新电压转换器：为物联网而生，静态功耗降低50%！
导读
物联网蓬勃发展，对于设备的功耗和能量供给方式是一个考验。最近，麻省理工学院微系统技术实验室（MTL）的研究人员，设计了一种新型「电压转换器」，能在很宽电流范围「500微微安 ~ 1毫安」内保持高效率，并且使得静态功率还是降低50%。
研究背景
目前，物联网的概念已经渗透到各个领域之中，例如汽车、家电、建筑、制造设备，甚至畜牧业也在使用传感器，直接向网络服务器报告信息，维护和协调相关任务。
然而，为了保证电池寿命达到几个月，这些传感器必须工作在很低的功率下。除此之外还有一种办法就是从环境中吸收能量，例如我之前介绍的：“手指触摸一下屏幕给手机充电”、“摆脱电池！？柔性纳米设备利用人体运动发电”。
但是，这意味着传感器产生的电流范围会很广。例如，传感器可能会被频繁唤醒，进行测量和小型计算，判断测量值是否超过一些临界值，这些操作需要的电流相对于较小；然而，它偶尔也需要向远端的无线接收器传输警报，这样需要的电流就会大的很多。
一般来说，电压转换器会将输入电压转化为稳定的输出电压，并且只在较窄的电流范围内有效。
研究简介
但是，上周召开的国际固态电路研讨会上，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电压转换器，可以在很宽的电流范围内保持高效率。
Paidimarri，也获取了麻省理工学院博士和硕士学位，是该会议论文的首作者。他的论文指导老师 Anantha Chandrakasan，麻省理工学院电气和计算机科学专业的教授和他一起开发了这项技术。
Arun Paidimarri 在研究完成时是MTL的博士后，现在是IBM研究院的研究员。他说：
“一般来说，转换器具有一个静态功率，即使不向负载提供任何电流的情况下，它也将消耗这个功率。所以例如静态功率的电流是微安级别的，那么如果负载吸取了一纳安的电流，它仍将消耗一微安的电流。但是，我的转换器却能在广泛的电流范围内维持高效率。”
能量包
这种转换器是一个降压转换器，输出电压小于输入电压。特别的说，它的输入电压范围是（1.2V ~ 3.3V），然后将降压至（0.7V ~ 0.9V）。
Paidimarri 说：
“在低功耗的机制下，电压转换器的工作方式，并不是基于持续的能量流。它基于能量包。在电源转换器中，你会配置一些开关、一个电感、一个电容，基本上你需要控制的就是打开或者关闭这些开关。”
开关的控制电路系统包含了测量转换器输出电压的电路，如果输出电压低于临界值（在这个示例中，0.9V），控制器将打开开关，释放一个能量包。然后，它将再一次进行测量，如果有需要，将再次释放能量包。
如果没有设备从转换器吸收电流，或者如果电流只是进入一个简单的逻辑电路，控制器将会每秒释放一到几百个能量包。但是如果转换器向无线电设备传输功率，它则将需要每秒释放百万个能量包。
为了能够维持一些列的电压输出，电压转换器特别是低功耗的那种，每秒将进行一百万次电压测量；在这个基础上，它将释放出一到一百万个能量包。每次测量会消耗能量，但是从目前绝大多数的应用来看，这些能量损耗是可以忽略的。然而对于物联网来说，这些损耗却是无法忍受的。
可变时钟
所以，Paidimarri 和 Chandrakasan 设计的转换器具有一个可变时钟，它能够以一些列不同的速率控制开关控制器。这个电路能够监测转换器的输出电压，例如包含了一个分压器，可以吸掉测量产生的小电流。在转换器中，分压器仅仅是电路中的另外一个元素，它是实际上总是打开的。
但是吸取电流会降低转换器的效率，所以麻省理工学院的研究人员研发的芯片中，分压器周围又有一堆额外的电路器件，保证分压器的访问达到测量所要求的时间间隔。结果显示，相对于之前报道过的、实验级的最佳的低功耗降压转换器，静态功率还是降低了50%，电流处理范围却扩大了几十倍。
意义
对于这项研究的意义，我们还是看看研究人员如何评价的吧。
Chandrakasan 说：
“这项发明是一个激动人心的消息，为新型能量搜集源设备，例如身体供电的电子设备开启了新机遇。”
德州仪器 Kilby 实验室电源管理研究主任 Yogesh Ramadass 说：
“这项研究推进了先进的低功耗DC-DC转换器研究，你可以在很低的静态电流条件下工作，并且在这些低电流水平下，达到高效率。你并不希望你的转换器烧掉，所以对于转换器来说维持低静态功率状态很有必要。”
这项研究由壳牌公司和德州仪器赞助进行，芯片原型由台积电公司通过其大学航天飞机项目设计。
参考资料
【1】http://news.mit.edu/2017/efficient-power-converter-internet-of-things-0217
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