Alexander Pil
15 September 2009

Ansem heeft een stap gezet op weg naar een autonome batterijloze zendontvanger. Het Leuvense IC-designhuis bouwde een prototype systeemchip die nu al gedeeltelijk autonoom kan werken en voorbereid is voor een voedingsloze toekomst. In een volgende fase zal de ANS1801 zijn energie volledig uit zijn omgeving halen via scavenging, voorspelt Ansem.

De ontwikkeling van de chip valt binnen het Pinballs-project, dat is opgezet om de basiskennis en -oplossingen voor de volgende generatie sensorknopen te ontwikkelen. De naam staat voor ’Pinless Batteryless Low-Power Sensor Networks‘. Het belangrijkste doel is om het vermogenverbruik met een tot twee grootteordes te reduceren ten opzichte van de huidige stand van de technologie. Pinballs kadert in het programma Strategisch Basisonderzoek van het Vlaamse IWT. Behalve Ansem zijn het Flanders‘ Mechatronics Technology Centre (FMTC), de onderzoeksgroep Micas van de KU Leuven en het Vlaams Instituut voor de Logistiek (VIL) de partners.

’De batterij van een systeem kost en weegt veel‘, zegt projectleider Patricia Van Reeth van Ansem. ’Er valt dus heel wat te winnen als die verdwijnt. In de praktijk is het echter allemaal niet zo eenvoudig. De overstap van batterijgevoede naar batterijloze systemen gebeurt niet in één keer. Een geleidelijke overgang is nodig, waarbij hybride vormen ontstaan die een batterij combineren met alternatieve voedingen.‘

De ANS1801 is zo‘n tussenvorm. Het is een intelligente zendontvanger die een eigen voeding kan genereren of rechtstreeks door een batterij kan worden gevoed. Verder is het mogelijk er een sensor aan te koppelen om metingen uit te voeren. Het signaal wordt op chip geconditioneerd en gaat dan draadloos naar het basisstation. Ansem liet de ANS1801 maken bij het Taiwanese TSMC in een CMos-proces op 0,25 µm.

Ansem_RFID
Ansem verzamelt de energie voor zijn systeemchip uit de alom aanwezige RF-signalen.

De Leuvense chip is gebaseerd op een bestaand Ansem-ontwerp: de ANS1601. Van Reeth: ’Dat was een zendchip met een eigen knoopbatterij. De ANS1601 was specifiek ontworpen voor ultralaagvermogentoepassingen. Er is slechts 10 nJ per bit nodig om een FSK-gemoduleerd signaal uit te zenden. Hiervan hebben we een zendontvanger gemaakt en er een 14 bit AD-converter aan toegevoegd die 48 µA verbruikt en een bemonsteringssnelheid haalt van 2,5 kS per seconde.‘

Ansem koos ervoor om de ANS1801 een antenne te geven zodat hij zich kan voeden met alom aanwezige RF-signalen. ’Een antenne die de RF-straling opvangt en 200 mV levert aan de ingang van het circuit is voldoende om 2 tot 3 volt te genereren. Genoeg voor de 1,3 V die de circuits nodig hebben‘, aldus Van Reeth. ’De ANS1801 heeft een intelligent wake-upmechanisme zodat hij 99 procent van de tijd niets doet en dus ook geen stroom verbruikt. Alleen als hij een trigger ontvangt, gaat hij aan de slag. Ongebruikte componenten zetten we af. Hiertoe hebben we een snelle opstartschakeling ontworpen voor de kristaloscillator. Zodoende kan dit duty cycling heel efficiënt gebeuren.‘

Het uiteindelijke resultaat laat zich lastig in een getal uitdrukken. Het verbruik is namelijk sterk afhankelijk van de zendkracht van de chip. En die is bij de ANS1801 programmeerbaar. ’Je kunt instellen hoe groot het bereik van het uitgezonden signaal moet zijn‘, legt Van Reeth uit. ’Hoe verder je wilt gaan, hoe meer vermogen dat kost. De ANS1801 kan een paar honderd meter halen, maar voor een gemiddelde afstand en een typische toepassing schat ik dat het verbruik van dezelfde ordegrootte is als bij de ANS1601.‘

Ansem_ANS1801
De ANS1801 is gemaakt bij TSMC in een CMos-proces op 0,25 µm.

De Pinballs-partners hebben als demoproject gekozen voor een toepassing die goederen kan lokaliseren. De ANS1801 moet daarom communiceren met een lokalisatietag. Die communicatie loopt via een Impulse Radio Ultrawideband-ontvanger die werd ontwikkeld aan de KU Leuven. Wim Dehaene en zijn collega‘s van Esat-afdeling Micas presenteerden het IC afgelopen februari op de ISSCC. ’De chips van Ansem zorgen voor de link tussen het basisstation en de hubs‘, beschrijft Dehaene de configuratie. ’Met een aantal hubs is het mogelijk nauwkeurig de locatie van een tag te bepalen. Het is een soort omgekeerd GPS: in plaats van een paar zenders en één ontvanger gebruiken we één zender – de tag – en vier ontvangers – de hubs. Ultrawideband biedt de mogelijkheid om heel precies de time of arrival van het signaal te bepalen. Die waarden rekent het basisstation om tot de exacte positie.‘

Hoewel pinless een belangrijk doel is van het Pinballs-project, kan het nog even kunnen duren voordat het echt mogelijk is om hoogkwalitatieve antennes en gold caps mee te integreren op de ANS1801. Het einde van het project is voorzien voor eind 2010. Aangezien het strategisch basisonderzoek betreft, zal de chip dan nog zeker niet in het stadium van massaproductie zijn en is er nog flink wat onderzoek nodig. Om de stap naar een commercieel product te zetten en de ANS1801 in een toepassing te gebruiken, is Ansem op zoek naar partners.