Door een nieuwe techniek ontwikkeld aan de KU Leuven kunnen de spanningsomzetters tussen de batterij en de processor van een smartphone of ander mobiel toestel tot driemaal efficiënter werken. Dit leidt tot een belangrijke energiebesparing. De techniek is gerealiseerd in een standaard cmos-proces zodat een snelle commercialisatie mogelijk is.
De smartphone heeft steeds meer functies gekregen. Mobiele datacommunicatie over supersnelle 4g-netwerken, een scherm met full-hd- of zelfs nog hogere resolutie, een sensor om je vingerafdruk te controleren: het zijn maar enkele voorbeelden. Deze evolutie is zeker nog niet op haar einde. Denk maar aan de vele toepassingen van kunstmatige intelligentie, zoals gezichtsherkenning.
Om dergelijke functies te laten draaien op de smartphone zijn nog krachtigere processoren en nog meer geheugen nodig. Die evolutie heeft ook gevolgen voor de energievoorziening. Gelukkig worden de batterijen steeds beter. Dankzij een hogere energiedichtheid kan Apple nu een 10,35 wattuur batterij in de Iphone X steken, waar dit bij de Iphone 4 slechts 5,3 wattuur was. Toch blijft het zaak om deze energie efficiënt aan de elektronica in de smartphone te leveren.
Even wat cijfertjes. Momenteel zijn er wereldwijd ongeveer tweeënhalf miljard smartphones in gebruik. Ze hebben een batterij met een gemiddelde capaciteit van 5 wattuur, die eenmaal per dag wordt opgeladen. Dit betekent een gemiddeld laadvermogen van 0,2 watt per smartphone, of 500 megawatt in totaal. Reken je er nog de tablets bij, met een batterijcapaciteit van 20 wattuur en een volume van 1,25 miljard toestellen, dan kom je al snel op een totaal vermogen van 1,5 gigawatt.
Dit is het vermogen dat effectief in de batterij terechtkomt, maar slechts 80 procent van het vermogen dat we uit het stopcontact halen. De overige 20 procent wordt opgebrand in de adapter, zo’n 375 megawatt in totaal. Volgens een Qualcomm-analyse gaat er nog meer energie verloren in de conversie van de batterij naar de belasting, namelijk 30 procent. Dat betekent dat al onze tablets en smartphones samen continu 450 megawatt nutteloos verstoken, enkel en alleen om de energie uit de batterij op de juiste plaats bij de elektronica te krijgen. Dat komt overeen met het elektriciteitsverbruik van meer dan één miljoen gezinnen.
Het is deze inefficiëntie die wetenschappers van de onderzoeksgroep Micas van de KU Leuven hebben aangepakt door belangrijke verbeteringen in het proces van de energieconversie te realiseren.
Integratie
Geïntegreerde elektronische systemen hebben in het verleden al vaak bewezen dat ze een antwoord kunnen bieden op uitdagingen rond vermogensverbruik. Denk maar aan alle iot-toepassingen, waarin chips geminiaturiseerde, uiterst vermogensefficiënte systemen mogelijk maken. Ook voor de voeding van de smartphone-elektronica werkt integratie van systeemcomponenten energiebesparend: Micas-onderzoekers toonden aan dat deze strategie veel vermogensverlies voorkomt.
Momenteel bestaat de vermogensmodule tussen de batterij en de processor (of andere chip die gevoed moet worden) uit een speciale chip en een groot aantal discrete componenten. Er wordt volop gewerkt aan oplossingen om de discrete componenten te integreren op de vermogenschip. Dit verlaagt de kosten en verhoogt de betrouwbaarheid, maar niet de efficiëntie. Een volledige integratie van het vermogensmanagement op de processorchip moet het uiteindelijke doel zijn. Dit leidt immers tot een zeer sterke kostenbesparing, maar ook tot een sterke verhoging van de vermogensefficiëntie.
Een belangrijk deel van het vermogensmanagement is de omzetting van de spanning tussen de batterij en de belasting. Net zoals in een transformator in het hoogspanningsnet gebeurt dit op basis van spoelen. Deze zijn beschikbaar als discrete elektronische componenten die op een printplaat gezet kunnen worden, maar ze zijn heel moeilijk te integreren in een standaard cmos-proces. De daarvoor benodigde dikke metaalbanen vereisen additionele processtappen, die kostenverhogend werken.
In plaats van spoelen gebruiken cmos-ontwerpers daarom geschakelde capaciteiten (switched capacitor circuits). Hierbij wordt de lading van de ene capaciteit naar de andere capaciteit getransfereerd. Een netwerk van schakelaars, geïmplementeerd als transistoren, geeft het ritme aan. De capaciteiten en de transistoren zijn volledig standaard uit te voeren in om het even welk cmos-proces.
Er zijn echter enkele uitdagingen bij het realiseren van op geschakelde capaciteiten gebaseerde vermogenschips. Uiteraard wil de ontwerper een zo hoog mogelijke efficiëntie halen, maar daarnaast moet hij spaarzaam omgaan met de capaciteit. Zeker bij grote omzettingsfactoren, waarbij er veel lading moet worden geschakeld, zal anders de door de capaciteiten ingenomen oppervlakte onaanvaardbaar groot worden.
Daarenboven heeft een capaciteit op een cmos-chip altijd een bepaalde koppeling naar het silicium substraat. Die koppeling is een parasitair effect dat zorgt voor ladingsverlies, en voor een vermindering van de efficiëntie. De ontwerper wil dat ladingsverlies beperken.
Ten slotte moet het uiteindelijke circuit flexibel genoeg zijn om een stabiele uitgangsspanning te kunnen genereren uit een onstabiele ingangsspanning. Deze variabiliteit kan bijvoorbeeld optreden als de batterij leger raakt.
Zachte lading
De Micas-onderzoekers adresseerden deze vereisten met de zogeheten zachte-ladingtechniek (soft charging). Hierbij wordt de ladingsoverdracht van de ene capaciteit naar de andere uitgesmeerd in de tijd. Een grote overdracht wordt opgedeeld in verschillende kleinere deelstappen. De combinatie van kleine stappen is efficiënter dan de grote stap, omdat het energieverlies bij een omzetting evenredig is met het kwadraat van het spanningsverschil.
Maar dat is niet het enige voordeel. Door de fijnere controle over het op- en ontladen van de capaciteiten is de beschikbare oppervlakte efficiënter te benutten en de conversieratio flexibel te maken.
Ook het probleem van ladingsverlies aan het substraat wordt door de nieuwe techniek sterk teruggedrongen. Door het opsplitsen in kleinere stappen kan lading worden hergebruikt die anders zou verdwijnen in het substraat. Die lading kan worden uitgewisseld tussen twee opeenvolgende deelstappen die een tegengestelde schakelbeweging maken. Op die manier kan in het nieuwe circuit tot negentig procent van de lading worden hergebruikt. Dit leidt uiteindelijk tot een verhoging van de efficiëntie van de gehele omzetter met een factor drie.
De techniek van zachte lading is op zich niet nieuw, maar was tot nu toe beperkt in het aantal stappen waarover een ladingsoverdracht kon worden uitgesmeerd. Ze kon ook maar in bepaalde typen spanningsomzetters worden gebruikt. De Micas-variant is schaalbaar naar een willekeurig aantal stappen, en op alle types toepasbaar. Daarenboven hebben we de techniek gebruikt om een fundamenteel nieuw type te ontwikkelen waarbij de conversieratio zelf schaalbaar is. Als klap op de vuurpijl konden we recordefficiënties voorleggen. Voor deze prestatie kreeg onderzoeker Nicolas Butzen twee jaar na elkaar de onderscheiding van beste paper op de gerenommeerde International Solid State Circuits Conference (ISSCC).
Commercialisatie
Toepassing van zachte-ladingtechniek heeft enkele haken en ogen. Het circuit wordt ingewikkelder, want er moeten veel meer schakelaars worden geïntegreerd. Daarnaast is er een hogere tijdsresolutie vereist, omdat een aantal kleinere stappen in dezelfde tijd als één grote stap uitgevoerd moeten worden.
Beide issues vormen echter geen obstakel voor state-of-the-art cmos-processen. Klokfrequenties van meerdere gigahertz zijn daar courant geworden en de schaling van de transistorafmetingen heeft geleid tot een probleemloze integratie van miljoenen tot zelfs miljarden transistoren op één chip. Alle lichten staan dus op groen om deze techniek ingang te doen vinden in commerciële producten en op die manier een bijdrage te leveren aan een energie-efficiëntere toekomst.