© CEA 2008. Tous droits réservés. Toute reproduction totale ou partielle sur quelque support que ce soit ou utilisation du contenu de ce document est interdite.

Présentation au sujet: "© CEA 2008. Tous droits réservés. Toute reproduction totale ou partielle sur quelque support que ce soit ou utilisation du contenu de ce document est interdite."— Transcription de la présentation:

1 © CEA 2008. Tous droits réservés. Toute reproduction totale ou partielle sur quelque support que ce soit ou utilisation du contenu de ce document est interdite sans lautorisation écrite préalable du CEA All rights reserved. Any reproduction in whole or in part on any medium or use of the information contained herein is prohibited without the prior written consent of CEA 1 2007 Presentation name - Speaker name Energy issues for Smart Devices Hughes METRAS 2008 CEA-LETI, MINATEC OCOVA, September 9th, 2008

2 © CEA 2008. Tous droits réservés. Toute reproduction totale ou partielle sur quelque support que ce soit ou utilisation du contenu de ce document est interdite sans lautorisation écrite préalable du CEA All rights reserved. Any reproduction in whole or in part on any medium or use of the information contained herein is prohibited without the prior written consent of CEA 2 2007 Presentation name - Speaker name Outline Smart devices power consumptions trends Energy issues for smart devices and wireless sensors Energy scavenging and energy storage solutions under development at Cea/Leti & Liten Conclusions

3 © CEA 2008. Tous droits réservés. Toute reproduction totale ou partielle sur quelque support que ce soit ou utilisation du contenu de ce document est interdite sans lautorisation écrite préalable du CEA All rights reserved. Any reproduction in whole or in part on any medium or use of the information contained herein is prohibited without the prior written consent of CEA 3 2007 Presentation name - Speaker name Functional blocks of wireless microsystems actuation/sensing wireless connectivity embedded intelligence energy management

4 © CEA 2008. Tous droits réservés. Toute reproduction totale ou partielle sur quelque support que ce soit ou utilisation du contenu de ce document est interdite sans lautorisation écrite préalable du CEA All rights reserved. Any reproduction in whole or in part on any medium or use of the information contained herein is prohibited without the prior written consent of CEA 4 2007 Presentation name - Speaker name Power requirements of silicon chips Supply voltage decrease Currents remain the same Power decreases 0.35µ 0.25µ 0.18µ 0.13µ 90n 65n 3.5 0.5 2.5 Tension dalimentation des circuits analogiques V dd (v) 1.5 3.3 0.8

5 © CEA 2008. Tous droits réservés. Toute reproduction totale ou partielle sur quelque support que ce soit ou utilisation du contenu de ce document est interdite sans lautorisation écrite préalable du CEA All rights reserved. Any reproduction in whole or in part on any medium or use of the information contained herein is prohibited without the prior written consent of CEA 5 2007 Presentation name - Speaker name 10 nW 100 nW 1 W 10 W 100 W 1 mW 10 mW 100 mW 1 W 10 W 100 W P desktop P laptop GSM PALM, MP3 FM radio Hearing aid RFID tag, Pacemaker Digital watch standby Bluetooth transceiver 32 kHz xtal System power consumtions spread over 10 orders of magnitude Low voltage sources join circuit VDD roadmap Power requirements Batteries µFuel Cells Thermoelectricity

6 © CEA 2008. Tous droits réservés. Toute reproduction totale ou partielle sur quelque support que ce soit ou utilisation du contenu de ce document est interdite sans lautorisation écrite préalable du CEA All rights reserved. Any reproduction in whole or in part on any medium or use of the information contained herein is prohibited without the prior written consent of CEA 6 2007 Presentation name - Speaker name Main functions of wireless microsystems : energy trends

7 © CEA 2008. Tous droits réservés. Toute reproduction totale ou partielle sur quelque support que ce soit ou utilisation du contenu de ce document est interdite sans lautorisation écrite préalable du CEA All rights reserved. Any reproduction in whole or in part on any medium or use of the information contained herein is prohibited without the prior written consent of CEA 7 2007 Presentation name - Speaker name Main functions of wireless microsystems : energy trends Today: 50µW/cm 2 @DT=1K Tomorow: 500µW/cm 2 @DT=1K Today: 10mW/cm 2 outdoor Tomorow: 30mW/cm 2 outdoor Today: 20µW @12bit, 100Hz Tomorow: 1µW @10bit, 100Hz Today: 50nJ/bit @2.45GHz Tomorow: 20nJ/bit @2.45GHz 1/100 to 1/1000 duty cycle µW/mm 3 to mW/cm 3 0.1 to 10mA.h/cm 2

8 © CEA 2008. Tous droits réservés. Toute reproduction totale ou partielle sur quelque support que ce soit ou utilisation du contenu de ce document est interdite sans lautorisation écrite préalable du CEA All rights reserved. Any reproduction in whole or in part on any medium or use of the information contained herein is prohibited without the prior written consent of CEA 8 2007 Presentation name - Speaker name Energy Issues for Smart Devices Energy Scavenging : the tap Energy Storage : the tank Energy Management : optimize reservoir, reduce leakage, optimize efficiency Fundamentals for the analysis : Duty cycle Overall needs over lifetime Requirements of each functions T0 T1 T2 Tn

9 © CEA 2008. Tous droits réservés. Toute reproduction totale ou partielle sur quelque support que ce soit ou utilisation du contenu de ce document est interdite sans lautorisation écrite préalable du CEA All rights reserved. Any reproduction in whole or in part on any medium or use of the information contained herein is prohibited without the prior written consent of CEA 9 2007 Presentation name - Speaker name A few scenarios Radio (Rx mode only) wake up mode 1mW 10 ms every 1s : 960 µWh/day active mode : 500 mW twice a day : 277 µWh/day Autonomous sensor LP pressure sensor (50µW) 12 acq/hour : 4 µWh/day Radio Tx mode (20 mW) Once an hour : 133 µWh/day RFID Sensor LP temperature sensor (100 µW) 6 acq/hour : 2 µWh/day

10 © CEA 2008. Tous droits réservés. Toute reproduction totale ou partielle sur quelque support que ce soit ou utilisation du contenu de ce document est interdite sans lautorisation écrite préalable du CEA All rights reserved. Any reproduction in whole or in part on any medium or use of the information contained herein is prohibited without the prior written consent of CEA 10 2007 Presentation name - Speaker name Consumption of various devices 100 mW 10 W 1 W 10 mW 1 mW 100 µW 10 µW 1 µW 100 Wh 10 Wh 1 Wh 1 mWh 100 µWh Laptop Camcorder Cell phone Pacemaker RFID sensor IC functions 100 nW

11 © CEA 2008. Tous droits réservés. Toute reproduction totale ou partielle sur quelque support que ce soit ou utilisation du contenu de ce document est interdite sans lautorisation écrite préalable du CEA All rights reserved. Any reproduction in whole or in part on any medium or use of the information contained herein is prohibited without the prior written consent of CEA 11 2007 Presentation name - Speaker name Power Sources specifications OriginTypePower Density (Max) PhotovoltaicIndoor light 100µW/cm² (inside light) ElectromagneticGSM 900MHz 10 µW @ 1m Motion Vibrations (wideband) 10µW per gram of proof mass Deformation 1.21J/g (Dielectric Polymer) HeatThermo-electricity 50µW/cm², 0.5v @ T=1K Chemical Thin-film batteries 100 µA.h/cm 2 Ink batteries 2 mA.h/cm 2

12 © CEA 2008. Tous droits réservés. Toute reproduction totale ou partielle sur quelque support que ce soit ou utilisation du contenu de ce document est interdite sans lautorisation écrite préalable du CEA All rights reserved. Any reproduction in whole or in part on any medium or use of the information contained herein is prohibited without the prior written consent of CEA 12 2007 Presentation name - Speaker name Micro Energy Sources roadmap Vibrations (1g, 1 cm²) 100 mW 10 W 1 W 10 mW 1 mW 100 µW 10 µW 1 µW Thermoelec T = 5°C µPV (cloudy) µPV (in house) µPV (sunny) µBatt (1 cm²) µFC 100g,18 cm²

13 © CEA 2008. Tous droits réservés. Toute reproduction totale ou partielle sur quelque support que ce soit ou utilisation du contenu de ce document est interdite sans lautorisation écrite préalable du CEA All rights reserved. Any reproduction in whole or in part on any medium or use of the information contained herein is prohibited without the prior written consent of CEA 13 2007 Presentation name - Speaker name Energy scavenging Vibrations Nanostructuration Thermoelectricity Hetero Nanowires Si,Ge, CNT Superlattices µ-Solar Cell Multispectral, multijunctions Nanowires, nanocristals 20406080 Hz 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 A(f) m.s -2 20406080 Hz 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 m.s -2 A(f) Car Metallic stair

14 © CEA 2008. Tous droits réservés. Toute reproduction totale ou partielle sur quelque support que ce soit ou utilisation du contenu de ce document est interdite sans lautorisation écrite préalable du CEA All rights reserved. Any reproduction in whole or in part on any medium or use of the information contained herein is prohibited without the prior written consent of CEA 14 2007 Presentation name - Speaker name Energy Storage Ink Batteries Nanostructuration of electrodes and electrolytes Choice of power vs energy performance, reload speed Micro-batteries 3D structuring Nanostructured electrodes Micro fuel cells Nanostructuration of electrodes Nanocatalyzers 10 µm Catalyst electrolyte Silicon Current Collector Insulator Catalyst support Catalyst Current Collector Air Hydrogen

15 © CEA 2008. Tous droits réservés. Toute reproduction totale ou partielle sur quelque support que ce soit ou utilisation du contenu de ce document est interdite sans lautorisation écrite préalable du CEA All rights reserved. Any reproduction in whole or in part on any medium or use of the information contained herein is prohibited without the prior written consent of CEA 15 2007 Presentation name - Speaker name Energy Conversion Interface (ECI) Scavengers Harvesting energy monitoring Chargers Batteries state of charge monitoring DC/DC converter LDO regulator Total Power consumption monitoring Inductive DCDC converter Capacitive DCDC converter LDO regulator LDO regulator Sources Loads PV cell, thermo generator, vibrations, RFID, battery… Sensors, communication, Batteries charger… LDO regulator Power Management Unit ECI diagram Power Management

16 © CEA 2008. Tous droits réservés. Toute reproduction totale ou partielle sur quelque support que ce soit ou utilisation du contenu de ce document est interdite sans lautorisation écrite préalable du CEA All rights reserved. Any reproduction in whole or in part on any medium or use of the information contained herein is prohibited without the prior written consent of CEA 16 2007 Presentation name - Speaker name Challenges Reduce cost of solutions Multi energy sources Use of Nanoscale structures to enhance performances

17 © CEA 2008. Tous droits réservés. Toute reproduction totale ou partielle sur quelque support que ce soit ou utilisation du contenu de ce document est interdite sans lautorisation écrite préalable du CEA All rights reserved. Any reproduction in whole or in part on any medium or use of the information contained herein is prohibited without the prior written consent of CEA 17 2007 Presentation name - Speaker name Innovation for industry

18 © CEA 2008. Tous droits réservés. Toute reproduction totale ou partielle sur quelque support que ce soit ou utilisation du contenu de ce document est interdite sans lautorisation écrite préalable du CEA All rights reserved. Any reproduction in whole or in part on any medium or use of the information contained herein is prohibited without the prior written consent of CEA 18 2007 Presentation name - Speaker name Plan to join us on June 22-23 2009 at Minatec for the 11 th Leti Annual Review For more information : www.leti.fr