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用于物联网的新型电源转换器将静止功耗降低50%

返回列表发布时间:2018-05-16

来自MIT微系统技术实验室的工程师设计了一种新型功率转换器,其电流效率保持在100皮安到1毫安的范围内,其电流水平增加百倍。 / em

物联网意味着车辆,电器,土木结构,制造设备甚至家畜很快就会拥有传感器,可以将信息直接报告给联网的服务器,从而帮助维护和协调任务。

这些传感器将不得不以非常低的功率运行,以延长电池寿命数月或与从环境中收集的能量相关。但这意味着他们需要画出各种各样的电流。例如,传感器可能会经常醒来,进行测量,然后执行一个小计算,以确定该测量结果是否超过某个阈值。这些操作需要相对较少的电流,但偶尔,传感器可能需要向远处的无线电接收器发送警报。这需要更大的电流。

通常,输入电压并将其转换为稳定输出电压的电源转换器仅在很窄的电流范围内有效。但在上周举行的国际固态电路会议上,来自麻省理工学院微系统技术实验室(MTL)的研究人员展示了一种新型功率转换器,其电流范围从500皮安到1毫安,范围包括200,000倍目前的水平。

“通常情况下,转换器具有静态功耗,即使它们没有向负载提供任何电流时,它们也会消耗功率,”Arun Paidimarri说,他是MTL的博士后,工作完成后现在在IBM研究。 “所以,例如,如果静态功耗是微安,那么即使负载只能拉到一个纳安级,它仍然会消耗微安电流。我的转换器可以在很大范围内保持效率。“

Paidimarri也是麻省理工学院的博士和硕士学位,是该论文的第一作者。他的论文导师Anantha Chandrakasan,麻省理工学院电气工程与计算机科学Vannevar Bush教授也加入了他的行列。

数据包透视

研究人员的转换器是一个降压转换器,这意味着其输出电压低于其输入电压。特别是,它需要1.2到3.3伏特的输入电压并将其降低到0.7到0.9伏特之间。

“在低功率制度下,这些功率转换器的工作方式,不是基于连续的能量流动,”Paidimarri说。 “它基于这些能量包。你在电源转换器中有这些开关,一个电感器和一个电容器,而你基本上打开和关闭这些开关。“

用于开关的控制电路包括测量转换器的输出电压的电路。如果输出电压低于某个阈值(在这种情况下为0.9伏特),控制器会发出开关并释放一个能量包。然后他们执行另一次测量,并在必要时释放另一个数据包。

如果没有设备从转换器获取电流,或者如果电流仅转到简单的本地电路,则控制器可能每秒钟释放1到100个数据包。但如果转换器向无线电供电,则可能需要每秒释放一百万个数据包。

为了适应这一范围的输出,一个典型的转换器 - 即使是低功耗转换器 - 每秒只能执行100万次电压测量;在此基础上,它将释放1到100万个数据包。每个测量都消耗能量,但对于大多数现有应用,功耗可以忽略不计。但对于物联网来说,这是无法容忍的。

时钟下来

因此,Paidimarri和Chandrakasan的转换器具有可变时钟,可以以各种速率运行开关控制器。但是,这需要更复杂的控制电路。例如,监视转换器输出电压的电路包含一个称为分压器的元件,该元件从输出中汲取少量电流进行测量。在典型的转换器中,分压器只是电路中的另一个元件;实际上,它总是处于开启状态。

但虹吸电流会降低转换器的效率,因此在MIT研究人员的芯片中,分压器被一块额外的电路元件所包围,这些电路元件仅在测量需要一秒的时间内才允许访问分压器。其结果是即使是之前报道的最佳实验性低功耗降压转换器和电流处理范围的十倍扩展,静态功耗也降低了50%。

Chandrakasan说:“这为从新型能量采集源(例如人体驱动的电子设备)操作这些电路开辟了令人兴奋的新机遇。

“这项工作推动了低功耗DC-DC转换器的最新技术发展水平,在静态电流方面你有多低,以及在这些低电流水平下你可以达到的效率,”Yogesh Ramadass说。 ,德州仪器Kilby实验室电源管理研究总监。 “你不希望你的转换器烧掉的东西比被传送的更多,所以转换器的静态功耗状态非常重要。”

这项工作得到了壳牌和德州仪器的资助,原型芯片由台湾积体电路制造公司通过大学班车计划建造。

参考文献:A. Paidimarri,A. P. Chandrakasan,“具有240pW静态功率,92%峰值效率和2E6动态范围的降压转换器”,IEEE国际固态电路会议(ISSCC),2017年2月。

资料来源:麻省理工学院新闻节目Larry Hardesty

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