CN104242475B - 一种微电子器件的能量收集装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种微电子器件的能量收集装置，包括微能量采集器、N级倍压整流模块、储能模块、比较模块和模拟开关，利用N级倍压整流模块对交流信号进行倍压整流得到较高电压的直流信号，利用储能模块将直流信号进行存储。比较模块对储能模块存储的直流电压进行判断，当直流电压达到上限电压值，则将直流电压供给至微电子器件，当直流电压下降到下限电压值，则停止对微电子器件供电。停止供电期间，微电子器件处于暂停工作状态。周而复始执行上述动作从而实现为微电子器件间歇性供电。本发明能够对能量采集器采集得到的能量进行存储和处理，从而实现当能量采集器采集得到的能量小于微电子器件的工作电量时，仍然能够对微电子器件进行间歇性供电。

Description

一种微电子器件的能量收集装置

技术领域

本发明涉及电路技术领域，尤其涉及一种微电子器件的能量收集装置。

背景技术

随着时代的进步，微电子器件因其小型化，已被广泛使用，尤其在野外环境、军事和医疗领域上起重要作用，例如：在野外环境的检测装置中设置微电子器件，或在人体内植入医疗微电子器件，微电子器件需要借助电池来提供电能，当电池的电量用尽后则需要更换电池。

在野外环境的检测装置的微电子器件，由于野外环境面积较大，设置的检测装置数量较多，每次对检测装置的微电子器件更换电池需要花费大量的人力和物力。对于植入式的医疗的微电子器件，对其更换电池，可能会对人体带来进一步的创伤和痛苦。所以现有技术提出了新型的微能量采集器，通过微能量采集器有效收集环境中的能量并将其转换为电能，从而为微电子器件供电。

但由于微能量采集器的体积较小，加之环境中的能量是不稳定的，所以微能量采集器采集得到的能量，能量密度相对较低且电能输出不稳定，无法较好地为微电子器件提供稳定电能。

因此现在需要一种装置，能够对微能量采集器采集得到的能量进行存储和处理，以便为微电子器件提供稳定的电能。

发明内容

本发明提供了一种微电子器件的能量收集装置，本发明能够对微能量采集器采集得到的能量进行存储和处理，可以为微电子器件提供间歇地、稳定的电能。

为了实现上述目的，本发明提供了以下技术手段：

一种微电子器件的能量收集装置，包括：

与微能量采集器的输出端相连的N级倍压整流模块，用于将所述微能量采集器持续输出的交流信号进行倍压整流转换为直流信号；

与所述倍压整流模块相连的储能模块，用于储存所述直流信号；

控制端与所述储能模块相连、第一端用来与微电子器件相连的第一开关模块；

一端与所述储能模块相连、另一端与所述第一开关模块的控制端相连的比较模块，用于当所述直流电压达到上限电压值时导通所述第一开关模块，将所述直流电压输出至所述微电子器件；当所述直流电压低于下限电压值时关闭所述第一开关模块，停止将所述直流电压输出至所述微电子器件；

其中，所述微电子器件为间歇性工作的电子器件。

优选的，所述上限电压值为微电子器件工作电压的上限值；

所述下限电压值为微电子器件工作电压的下限值。

优选的，所述比较模块包括：

与所述储能模块相连的电阻分压模块，所述电阻分压模块包括依次串联的第一分压模块、第二分压模块和第三分压模块，其中所述第一分压模块与所述储能模块相连，所述第三分压模块与地相连；

与所述电阻分压模块相连的第二开关模块，其中所述第一分压模块和所述第二分压模块的公共连接点与所述第二开关模块的第三端相连，所述第二分压模块和所述第三分压模块的公共连接点与所述第二开关模块的第四端相连；

同相输入端与所述第二开关模块的控制端相连、反相输入端与参考电压模块相连的比较单元，所述比较单元的输出端与所述第一开关模块的控制端相连，且所述第一开关模块的控制端与所述第二开关模块的控制端相连。

优选的，所述N级倍压整流模块包括：

逐级相连的N个倍压整流模块，所述倍压整流模块包括电容和二极管组成的倍压电路。

优选的，所述第一分压模块包括至少一个电阻；

所述第二分压模块包括至少一个电阻；

所述第三分压模块包括至少一个电阻。

优选的，其特征在于，

所述储能模块包括电容；

所述比较单元包括比较器。

优选的，所述比较器包括：型号为LTC1540的比较器。

优选的，还包括：

与所述第一分压模块、所述第二分压模块和所述第三分压模块并联的第一电容模块；

与所述第二分压模块和所述第三分压模块并联的第二电容模块；

与所述第三分压模块并联的第三电容模块。

优选的，所述第一开关模块和所述第二开关模块集成在一个开关模块内。

优选的，所述开关模块包括型号为MAX4685的模拟开关。

本发明提供了一种微电子器件的能量收集装置，本发明中由于微能量采集器输出的交流信号电压较低，不足于为微电子器件提供工作电压，所以利用倍压整流电路对交流信号进行倍压整流，将低压交流信号转换为较高电压的直流信号，并在N级倍压整流后将得到的直流信号进行存储。然后对已存储的直流信号总和的直流电压进行判断，当直流电压达到上限电压值，则将直流电压供给至微电子器件，由于微电子器件的消耗电能大于微能量采集器采集的电能，所以在为微电子器件供电期间，已存储的直流电压不断下降，当直流电压下降到下限电压值，则停止对微电子器件供电，停止供电期间，微电子器件处于暂停工作的状态。

然后储能模块再持续存储直流信号，直到已存储的直流电压再次达到上限电压值，从而为微电子器件重新供电，当直流电压再次下降至下限电压值时，则停止为微电子器件供电，从而实现周而复始为微电子器件间歇性供电。

本发明能够对微能量采集器采集得到的能量进行存储和处理，从而实现当能量采集器采集得到的能量小于微电子器件的消耗电量时，仍然能够对微电子器件进行间歇性供电。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种微电子器件的能量收集装置的结构示意图；

图2为本发明实施例公开的又一种微电子器件的能量收集装置的结构示意图；

图3为本发明实施例公开的又一种微电子器件的能量收集装置的结构示意图；

图4为本发明实施例公开的又一种微电子器件的能量收集装置的结构示意图；

图5为本发明实施例公开的又一种微电子器件的能量收集装置的结构示意图；

图6为本发明实施例公开的又一种微电子器件的能量收集装置的结构示意图；

图7为本发明实施例公开的又一种微电子器件的能量收集装置中储能模块上电压曲线图；

图8为本发明实施例公开的又一种微电子器件的能量收集装置中微电子器件上电压曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种微电子器件的能量收集装置，包括：

与微能量采集器100的输出端相连的N级倍压整流模块200，用于将所述微能量采集器100持续输出的交流信号进行倍压整流转换为直流信号，所述直流信号的电压是所述交流信号的电压减去倍压整流模块中的二极管正向压降后所得电压的N倍。

与所述倍压整流模块200相连的储能模块300，用于储存所述直流信号；

控制端LB1与所述储能模块300相连、第一端A用来与微电子器件400相连的第一开关模块500；第二端B空置。

一端与所述储能模块300相连、另一端与所述第一开关模块500的控制端LB1相连的比较模块600，用于当所述直流电压达到上限电压值时导通所述第一开关模块500，将所述直流电压输出至所述微电子器件400；当所述直流电压低于下限电压值时关闭所述第一开关模块500，停止将所述直流电压输出至所述微电子器件400；

其中，所述微电子器件400为间歇性工作的电子器件。

由于微能量采集器100输出的交流信号的电压较低，不足于为微电子器件400提供工作电压，且微电子器件400所需要的工作电压为直流电压，所以利用N级倍压整流模块200将微电子器件400的低压交流信号进行倍压整流，转换为较高压的直流信号。

N级倍压整流模块200中包括N个逐级相连的倍压整流模块，每个倍压整流模块都会对微能量采集器100输出的交流信号进行一次倍压，假设原始交流信号的电压为U，则经过N个倍压整流模块后，得到的直流信号的直流电压为N*(U-U_diode)，其中N为自然数，由于二极管正向导通电压通常较小，所以近似等于N*U。N取决于电路中的芯片的工作电压和用电器件的上限工作电压大小。

由于微能量采集器100采集的能量有限，不足于为微电子器件400供电，所以需要持续积累微能量采集器100输出的交流信号，不断将交流信号进行倍压整流转换为直流信号，然后对直流信号进行存储。

比较模块600在储能模块300存储直流信号的过程中，持续判断已存储直流信号总和的直流电压是否达到上限电压值，当直流电压达到上限电压值则导通第一开关模块500，将储能模块300的直流电压供给至微电子器件400。

由于在同等时间内，微电子器件400的消耗电能大于微能量采集器100采集的电能，所以在储能模块300为微电子器件400供电期间，储能模块300内的直流电压不断下降，当直流电压下降到微电子器件400的下限电压值时，则关闭第一开关模块500，停止对微电子器件400供电，停止对微电子器件400供电后，微电子器件400处于断电状态，从而完成对微电子器件400的一次供电。

在储能模块300的直流电压由上限电压值下降至下限电压值期间，都可为微电子器件400供电。上限电压值包括微电子器件400工作电压的上限值，下限电压值包括微电子器件400工作电压的下限值，在工作电压的上限值到工作电压的下限值之间为微电子器件供电，所以上限值与下限值之间是为微电子器件供电的最大电压差值。

由于储能模块放电需要时间，可以理解的是，在相同储能模块上，电压差值大则所需的放电时间长，电压差值小则所需的放电时间短，所以利用最大电压差值为微电子器件供电，能够为微电子器件400提供最长时间的电能供给。

可以理解的是，上限电压值可以小于工作电压的上限值，下限电压值可以大于工作电压的下限值，当然上限电压值大于下限电压值，那么由于储能模块放电时的电压差值变小，所以为微电子器件400的供电时间则减小。

微能量采集器100在整个过程中持续采集环境中的能量并输出交流信号，N级倍压整流模块也持续将交流信号进行倍压整流，在储能模块300输出的直流电压小于下限电压值时，停止对微电子器件400供电，由于没有微电子器件400的电能消耗，所以储能模块300中直流电压开始慢慢回升，当直流电压再次达到上限电压值时，重新为微电子器件400供电，当直流电压再次下降到下限电压值时，则停止对微电子器件400供电，从而完成第二次供电。

持续执行上述过程，从而实现周而复始地为微电子器件400间歇性供电，由于本发明中为微电子器件400的供电方式为间歇性供电，所以本发明中的微电子器件的工作性质为间歇性工作，例如：传感器，在采集一次数据后，间隔一端时间后再采集下一次数据。

本发明提供了一种微电子器件的能量收集装置，本装置能够对微能量采集器采集得到的能量进行存储和处理，可以在微电子器件间歇性工作期间，为微电子器件提供稳定的电能。

如图2所示，下面介绍图2中比较模块600的具体实现形式：

与所述储能模块300相连的电阻分压模块601，所述电阻分压模块601包括依次串联的第一分压模块6011、第二分压模块6012和第三分压模块6013，其中所述第一分压模块6011与所述储能模块300相连，所述第三分压模块6013与地相连；

与所述电阻分压模块601相连的第二开关模块602，其中所述第一分压模块6011和所述第二分压模块6012的公共连接点与所述第二开关模块602的第三端LBL相连，所述第二分压模块6012和所述第三分压模块6013的公共连接点与所述第二开关模块602的第四端LBH相连；

同相输入端与所述第二开关模块602控制端LB2相连、反相输入端与参考电压模块604相连的比较单元603，所述比较单元603的输出端与所述第一开关模块500的控制端LB1相连，且所述第一开关模块500的控制端LB1与所述第二开关模块602的控制端LB2相连。

设第一分压模块的电阻值为R_H，第二分压模块的电阻值为R_HYST，第三分压模块的电阻值为R_L，参考电压模块电压输出值为V_ref，储能模块300的上限电压值为V_upper，下限电压值为V_lower，则由图2的电路关系和电阻分压关系可知，当储能模块300达到上限电压值V_upper时，LBH上的电压值为：

当储能模块300达到下限电压值V_lower时，LBL上的电压值为：

当V_ref＝V_H或V_ref＝V_L时，第一、二开关模块才会在储能模块300达到上、下限电压值时改变状态，参考电压V_ref是指，型号为LTC1540的比较器的参考电压输出端所输出的参考电压经分压电阻分压后所得的电压值，LTC1540的参考电压输出端输出的参考电压为固定值(1.182V)，可通过改变分压电阻的值来设置V_ref的值。确定微电子器件后，即可根据其最大、最小工作电压确定V_upper和V_lower，那么在V_ref确定后，可以通过设置R_L、R_HYST、R_H的阻值来达到该上下限电压值。可以先自由选择V_ref值(0～1.182V)，再根据用电器件的工作电压范围来设置R_H、R_HYST、R_L的值。图2中的参考电压指集成在比较器LTC1540中的参考电压，在图2中以固定直流源的形式示出。

设储能模块300的当前直流电压为V，则LBH上的电压值为：

LBL上的电压值为：

在储能模块300中的直流电压未达到上限值时，第二开关模块的控制端LB2与第四端LBH相连，第一开关模块的控制端LB1与空置端B相连，将V_LBH输入至比较单元603，将V_LBH与参考电压V_ref进行比较，随着储能模块的直流电压升高，当V_LBH＝V_ref＝V_H时，确定储能模块300此时达到上限电压值，比较单元603输出控制信号至第一开关模块500，控制第一开关模块500导通，即控制第一开关模块500的控制端LB1与A端相连，从而间接与微电子器件400相连，由于第一开关模块500的控制端LB1与第二开关模块602的控制端LB2相连，所以第一开关模块500与第二开关模块602联动，当第一开关模块控制端LB1与A端相连时，第二开关模块的控制端LB2与LBL相连。

如图3所示，下面介绍所述N级倍压整流模块200包括：

逐级相连的N个倍压模块201，所述倍压模块201包括电容C和二极管D组成的倍压电路，图3中以6级倍压模块为例，第一级包括电容C1和二极管D1，第二级包括电容C2和二极管D2……第六级包括电容C6和二极管D6。

N级倍压模块的实现原理是利用二极管的整流和导引作用，将电压分别贮存到各自的电容上，然后将他们按极性相加的原理串联起来，得到N级倍增的电压输出。由于本发明中微能量采集器100的输出电量较为微弱，所以选取正向压降尽量小的二极管。

微能量采集器100的输出为类似正弦交流信号，则在正弦交流信号的前半周期，二极管D1导通，电容C1充电，在正弦信号的后半周期，二极管D2导通，电容C2开始充电，电容C2充电的同时电容C1放电，从而实现一次倍压，后续倍压整流模块依次实现N级倍压整流，将微能量采集器的低压交流信号，转换为较高的直流信号。

优选的，所述第一分压模块包括至少一个电阻；至少一个电阻的阻值之和为R_H，所述第二分压模块包括至少一个电阻，至少一个电阻的阻值之和为R_HYST；所述第三分压模块包括至少一个电阻，至少一个电阻的阻值之和为R_L。

优选的，如图4所示，本装置还包括：与所述第一分压模块6011、第二分压模块6012和第三分压模块6013并联的第一电容模块401；与所述第二分压模块6012和第三分压模块6013并联的第二电容模块402；与所述第三分压模块6013相连的第三电容模块403。与各个分压模块相连的电容模块是为了消除直流信号中的高频噪音信号。

其中，每个电容模块中至少包括一个电容，如图4所示，以每个电容模块中包括一个电容为例。

本装置在具体实现过程中，所述储能模块300包括电容；所述比较模块600包括比较器，具体使用时可采用型号为LTC1540的比较器。储能模块还可为充电电池或者超级电容。

优选的，所述第一开关模块500和所述第二开关模块602可集成在一个开关模块内，所述开关模块包括型号为MAX4685的模拟开关。

如图5所示，下面提供一种微电子器件的能量收集装置的整体电路图：

其中，能量采集器100将输出的交流信号发送至N级倍压整流模块200，N级倍压整流模块200中包括6级倍压整流模块，将低压交流信号转换为较高压的直流信号，并将直流信号存储至电容300中，电阻R_L、R_HYST和R_H对电容300上的电压进行分压，其中LBH端分得到的电压：LBL端分得的电压为：

起始时刻，第二开关模块602的控制端LB2与LBH相连，第一开关模块500的控制端LB1与B相连，比较器603持续判断LBH上的电压V_LBH是否达到参考电压V_ref，当V_LBH＝V_ref时，则比较器603输出端控制第一开关模块500的LB1端与A端相连，由于LB1端与LB2端相连，所以LB2端会与LBL端相连，此时电容300放电，直接将电容300上的直流电压通过第一开关模块500输出至微电子器件。

如图6所示，本发明又提供一种微电子器件的能量收集装置的整体电路图：

本电路中，比较单元603与参考电压模块604采用LTC1540来实现，第一开关模块和第二开关模块集成在一个MAX4685的芯片中实现。其余内容与原来一致，在此不再赘述。

在图6基础上，采用LT SPICE软件进行电路仿真，图7为储能模块的仿真电压输出波形，即存储电容(68μF)两端的电压波形。连接微能量采集器的电容的电压值从0V开始逐渐上升，第一开关模块500的输出为0，因此负载与能量储能模块断开，并且比较器的同相端连接到LBH，此时电容器充电。

当存储电容的电压达到上限电压值时，第一开关模块的输出切换为1，微电子器件与存储电容接通，并且比较器的同相端也连接到LBL，此时电容器放电。由于负载消耗电量，电容器两端的电压迅速下降，当低于下限阈值电压时，第一开关模块的输出切换为0，负载与存储电容断开，因此电容器充电，电容电压开始再次上升，如此循环往复。

根据储能模块的输出电压，负载进行间歇性工作。图8为当微电子器件是LED负载时的仿真电压输出波形。LED定期开启和关闭，其开启时间等于存储模块电压的下降时间，而关闭时间等于储能模块电压的上升时间。因此负载LED是通过电源管理电路间歇地使用能量收集器进行自供电工作。

图7和图8中横轴为时间，纵轴为电压。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种微电子器件的能量收集装置，其特征在于，包括：

与微能量采集器的输出端相连的N级倍压整流模块，用于将所述微能量采集器持续输出的交流信号进行倍压整流转换为直流信号；

与所述倍压整流模块相连的储能模块，用于储存所述直流信号；

控制端与所述储能模块相连、第一端用来与微电子器件相连的第一开关模块；

一端与所述储能模块相连、另一端与所述第一开关模块的控制端相连的比较模块，用于当储能模块上的直流电压达到上限电压值时导通所述第一开关模块，将直流电压输出至所述微电子器件；当储能模块上的直流电压低于下限电压值时关闭所述第一开关模块，停止将直流电压输出至所述微电子器件；参考电压模块集成在比较模块内部；

其中，所述比较模块包括：

与所述储能模块相连的电阻分压模块，所述电阻分压模块包括依次串联的第一分压模块、第二分压模块和第三分压模块，其中所述第一分压模块与所述储能模块相连，所述第三分压模块与地相连；

与所述电阻分压模块相连的第二开关模块，其中所述第一分压模块和所述第二分压模块的公共连接点与所述第二开关模块的第三端相连，所述第二分压模块和所述第三分压模块的公共连接点与所述第二开关模块的第四端相连；

同相输入端与所述第二开关模块的控制端相连、反相输入端与参考电压模块相连的比较单元，所述比较单元的输出端与所述第一开关模块的控制端相连，且所述第一开关模块的控制端与所述第二开关模块的控制端相连；其中，所述微电子器件为间歇性工作的电子器件。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述上限电压值为微电子器件工作电压的上限值；

所述下限电压值为微电子器件工作电压的下限值。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述N级倍压整流模块包括：

逐级相连的N个倍压整流模块，所述倍压整流模块包括电容和二极管组成的倍压电路。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一分压模块包括至少一个电阻；

所述第二分压模块包括至少一个电阻；

所述第三分压模块包括至少一个电阻。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述储能模块包括电容；

所述比较单元包括比较器。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述比较器包括：型号为LTC1540的比较器。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

与所述第一分压模块、所述第二分压模块和所述第三分压模块并联的第一电容模块；

与所述第二分压模块和所述第三分压模块并联的第二电容模块；

与所述第三分压模块并联的第三电容模块。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一开关模块和所述第二开关模块集成在一个开关模块内。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一开关模块和所述第二开关模块集成在一个开关模块内，该开关模块包括型号为MAX4685的模拟开关。