“物聯(lián)網(wǎng)”的想法是，車輛，電器，土木結(jié)構(gòu)，制造設(shè)備甚至牲畜很快將具有將信息直接報告給聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器的傳感器，以幫助維護和協(xié)調(diào)任務(wù)。

那些傳感器將必須以非常低的功率工作，以將電池壽命延長數(shù)月或利用從環(huán)境中收集到的能量。但這意味著他們需要汲取各種各樣的電流。例如，傳感器可能經(jīng)常這樣醒來，進(jìn)行測量并執(zhí)行少量計算以查看該測量是否超過某個閾值。這些操作所需的電流相對較小，但有時傳感器可能需要將警報發(fā)送到遙遠(yuǎn)的無線電接收器。這需要更大的電流。

通常，僅在狹窄的電流范圍內(nèi)，采用輸入電壓并將其轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定輸出電壓的功率轉(zhuǎn)換器才有效。但是在上周舉行的國際固態(tài)電路會議上，麻省理工學(xué)院微系統(tǒng)技術(shù)實驗室（MTL）的研究人員提出了一種新的電源轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器可以在500皮安至1毫安的電流范圍內(nèi)保持效率，其跨度增加了200萬倍。

“通常，轉(zhuǎn)換器具有靜態(tài)功率，即使在不向負(fù)載提供任何電流時，它們也消耗的功率，”工作完成后擔(dān)任MTL博士后，現(xiàn)在在IBM工作的Arun Paidimarri說道。研究。“因此，例如，如果靜態(tài)功率為微安，那么即使負(fù)載僅拉動納安，它仍將消耗微安的電流。我的轉(zhuǎn)換器可以在很寬的電流范圍內(nèi)保持效率?！?span>

Paidimarri是會議論文的第一作者，他還獲得了麻省理工學(xué)院的博士學(xué)位和碩士學(xué)位。他的論文顧問Anantha Chandrakasan和MIT的Vannevar Bush電氣工程與計算機科學(xué)教授一起參加了會議。

數(shù)據(jù)包角度

研究人員的轉(zhuǎn)換器是降壓轉(zhuǎn)換器，這意味著其輸出電壓低于其輸入電壓。特別是，它需要1.2到3.3伏的輸入電壓，并將其降低到0.7到0.9伏之間。

Paidimarri說：“在低功率狀態(tài)下，這些功率轉(zhuǎn)換器的工作方式并不基于連續(xù)的能量流?！?“它基于這些能量包。您在電源轉(zhuǎn)換器中有這些開關(guān)，一個電感器和一個電容器，基本上就可以打開和關(guān)閉這些開關(guān)。”

用于開關(guān)的控制電路包括測量轉(zhuǎn)換器的輸出電壓的電路。如果輸出電壓低于某個閾值（在本例中為0.9伏），則控制器將拋出一個開關(guān)并釋放一包能量。然后，他們執(zhí)行另一個測量，并在必要時釋放另一個數(shù)據(jù)包。

如果沒有設(shè)備從轉(zhuǎn)換器汲取電流，或者電流僅流向簡單的本地電路，則控制器每秒可能釋放1到數(shù)百個數(shù)據(jù)包。但是，如果轉(zhuǎn)換器向無線電供電，則可能需要每秒釋放一百萬個數(shù)據(jù)包。

為了適應(yīng)該范圍的輸出，典型的轉(zhuǎn)換器-即使是低功率轉(zhuǎn)換器-每秒只需執(zhí)行一百萬次電壓測量；在此基礎(chǔ)上，它將釋放1到1百萬個數(shù)據(jù)包。每次測量都會消耗能量，但是對于大多數(shù)現(xiàn)有應(yīng)用而言，功耗可以忽略不計。但是，對于物聯(lián)網(wǎng)，這是無法忍受的。

因此，Paidimarri和Chandrakasan的轉(zhuǎn)換器具有可變時鐘，可在各種速率下運行開關(guān)控制器。然而，這需要更復(fù)雜的控制電路。例如，監(jiān)視轉(zhuǎn)換器輸出電壓的電路包含一個稱為分壓器的元件，該元件會從輸出中吸出少量電流進(jìn)行測量。在典型的轉(zhuǎn)換器中，分壓器只是電路路徑中的另一個元素。實際上，它始終處于打開狀態(tài)。

但是虹吸電流會降低轉(zhuǎn)換器的效率，因此在麻省理工學(xué)院研究人員的芯片中，分頻器被一塊附加的電路元件包圍，這些電路元件僅在測量所需的幾分之一秒內(nèi)才允許進(jìn)入分頻器。結(jié)果是，即使以前報告的最佳實驗低功耗降壓轉(zhuǎn)換器，其靜態(tài)功耗也降低了50％，電流處理范圍擴大了十倍。

Chandrakasan說：“這為利用新型能量收集源（例如人體電子設(shè)備）操作這些電路提供了令人興奮的新機遇?！?span>

Yogesh Ramadass說：“這項工作突破了低功率DC-DC轉(zhuǎn)換器的最新技術(shù)水平，在靜態(tài)電流以及在這些低電流水平下可以達(dá)到的效率方面，您能走多低?！笔堑轮輧x器（TI）Kilby Labs的電源管理研究總監(jiān)。“您不希望轉(zhuǎn)換器消耗的功率超過交付的功率，因此對于轉(zhuǎn)換器來說，具有非常低的靜態(tài)功率狀態(tài)至關(guān)重要。”