Systèmes à faible consommation [T8ES312M]

Systèmes à faible consommation [T8ES312M]

En pratique

Nature
Elément constitutif
Volume horaire de TP
8
Volume horaire de CM
12
Volume horaire de travail personnel
14
Langue d'enseignement
Français

Description du contenu de l'enseignement

Ce cours a pour objectif de donner les bases nécessaires pour concevoir des systèmes numériques à faible consommation d'énergie. Il se compose de quatre parties :

  1. une introduction à la problématique en prenant l'exemple des réseaux de capteurs autonomes en énergie (2h, Olivier Sentieys) ;
  2. un cours sur les techniques matérielles et logicielles pour réduire la consommation de puissance ou d'énergie (4h, Olivier Sentieys) ;
  3. un cours sur les principaux concepts physiques impliqués dans la récupération, la conversion et le stockage de l’énergie (6h, Hervé Chuberre) ;
  4. un TP "contest low power" de conception sur FPGA ayant pour objectif de réduire la consommation d'une implémentation VHDL (8h, Emmanuel Casseau). L’objectif du contest est de concevoir un système de traitement numérique sur FPGA qui consomme le moins possible d’énergie. Le travail consiste donc à proposer et valider des solutions en ce sens, en mettant en avant éventuellement les avantages et inconvénients des différentes solutions. Des moments de bilans communs sont prévus pendant les séances afin de discuter des solutions de chacun. Le rapport devra présenter votre démarche de réduction de consommation d’énergie, la(les) solutions retenues, ses avantages/inconvénients ainsi que les résultats obtenus.


 

Organisation

Modalités d'organisation et de suivi

Partie 1 : réseaux de capteurs autonomes en énergie

  • Principe et contraintes énergétiques des réseaux de capteurs sans fil
  • Architecture générique d'un noeud de capteur
    • Processeurs à faible consommation,
    • Radios à faible consommation
  • Optimiser l'activité de la radio
    • Protocoles MAC pour les réseaux de capteurs sans fil,
    • Optimiser l'efficacité énergétique des protocoles
  • Minimiser la puissance de transmission radio
    • Adaptation de puissance,
    • Détection et correction d'erreurs
  • Vers les réseaux de capteurs autonomes en énergie
    • Récupération d'énergie

Partie 2 : techniques matérielles et logicielles de réduction de la consommation

  • Pourquoi s'occuper de la puissance ?
    • Watt is the problem?,
    • Dissipation de chaleur,
    • Limitation de l'énergie dans les systèmes portables
  • Où part la puissance ?
    • Rappels sur la consommation de puissance des transistors et des blocs logiques complexes,
    • Opérateurs de calcul, mémoire,
    • arbre d'horloge,
    • Au niveau du système complet (radio, écran, disque, etc.)
  • Comment estimer la puissance ?
    • Notion d'activité,
    • Méthodes d'estimation statistiques et probabilistes,
    • Outils
  • Comment réduire la puissance ?
    • Réduire la puissance statique,
    • Réduire la tension d'alimentation,
    • Réduire l'activité du circuit
  • Comment estimer et réduire l'énergie du logiciel ?
  • Optimisation au niveau système
    • Gestion statique des modes de veille, Gestion dynamique de la tension et de la fréquence
  • Conclusions

Partie 3 : récupération, conversion et stockage de l’énergie

  • récupération d'énergie
    • prérequis (notions de physique indispensables),
    • récupérateurs d'énergie mécanique,
    • récupérateurs d'énergie thermique,
    • récupérateurs d'énergie photovoltaïque
  • alimentations à découpage
    • prérequis (régulateurs de tension linéaires, régulateurs de tension à découpage),
    • hacheur buck,
    • hacheur boost,
    • autres convertisseurs DC-DC
  • boucle de contrôle dans les convertisseurs sans bobinage utilisés en récupération d'énergie
    • commande PWM,
    • régulateurs à capacités commutées,
    • convertisseurs à pompe de charge,
    • quelques CI du commerce,
    • quelques applications

Informations pédagogiques

Compétences à acquérir

Partie 1 : réseaux de capteurs autonomes en énergie

  • présenter le concept des réseaux de capteurs sans fil et ses contraintes énergétiques ;
  • comprendre l'impact de la radio et du processeur sur l'énergie du système global ;
  • comprendre le principe des protocoles radio efficaces en énergie ;

Partie 2 : techniques matérielles et logicielles de réduction de la consommation

  • savoir estimer la consommation de puissance de blocs logiques complexes ;
  • connaitre les principales techniques au niveau du matériel pour réduire la consommation d'énergie
  • connaitre les principales techniques au niveau du logiciel pour réduire la consommation d'énergie
  • connaitre les principe de la gestion statique des modes de veille et de la gestion dynamique de la tension et de la fréquence dans un processeur

Partie 3 : récupération, conversion et stockage de l’énergie

  • donner une vue d'ensemble des principaux concepts physiques impliqués dans la récupération, la conversion et le stockage de l’énergie, sous différentes formes ;
  • appréhender les différentes architectures de convertisseurs DC-DC à faible puissance, comprendre comment en optimiser le rendement, maîtriser le dimensionnement des bobines et des condensateurs ainsi que les valeurs limites des composants à semi-conducteurs (diodes, transistors) ;
  • comprendre les principes de conception d'une boucle de commande d'un convertisseur buck ou boost ;
  • avoir quelques notions sur des convertisseurs DC-DC intégrables sur puce (circuits à base de pompe de charge, de capacités commutées, ou de doubleurs de tension) pour la récupération d'énergie à très faible puissance ;

Partie 4 : TP réduction de la consommation sur FPGA

  • atelier de conception de circuits numériques faible consommation pour des fonctions calculatoires simples ;
  • savoir construire, analyser et implanter des solutions permettant une réduction de la consommation avec des circuits numériques.
Dernière modification : mer, 06/01/2021 - 09:34