidant à l’entretien et la coordination des tâches. Mais pour cette vision, il faut toutefois des capteurs à de très basses puissances pour fonctionner pendant des mois sans changements de batterie – ou, mieux encore, des capteurs capables d’extraire l’énergie de leur environnement pour se recharger.
La semaine dernière, lors d’un symposium sur la technologie et les des Circuits VLSI, des chercheurs du MIT ont présenté une nouvelle puce de conversion d’énergie qui peut récolter plus de 80 % de l’énergie qui coule en elle, même à des niveaux de puissance extrêmement faibles, caractéristiques de petites cellules solaires. Les précédents convertisseurs à ultra-basse puissance qui ont utilisé la même approche avaient une efficacité de seulement 40 ou 50 %.
Le prototype des chercheuses du MIT pour une puce mesure 3 millimètres par 3 millimètres. Le détail agrandie montre le principal circuit de commande de la puce, y compris l’électronique de démarrage, le contrôleur qui détermine s’il s’agit de recharger une batterie, alimenter un appareil, ou les deux; et le tableau d’interrupteurs qui contrôlent le flux de courant vers une bobine d’inductance externe. Cette zone active mesure seulement 2,2 millimètres par 1.1 millimètre.
En outre, la puce de chercheurs atteint ces améliorations d’efficacité tout en assumant des responsabilités supplémentaires. Là où la plupart de ses prédécesseurs à ultra-basse puissance pouvaient utiliser une cellule solaire pour recharger une batterie ou directement alimenter un appareil, cette nouvelle puce peut faire les deux, et elle peut alimenter l’appareil directement à partir de la batterie.
Toutes ces opérations partagent également une seule inductance – principale composante électrique de la puce – ce qui économise de l’espace sur le circuit imprimé, mais augmente la complexité des circuits encore plus. Néanmoins, la consommation d’énergie de la puce reste faible.
« Nous voulons toujours avoir la capacité de recharger une batterie, et nous voulons toujours fournir une tension de sortie régulée», assure Dina Reda El-Damak, étudiante diplômée du MIT en génie électrique et informatique et le premier auteur de ce nouvel article. « Nous avons besoin de réguler l’entrée pour extraire le maximum de puissance, et nous voulons vraiment faire toutes ces tâches avec en partageant l’inducteur et voir quel mode de fonctionnement est le meilleur. Et nous voulons le faire sans compromettre la performance, à des niveaux de puissance d’entrée très limités , de 10 nanowatts à 1 microwatts, pour l’Internet des objets».
La puce prototype a été fabriquée par le biais du Taiwan Semiconductor Manufacturing Company’s University Shuttle Program
Des hauts et des bas
La fonction principale du circuit est de réguler les tensions entre la cellule solaire, la batterie, et le dispositif que la cellule doit alimenter. Si la batterie fonctionne trop longtemps à une tension qui est trop élevée ou trop faible, par exemple, ses réactifs chimiques se décomposent, et elle perd la capacité à retenir une charge.
Pour contrôler le flux de courant à travers leur puce, Dina Reda El-Damak et son conseiller, Anantha Chandrakasan, Joseph F. et Nancy P. Keithley professeur en génie électrique, utilisent un inducteur, qui est un fil enroulé en une bobine. Quand un courant passe à travers une bobine d’induction, il génère un champ magnétique, ce qui résiste à toute variation du courant.
Mettre en marche les commutateurs sur le chemin de l’inducteur amène à charger et décharger en alternance, de sorte que le courant circulant à travers lui augmente en permanence et puis redescend à zéro. Maîtriser le courant améliore l’efficacité du circuit, de lors que la vitesse à laquelle il dissipe l’énergie sous forme de chaleur est proportionnelle au carré du courant.
Une fois que le courant tombe à zéro, cependant, les commutateurs sur le chemin de la bobine d’inductance ont besoin d’être démarrés immédiatement; sinon, le courant pourrait commencer à circuler à travers le circuit dans la mauvaise direction, ce qui diminuera considérablement son efficacité. La complication est que la vitesse à laquelle le courant augmente et tombe dépend de la tension générée par la cellule solaire, qui est très variable. Ainsi, le temps de mettre en marche l’interrupteur doit varier aussi.
Un sablier électrique
Pour contrôler la synchronisation des commutateurs, Dina Reda El-Damak et Anantha Chandrakasan utilisent un composant électrique appelé un condensateur, qui peut stocker une charge électrique. Plus il y de courant, plus rapidement le condensateur se remplit. Quand il est plein, le circuit arrête de charger l’inducteur.
La vitesse à laquelle le courant diminue, cependant, dépend de la tension de sortie, dont la régulation est le but même de la puce. Dès que cette tension est fixe, la variation de la synchronisation doit venir de variation de la capacité. Les deux chercheuses ont équipé ainsi leur puce avec une série de condensateurs de différentes tailles. Dès que le courant chute, il charge un sous-ensemble de ces condensateurs, dont la sélection est déterminée par la tension de la cellule solaire. Une fois de plus, lorsque le condensateur se remplit, les commutateurs sur le chemin de l’inducteur sont retournés.
«Dans cet espace de la technologie, il y a généralement une tendance à une moindre efficacité à mesure que l’énergie devient plus faible, parce qu’il y a une quantité fixe d’énergie qui est consommée pour faire le travail», précise Brett Miwa, qui dirige un projet de développement de conversion de puissance chez le fabricant de puces Maxim Integrated. « Si vous arrivez seulement avec une petite quantité, il est difficile d’obtenir la plus grande partie, parce que vous perdez plus en pourcentage. La conception de Dina Reda El-Damak est exceptionnellement efficace en raison du faible niveau de puissance à laquelle elle est ».
«Une des choses qui est le plus notable à ce sujet est que c’est vraiment un système assez complet, » ajoute-t-il. « C’est vraiment une sorte de système sur une puce complet pour la gestion de l’alimentation. Et c’est ce qui le rend un peu plus compliqué, un peu plus grand, et un peu plus complet que certains des autres modèles qui pourraient être décrits dans la littérature. Donc pour elle, atteindre encore ces caractéristiques à haute performance dans un système beaucoup plus sophistiqué est également remarquable «
http://newsoffice.mit.edu/2015/solar-powered-sensors-0623
