[論文レビュー] Energy-Efficient Low-Power Circuits for Wireless Energy and Data Transfer in IoT Sensor Nodes.

Gustavo C. Martins, Alfonso Urso+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2017

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 16被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、RFエネルギー効率化、低消費電力送信機、最適化された受信機を統合した共同設計によるエネルギー効率の高い無線センサーノードシステムを提示する。アンテナ-電子回路の共同設計、ピーク効率82%のチャージポンプ整流回路、0.28 mWのSub-GHz UWB送信機を組み合わせることで、1 µWから1 mWまでの入力電力レベルにおいて高いエネルギー効率を実現する。

ABSTRACT

In this paper, we present techniques and examples to reduce power consumption and increase energy efficiency of autonomous Wireless Sensor Nodes (WSNs) for the Internet of Things. We focus on the RF Energy Harvester (RFEH), the data receiver and the transmitter, all of which have a large impact on the device cost, lifetime and functionality. Co-design of the antenna and the electronics is explored to boost the power conversion efficiency of the RF-DC converter. As a proof of principle, a charge pump rectifier is designed, and its measurement results are presented. To boost the rectifier output voltage, a DC-DC converter that employs maximum power point tracking has been designed. A prototype circuit is also presented that can accommodate an input power level range of 1 {\mu}W to 1 mW and offers peak efficiencies of 76.3% and 82% at 1 {\mu}W and 1 mW, respectively. The co-design principle is also used at the receiver side where the antenna-electronics interface is optimized. It is shown how this technique allows improving the noise figure of the Low Noise Amplifier (LNA) without sacrificing power consumption. As a low power alternative to narrow-band wireless transmission, sub-GHz ultra-wideband is proposed. As a proof of principle, the design of a novel low-power sub-GHz Ultra-Wide-Bandwidth (UWB) transmitter which consumes only 0.28 mW is presented. Its working principle is verified by means of circuit simulations and measurements. The low power nature of the transmitter and receiver principles, combined with the power efficient RF-DC converter paves the way towards the continuous operation of a WSN.

研究の動機と目的

• 非効率な電力回収および通信回路による自律的IoT無線センサーノードの寿命の短さと高コストの課題に対処する。
• 機能性やデータ信頼性を損なわずに、RFエネルギー回収器、送信機、受信機といった主要部品の消費電力を低減する。
• 1 µWから1 mWまでの広い入力電力ダイナミックレンジ（1 µW～1 mW）においてエネルギー効率を最大化することで、無線センサーノードの連続稼働を可能にする。
• アンテナと電子回路のインターフェースを最適化し、エネルギー回収および受信の両方におけるノイズ指数と電力変換効率を向上させる。

提案手法

• RFエネルギー回収器におけるRF-DC電力変換効率を向上させるために、アンテナ-電子回路の共同設計を実装する。
• 最大出力電力追跡（MPPT）を備えたチャージポンプ整流回路を設計し、変動する入力電力レベルに応じて出力電圧を向上させ、効率を向上させる。
• 1 µWから1 mWまでの入力電力範囲で安定した出力電圧を維持できるMPPT機能を備えたDC-DCコンバータを統合する。
• アンテナと低雑音増幅器（LNA）の共同設計により、低消費電力を維持したままLNAのノイズ指数を最適化する。
• 回路レベルの最適化を用いて低消費電力動作を実現した、わずか0.28 mWのSub-GHz超広帯域（UWB）送信機を新規開発する。
• 回路シミュレーションおよびプロトタイプ部品（整流回路およびUWB送信機）の測定結果を通じて、システムの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アンテナ-電子回路の共同設計は、IoTセンサーノードにおけるRFエネルギー回収のエネルギー効率をどのように向上させ得るか？
• RQ2 1 µWから1 mWまでの広い入力電力範囲において、チャージポンプ整流回路が達成可能な効率はどの程度か？
• RQ3 MPPT機能を備えたDC-DCコンバータは、低消費電力RF回収において、電力損失を最小限に抑えつつ高い出力電圧安定性を維持できるか？
• RQ4 受信機フロントエンドの共同設計によって、消費電力の増加を伴わずにノイズ指数をどの程度低減できるか？
• RQ5 エネルギー制限のあるセンサーノードにおいて、Sub-GHz UWBを用いて信頼性の高い低消費電力データ送信を実現するのは可能か？

主な発見

• チャージポンプ整流回路は、1 µW入力時で76.3%、1 mW入力時で82%のピーク効率を達成し、低電力条件下でも優れた性能を示した。
• MPPT機能を備えた統合型DC-DCコンバータにより、1 µWから1 mWまでの入力電力範囲で安定した出力電圧が得られ、エネルギー制限環境下での信頼性の高い動作を可能にした。
• アンテナとLNAの共同設計により、消費電力の増加を伴わずにノイズ指数が向上し、受信感度が向上した。
• シミュレーションおよび測定により、提案されたSub-GHz UWB送信機はわずか0.28 mWの消費電力で動作することを確認し、低消費電力無線データ送信を実現した。
• 高効率RF-DC変換、低消費電力送信、最適化された受信機設計の組み合わせにより、自律的無線センサーノードの連続稼働が可能になった。