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Investigadores diseñan un convertidor de potencia eficiente para Internet de las Cosas

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El "Internet de las cosas" es la idea de que los vehículos, electrodomésticos, estructuras civiles, equipos de fabricación e incluso ganado pronto tendrán sensores que informen directamente a los servidores en red, ayudando con el mantenimiento y la coordinación de tareas.
Esos sensores tendrán que funcionar a potencias muy bajas, con el fin de prolongar la duración de la batería durante meses o funcionar con la energía recolectada del medio ambiente. Pero eso significa que tendrán que dibujar una amplia gama de corrientes eléctricas. Por ejemplo, un sensor puede despertar cada cierto tiempo, tomar una medida y realizar un pequeño cálculo para ver si esa medición cruza algún umbral. Esas operaciones requieren relativamente poca corriente, pero ocasionalmente, el sensor podría necesitar transmitir una alerta a un receptor de radio lejano. Eso requiere corrientes mucho más grandes.
En general, los convertidores de potencia, que toman una tensión de entrada y la convierten en una tensión de salida constante, son eficientes sólo dentro de un estrecho rango de corrientes. Pero en la "International Solid-State Circuits Conference" de hace unos días, investigadores del laboratorio de tecnología de microsistemas en el MIT presentaron un nuevo convertidor de potencai que mantiene su eficiencia en corrientes que oscilan entre 500 picoamps y 1 milliamp, un lapso que abarca un aumento de 200.000 veces en los niveles de corriente.
"Por lo general, los convertidores tienen una potencia quiescente, que es la energía que consumen, incluso cuando no están proporcionando ninguna corriente a la carga", dice Arun Paidimarri, postdoctor en el MTL cuando el trabajo estaba hecho y ahora está en IBM Research. "Así que, por ejemplo, si la potencia quiescente es un microamp, entonces incluso si la carga sólo saca un nanoamp, todavía va a consumir un microamp de corriente. Mi convertidor es algo que puede mantener la eficiencia en una amplia gama de corrientes ".
Paidimarri, que también obtuvo títulos de doctorado y master del MIT, es el primer autor del documento de la conferencia. A él se le unen su asesor de tesis, Anantha Chandrakasan, el Profesor Vannevar Bush de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación en el MIT.

Perspectiva de paquete
El convertidor de los investigadores es un convertidor reductor, lo que significa que su voltaje de salida es menor que su voltaje de entrada. En particular, toma voltajes de entrada que van desde 1.2 a 3.3 voltios y los reduce a entre 0.7 y 0.9 voltios.
"En el régimen de baja potencia, la forma en que funcionan estos convertidores de potencia, no se basa en un flujo continuo de energía", dice Paidimarri. "Se basa en estos paquetes de energía. Usted tiene unos conmutadores y un inductor, y un condensador en el convertidor de potencia, y básicamente enciende y apaga estos interruptores. "
El circuito de control para los conmutadores incluye un circuito que mide la tensión de salida del convertidor. Si la tensión de salida está por debajo de un cierto umbral, en este caso, 0.9 voltios, los controladores activan un conmutador y liberan un paquete de energía. Luego realizan otra medición y, si es necesario, liberan otro paquete.
Si ningún dispositivo está recibiendo corriente desde el convertidor, o si la corriente va sólo a un circuito local simple, los controladores podrían liberar entre 1 y un par de cientos de paquetes por segundo. Pero si el convertidor está alimentando la energía de una radio, podría necesitar liberar un millón de paquetes por segundo.
Para acomodar esa gama de salidas, un convertidor típico, incluso uno de baja potencia, realizará simplemente un millón de mediciones de voltaje por segundo; Sobre esa base, lanzará entre 1 y 1 millón de paquetes. Cada medición consume energía, pero para la mayoría de las aplicaciones existentes, el consumo de energía es insignificante. Para el Internet de las Cosas, sin embargo, es intolerable.

Cuenta atrás
El convertidor de Paidimarri y de Chandrakasan, por lo tanto, cuenta con un reloj variable, que puede ejecutar los controladores del conmutador en una amplia gama de tasas. Sin embargo, esto requiere circuitos de control más complejos. El circuito que supervisa el voltaje de salida del convertidor, por ejemplo, contiene un elemento denominado divisor de voltaje, que libera (como un sifón) una pequeña corriente de salida para la medición. En un convertidor típico, el divisor de tensión es simplemente otro elemento en la trayectoria del circuito; en efecto, está siempre encendido.
Pero la corriente de sifón disminuye la eficiencia del convertidor, por lo que en el chip de los investigadores del MIT, el divisor está rodeado por un bloque de elementos de circuito adicionales que dan acceso al divisor sólo por la fracción de segundo que requiere una medición. El resultado es una reducción del 50 por ciento de la potencia quiescente, sobre el mejor convertidor-reductor experimental de bajo consumo, y una expansión de diez veces más del rango de manejo de corriente.
"Esto abre nuevas y excitantes oportunidades para operar estos circuitos a partir de nuevos tipos de fuentes de recolección de energía, como la electrónica impulsada por el cuerpo (body-powered electronics)", afirma Chandrakasan.

Este trabajo ha sido financiado por Shell y Texas Instruments, y el prototipo de chips fue construido por la Taiwan Semiconductor Manufacturing Corporation, a través de su programa satelite universitario.

Autor: Larry Hardesty, Oficina de Noticias del MIT

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