Zie Nieuws

Wereldrecord energiezuinige dataconversie voor Internet of Things

Het succes van Internet of Things, dat bestaat uit veel kleine en autonoom werkende sensoren, hangt in hoge mate af van het energieverbruik. De energie die nodig is om de fysieke signalen om te zetten in digitale data, kan nog flink omlaag. Daarbij ligt de nadruk vaak op de eigenlijke omzetting van analoog naar digitaal. Maar daaraan vooraf is er nóg een energie vretende stap die vaak wordt genegeerd. UT-onderzoeker Harijot Singh Bindra (groep Integrated Circuit Design) heeft béide stappen aangepakt, met als resultaat een drastisch lager energieverbruik. Het wereldrecord is daarmee terug in Twente.

Als we straks worden omgeven door vele sensoren die verbonden zijn met het internet, zou het vervangen van batterijen niet onze grootste zorg moeten zijn. Een van de aantrekkelijke opties is dat de sensor zijn eigen energie uit de omgeving haalt, uit bijvoorbeeld licht of beweging. In het project ‘Plantenna’ bijvoorbeeld, dat de gezondheid van planten monitort, zou de energie uit de plant genoeg moeten zijn om de sensor te voeden. Om IoT tot een succes te maken, moet het energieverbruik van elke onderdeel van een sensorknooppunt wel flink omlaag. Het omzetting van de fysieke signalen uit de omgeving naar digitale informatie, is nog steeds verantwoordelijk voor een belangrijk deel van het energieverbruik.

Tien jaar met een enkele knoopcel

Hiervoor verantwoordelijk is de analoog-naar-digitaal omzetter (AD-converter): daar is nog winst te halen, zoals Bindra laat zien. Maar er is méér. De eigenlijke sensor staat altijd ‘aan’, om de veranderingen in de omgeving meteen te kunnen meten. Het kost ook energie om dit signaal naar de AD-converter te sturen. Dit is de spreekwoordelijke ‘elephant in the room’ waar vaak overheen wordt gekeken. Bindra heeft gewerkt aan het energieverbruik van beiden, met als resultaat een energieverbruik dat twee tot drie keer lager ligt dan de huidige zuinigste schakeling. Het gaat om minder dan een picojoule (10-12 joule) per conversiestap. Dat betekent bijvoorbeeld dat een batterij van het ‘button cell’ type meer dan tien jaar mee kan. 

Verlies beperken

De AD-converter die hij heeft ontworpen, is van het type ‘successive approximation’. Dit type staat nu al bekend als de meest energiezuinige keus, maar Bindra laat zien dat er nog ruimte is voor verbetering. Het basisidee van dit type schakeling is dat het ingangssignaal wordt vergeleken met een referentie die verandert. Stap voor stap komt er dan een nauwkeurige digitale code uit. Het is vooral de vergelijking met het referentiesignaal, de zogenaamde comparator, die 50 tot 60 procent van de totale energie verbruikt. Elke stap in de vergelijking verbruikt een minimum hoeveelheid energie die tijdelijk wordt opgeslagen. Die energie gaat verloren aan het eind van de vergelijking en moet, voor de volgende stap, weer worden bijgevuld. Bindra gebruikt maar een deel van de energie, zodat het verlies ook kleiner is. De energie hangt af van het spanningsverschil na iedere vergelijking, en van de capaciteitswaarde: door allebei slim bij te stellen, kan het verbruik van de comparator met 2,5 tot 3 omlaag.

Belangrijk is ook dat, om de AD conversie mogelijk te maken, het signaal van de sensor daarvoor ‘klaargemaakt’ wordt. Bestaande sensoren zijn vaak gekoppeld aan een relatief grote condensator die wordt opgeladen met het hele spanningsbereik. Laat de waarde van het ingangssignaal bepalen welke condensator wordt ingeschakeld, is Bindra’s benadering. Het resultaat is dat ook de energie die nodig is om het sensorsignaal klaar te zetten voor de AD converter, met een factor twee tot drie omlaag kan.







Chip layout van de AD-converter, met uitgelicht de comparator

Samen met de buren

De draadloze communicatie (zenden en ontvangen) van elk sensorknooppunt is een grote energieverbruiker. De dataconversie is een belangrijk onderdeel van deze communicatie. Een andere strategie waaraan de Universiteit Twente werkt (onder meer in de groep Pervasive Systems), is het minimaliseren van de communicatie. Dat kan bijvoorbeeld door sensoren te laten samenwerken met hun buren.

Harijot Singh Bindra (1987, Chandigarh, India) is onlangs cum laude gepromoveerrd op het proefschrift ‘Low energy design techniques for data converters’. Zijn begeleiders waren prof.dr.ir. Bram Nauta en dr.ir. Anne-Johan Annema. Na zijn promotie is hij nu assistant-professor in de groep Integrated Circuit Design (Electrical Engineering).

ir. W.R. van der Veen (Wiebe)
Persvoorlichter (aanwezig ma-vr)