用于唤醒小型无线设备的新芯片可以延长电池寿命

加州大学圣地亚哥分校的工程师们开发了一种新型节电芯片，这种芯片可以大大减少或消除物联网设备和可穿戴设备中更换电池的需求。所谓的唤醒接收器只在需要通信和执行其功能时唤醒设备。它允许设备在剩余时间保持休眠状态，并减少电力消耗。
 

这项技术对于那些并不总是需要传输数据的应用非常有用，比如可以让消费者即时订购即将用完的家居用品的物联网设备，或者每天读取几次数据的可穿戴健康监测器。

“现在的问题是，这些设备不知道什么时候与网络同步，所以它们会周期性地醒来做这件事，即使没有任何东西可以通信。”加州大学圣迭戈分校的电气和计算机工程教授帕特里克·梅西耶(Patrick Mercier)说。“通过增加一个唤醒接收器，我们可以将小型物联网设备的电池寿命从几个月提高到几年。”
 

由Mercier和加州大学圣地亚哥分校的电气和计算机工程教授Drew Hall和Gabriel Rebeiz领导的研究小组在《IEEE固态电路杂志》上发表了他们的论文，题为《22.3 nW, 4.55 cm2的温度唤醒接收器，在9 GHz时实现-69.5 dBm的灵敏度》。

唤醒接收器是一个超低功耗的芯片，它不断地寻找一个特定的无线电信号，称为唤醒信号，告诉它何时唤醒主设备。它只需要非常小的能量就能持续工作，在这种情况下是22.3纳瓦特，大约是LED夜间照明的50万分之一。

这种接收器设计的一个关键部分是，它的目标是比其他唤醒接收器更高频率的无线电信号。这些信号的频率为90千兆赫，属于卫星通信、空中交通管制和车辆速度检测领域。以更高的频率为目标，可以让研究人员把所有东西，包括天线、变压器和其他芯片外组件，压缩成一个小得多的封装——至少比之前的纳米级工作小20倍。
 

这种唤醒接收器还可以做其他纳米瓦特接收器做不到的事情:在大的温度范围内工作良好。这种接收器的性能在-10摄氏度至40摄氏度(14华氏度至104华氏度)之间是一致的。通常情况下，即使温度只改变几度，低功率唤醒接收器的性能也会下降。“对于室内使用，这不是什么大问题。但在户外使用时，它需要在一个较宽的温度窗口下工作。我们在这项工作中特别提到了这一点，”Mercier说。

加州大学圣地亚哥分校的研究小组开发了新的电路设计和系统级技术，使他们的接收器具备了所有这些特性，同时提高了灵敏度。多亏了Mercier和Hall实验室开发的最先进的超低功率电子器件，以及Rebeiz实验室开发的先进天线和无线电技术，这些才得以实现。

根据研究人员的说法，这种接收器的纳瓦特级功耗、小包装尺寸(4.55平方厘米的面积)、灵敏度(-69.5 dBm)和温度性能是迄今为止发表的最佳组合。

Mercier说:“这些数字在无线通信领域令人印象深刻——在一个小型、高度敏感的系统中，功耗如此之低，同时仍保持着温度的鲁棒性——这将使各种新的物联网应用成为可能。”

在延迟方面有一个小的折衷。从接收方检测到唤醒签名到唤醒设备之间有540毫秒的延迟。但是，研究人员注意到，对于预期的应用程序来说，这种程度的延迟并不是问题。

“例如，在向智能家居或可穿戴设备发送命令时，你不需要高吞吐量、高带宽的通信，因此，为获得10万倍的功率提升而等待半秒的代价是值得的，”Mercier说。

（编辑：源码网）

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