为物联网开发的高效电源转换器

物联网(IoT)是指车辆、电器、民用结构、制造设备甚至牲畜很快都将拥有传感器，这些传感器将直接向联网的服务器报告信息，帮助维护和协调任务。

这些传感器必须在非常低的功率下工作，以便将电池寿命延长几个月，或者从环境中收集能量。但这意味着他们需要采集大范围的电流。例如，传感器可能会经常醒来，进行测量，并执行一个小计算，以查看测量是否超过某个阈值。这些操作所需的电流相对较小，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。

电源变换器是将输入电压转换为稳定的输出电压，只能在很小的电流范围内有效。在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的功率转换器，可以在500皮安到1毫安的电流范围内保持效率，这一跨度包括当前水平的20万倍。

“通常情况下，转换器具有静止功率，即即使在不向负载提供任何电流的情况下，它们也会消耗这种功率，”这项工作完成时在MTL做博士后的Arun Paidimarri说，他现在在IBM研究院工作。“因此，例如，如果静止功率是一个微安，那么即使负载只拉动一个纳安，它仍然会消耗一个微安的电流。我的转换器可以在很大的电流范围内保持效率。”

Paidimarri也在麻省理工学院获得了博士和硕士学位，他是会议论文的第一作者。他的论文导师，麻省理工学院Vannevar Bush电气工程和计算机科学教授Anantha Chandrakasan也加入了他的行列。

包的角度来看

研究人员的转换器是降压转换器，这意味着它的输出电压低于输入电压。特别是，它接受1.2到3.3 V的输入电压，并将其降低到0.7到0.9 V之间。

Paidimarri说:“在低功耗情况下，这些电源转换器的工作方式并不是基于持续的能量流。”“它是基于这些能量包。你有这些开关，在电源转换器中有一个电感和一个电容器，你基本上可以打开和关闭这些开关。”

开关的控制电路包括测量变换器输出电压的电路。如果输出电压低于某个阈值(在本例中为0.9 v)，控制器就会打开开关并释放一个能量包。然后他们进行另一次测量，如果有必要，释放另一个数据包。

如果没有设备从转换器获取电流，或者如果电流只流向一个简单的本地电路，控制器可能会每秒释放1到几百个数据包。但如果转换器正在向无线电供电，它可能需要每秒释放一百万个数据包。

为了适应这样的输出范围，一个典型的转换器——即使是低功率的转换器——每秒只能进行100万次电压测量;在此基础上，它将在任何地方发布100万到100万包。每次测量都会消耗能量，但对于大多数现有应用来说，能量消耗可以忽略不计。然而，对于物联网来说，这是不可容忍的。

孵蛋的下来

Paidimarri和Chandrakasan的转换器具有可变时钟，可以以大范围的速率运行开关控制器。然而，这需要更复杂的控制电路。例如，监测转换器输出电压的电路包含一个叫做分压器的元件，它从输出中虹吸出少量电流用于测量。在典型的转换器中，分压器只是电路路径中的另一个元件;实际上，它是一直开着的。

虹吸电流降低了转换器的效率，因此在麻省理工学院的研究人员的芯片中，分频器周围环绕着一组额外的电路元件，这些电路元件只允许在测量所需的几分之一秒内访问分频器。其结果是，与之前报道的最好的实验低功耗降压转换器相比，静态功率降低了50%，电流处理范围扩大了10倍。

Chandrakasan说:“这为从新型能量收集源(如身体供电的电子设备)操作这些电路提供了令人兴奋的新机会。”

麻省理工学院

www.mit.edu

-由克里斯·瓦夫拉编辑，制作编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com．查看更多控制工程能源和电力故事．

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