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新型超低功耗电路提供超过80%的效率

em麻省理工学院的研究人员开发了一种新的超低功耗电路,将能量采集效率提高到80%以上。 / em

信息技术行业的最新热门话题是“物联网” - 即车辆,家电,土木工程结构,制造设备甚至牲畜都有自己的嵌入式传感器,这些传感器将信息直接报告给网络服务器,帮助维护和任务的协调。

然而,实现这一愿景需要极低功耗的传感器,可以在没有电池变化的情况下运行数月 - 或者甚至更好,可以提取能量从环境到充电

上周,在VLSI技术和电路专题讨论会上,麻省理工学院的研究人员提出了一种新的功率转换器芯片,即使在微小太阳能电池特有的极低功率水平下,也能收集超过80%的能量。以前的实验超低功率转换器的效率只有40%或50%。

此外,研究人员的芯片在承担额外责任的同时实现了效率提升。其前身可以使用太阳能电池为电池充电或直接为设备供电,这种新型芯片可以同时实现这两种功能,并且可以直接从电池为设备供电。

所有这些操作也共享一个电感 - 芯片的主要电气元件 - 这可以节省电路板空间,但会进一步增加电路的复杂性。尽管如此,该芯片的功耗仍然很低。

“我们仍然希望拥有电池充电能力,我们仍然希望提供稳定的输出电压,”麻省理工学院电气工程和计算机科学研究生,新文章的第一作者Dina Reda El-Damak说。 “我们需要调节输入来提取最大功率,我们真的想要通过电感器共享来完成所有这些任务,并了解哪种工作模式最好。而且我们希望在非常有限的输入功率水平下实现这一目标 - 10纳瓦至1微瓦 - 用于物联网。“

原型芯片是通过台湾积体电路制造公司的大学接送计划制造的。

起伏

该电路的主要功能是调节太阳能电池,电池和电池供电设备之间的电压。例如,如果电池在太高或太低的电压下工作时间过长,则其化学反应物分解,并丧失保持电荷的能力。

为了控制芯片上的电流,El-Damak和她的顾问Anantha Chandrakasan,Joseph F.和Nancy P. Keithley电气工程学教授使用电感,这是一种绕成线圈的导线。当电流通过电感时,它会产生磁场,从而抵抗电流的任何变化。

电感器通路中的投掷开关使其交替充电和放电,以使流过它的电流不断上升,然后回落至零。保持电流的上限可以提高电路的效率,因为它以热量形式消耗能量的速率与电流的平方成正比。

但是,一旦电流下降到零,电感器路径上的开关就需要立即投入;否则,电流可能开始以错误的方向流过电路,这将大大降低其效率。复杂的是,电流上升和下降的速率取决于太阳能电池产生的电压,这是高度可变的。所以切换时机也必须改变。

电子沙漏

为了控制开关的定时,El-Damak和Chandrakasan使用一个称为电容器的电子元件,它可以存储电荷。电流越高,电容器填充越快。当它满了时,电路停止对电感充电。

然而,电流下降的速率取决于输出电压,其调节是芯片的目的。由于该电压是固定的,所以时序的变化必须来自电容的变化。 El-Damak和Chandrakasan因此在他们的芯片上安装了一组不同尺寸的电容器。随着电流下降,它会对这些电容器的一个子集进行充电,这些电容器的选择取决于太阳能电池的电压。再一次,当电容器充满时,电感器路径中的开关翻转。

“在这个技术领域,随着功率降低,通常会出现效率降低的趋势,因为做这项工作会消耗一定数量的能源,”负责电力转换开发项目的Brett Miwa说。芯片制造商Maxim Integrated。 “如果你只有一小部分进来,很难获得大部分,因为你失去了更多的百分比。 [El-Damak's]的设计对于她的功率水平有多低是非常有效的。“

“最值得注意的一件事是它确实是一个相当完整的系统,”他补充道。 “这真是一种完整的电源管理系统芯片。这使得它比一些可能在文献中报道的其他设计更复杂一些,更大一点,更全面一些。所以对于她来说,在一个更复杂的系统中仍然能够实现这些高性能的规格也是值得注意的。“

资料来源:麻省理工学院新闻节目Larry Hardesty

图像:麻省理工学院