新電壓轉換器：為物聯網而生，靜態功耗降低50％！

導讀

物聯網蓬勃發展，對於設備的功耗和能量供給方式是一個考驗。最近，麻省理工學院微系統技術實驗室（MTL）的研究人員，設計了一種新型「電壓轉換器」，能在很寬電流範圍「500微微安 ~ 1毫安」內保持高效率，並且使得靜態功率還是降低50%。

研究背景

目前，物聯網的概念已經滲透到各個領域之中，例如汽車、家電、建築、製造設備，甚至畜牧業也在使用感測器，直接向網路伺服器報告信息，維護和協調相關任務。

然而，為了保證電池壽命達到幾個月，這些感測器必須工作在很低的功率下。除此之外還有一種辦法就是從環境中吸收能量，例如我之前介紹的：「手指觸摸一下屏幕給手機充電」、「擺脫電池！？柔性納米設備利用人體運動發電」。

但是，這意味著感測器產生的電流範圍會很廣。例如，感測器可能會被頻繁喚醒，進行測量和小型計算，判斷測量值是否超過一些臨界值，這些操作需要的電流相對於較小；然而，它偶爾也需要向遠端的無線接收器傳輸警報，這樣需要的電流就會大的很多。

一般來說，電壓轉換器會將輸入電壓轉化為穩定的輸出電壓，並且只在較窄的電流範圍內有效。

研究簡介

但是，上周召開的國際固態電路研討會上，麻省理工學院微系統技術實驗室（MTL）的研究人員展示了一種新型電壓轉換器，可以在很寬的電流範圍內保持高效率。

Paidimarri，也獲取了麻省理工學院博士和碩士學位，是該會議論文的首作者。他的論文指導老師 Anantha Chandrakasan，麻省理工學院電氣和計算機科學專業的教授和他一起開發了這項技術。

Arun Paidimarri 在研究完成時是MTL的博士後，現在是IBM研究院的研究員。他說：

「一般來說，轉換器具有一個靜態功率，即使不向負載提供任何電流的情況下，它也將消耗這個功率。所以例如靜態功率的電流是微安級別的，那麼如果負載吸取了一納安的電流，它仍將消耗一微安的電流。但是，我的轉換器卻能在廣泛的電流範圍內維持高效率。」

能量包

這種轉換器是一個降壓轉換器，輸出電壓小於輸入電壓。特別的說，它的輸入電壓範圍是（1.2V ~ 3.3V），然後將降壓至（0.7V ~ 0.9V）。

Paidimarri 說：

「在低功耗的機制下，電壓轉換器的工作方式，並不是基於持續的能量流。它基於能量包。在電源轉換器中，你會配置一些開關、一個電感、一個電容，基本上你需要控制的就是打開或者關閉這些開關。」

開關的控制電路系統包含了測量轉換器輸出電壓的電路，如果輸出電壓低於臨界值（在這個示例中，0.9V），控制器將打開開關，釋放一個能量包。然後，它將再一次進行測量，如果有需要，將再次釋放能量包。

如果沒有設備從轉換器吸收電流，或者如果電流只是進入一個簡單的邏輯電路，控制器將會每秒釋放一到幾百個能量包。但是如果轉換器向無線電設備傳輸功率，它則將需要每秒釋放百萬個能量包。

為了能夠維持一些列的電壓輸出，電壓轉換器特別是低功耗的那種，每秒將進行一百萬次電壓測量；在這個基礎上，它將釋放出一到一百萬個能量包。每次測量會消耗能量，但是從目前絕大多數的應用來看，這些能量損耗是可以忽略的。然而對於物聯網來說，這些損耗卻是無法忍受的。

可變時鐘

所以，Paidimarri 和 Chandrakasan 設計的轉換器具有一個可變時鐘，它能夠以一些列不同的速率控制開關控制器。這個電路能夠監測轉換器的輸出電壓，例如包含了一個分壓器，可以吸掉測量產生的小電流。在轉換器中，分壓器僅僅是電路中的另外一個元素，它是實際上總是打開的。

但是吸取電流會降低轉換器的效率，所以麻省理工學院的研究人員研發的晶元中，分壓器周圍又有一堆額外的電路器件，保證分壓器的訪問達到測量所要求的時間間隔。結果顯示，相對於之前報道過的、實驗級的最佳的低功耗降壓轉換器，靜態功率還是降低了50%，電流處理範圍卻擴大了幾十倍。

意義

對於這項研究的意義，我們還是看看研究人員如何評價的吧。

Chandrakasan 說：

「這項發明是一個激動人心的消息，為新型能量搜集源設備，例如身體供電的電子設備開啟了新機遇。」

德州儀器 Kilby 實驗室電源管理研究主任 Yogesh Ramadass 說：

「這項研究推進了先進的低功耗DC-DC轉換器研究，你可以在很低的靜態電流條件下工作，並且在這些低電流水平下，達到高效率。你並不希望你的轉換器燒掉，所以對於轉換器來說維持低靜態功率狀態很有必要。」

這項研究由殼牌公司和德州儀器贊助進行，晶元原型由台積電公司通過其大學太空梭項目設計。