Интернет вещей — это идея о том, что транспортные средства, бытовая техника, гражданские сооружения, производственное оборудование и даже домашний скот вскоре будут оснащены датчиками, которые передают информацию непосредственно на сетевые серверы, помогая в обслуживании и координации задач.

Эти датчики должны будут работать на очень низкой мощности, чтобы продлить срок службы батареи на месяцы или обходиться энергией, получаемой из окружающей среды. Но это означает, что им нужно будет использовать широкий диапазон электрических токов. Датчик может, например, время от времени просыпаться, производить измерение и выполнять небольшие вычисления, чтобы увидеть, превышает ли это измерение какой-либо порог. Для этих операций требуется относительно небольшой ток, но иногда датчику может потребоваться передать сигнал тревоги на удаленный радиоприемник. Для этого требуются гораздо большие токи.

Как правило, силовые преобразователи, которые принимают входное напряжение и преобразуют его в постоянное выходное напряжение, эффективны только в узком диапазоне токов. Но на Международной конференции по твердотельным схемам исследователи из Лаборатории микросистемных технологий Массачусетского технологического института (MTL) представили новый преобразователь мощности, который сохраняет свою эффективность при токах в диапазоне от 500 пА до 1 мА, что позволяет увеличить уровень тока в 200 000 раз.

Разработанный исследователями преобразователь является понижающим, что означает, что его выходное напряжение ниже входного. В частности, он принимает входные напряжения в диапазоне от 1,2 до 3,3 вольт и снижает их до 0,7-0,9 вольт.

Схема управления переключателями включает в себя схему, которая измеряет выходное напряжение преобразователя. Если выходное напряжение ниже некоторого порогового значения — в данном случае 0,9 В, — контроллеры переключают переключатель и высвобождают пакет энергии. Затем они выполняют еще одно измерение и, при необходимости, выпускают другой пакет.

Если ни одно устройство не потребляет ток от преобразователя или если ток поступает только в простую локальную цепь, контроллеры могут выдавать от 1 до пары сотен пакетов в секунду. Но если преобразователь подает питание на радиоприемник, ему может потребоваться передавать миллион пакетов в секунду.

Чтобы обеспечить такой диапазон выходных сигналов, обычный преобразователь — даже маломощный — будет просто выполнять 1 миллион измерений напряжения в секунду; исходя из этого, он будет выдавать от 1 до 1 миллиона пакетов. Каждое измерение потребляет энергию, но для большинства существующих приложений утечка энергии незначительна. Однако для Интернета вещей это невыносимо.

Замедление тактовой частоты

Преобразователь оснащен регулируемой тактовой частотой, которая позволяет управлять контроллерами коммутатора с широким диапазоном частот. Однако для этого требуются более сложные схемы управления. Схема, которая контролирует выходное напряжение преобразователя, например, содержит элемент, называемый делителем напряжения, который отбирает небольшой ток с выхода для измерения. В типичном преобразователе делитель напряжения является просто еще одним элементом в цепи; по сути, он всегда включен.

Но перекачиваемый ток снижает эффективность преобразователя, поэтому в микросхеме исследователей Массачусетского технологического института делитель окружен блоком дополнительных элементов схемы, которые предоставляют доступ к делителю только на ту долю секунды, которая требуется для измерения. Результатом является снижение мощности в режиме покоя на 50% даже по сравнению с лучшим из ранее описанных экспериментальных маломощных понижающих преобразователей и десятикратное расширение диапазона регулирования тока.

По мнению исследователей, это открывает новые возможности для управления этими схемами от новых типов источников сбора энергии, таких как электроника, работающая на теле.

“Эта работа расширяет границы современного уровня в маломощных преобразователях постоянного тока, показывает, насколько низким может быть ток покоя, и эффективность, которую можно достичь при таких низких уровнях тока”, — говорит Йогеш Рамадасс, директор по исследованиям в области управления питанием Texas Instruments’ Лаборатории Килби. “Вы же не хотите, чтобы ваш преобразователь потреблял больше энергии, чем требуется на выходе, поэтому важно, чтобы преобразователь имел очень низкую мощность в режиме покоя”.

Работа финансировалась Shell и Texas Instruments, а прототипы чипов были созданы Тайваньской корпорацией по производству полупроводников в рамках ее университетской программы Shuttle. Для получения дополнительной информации: http://news.mit.edu/2017/efficient-power-converter-internet-of-things-0217