CN104242696B - 一种输入供电型振动能量获取接口电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种输入供电型振动能量获取接口电路，PMOS开关管的漏极接整流电路的输出端，其源极分别接储能元件和负载；PMOS二极管的漏极分别与其栅极、储能元件连接，其源极接整流电路的输出端；比较器的第一输入端接PMOS开关管的漏极，其第二输入端接PMOS开关管的源极，其输出端接PMOS开关管的栅极。由于PMOS二极管的漏极与栅极连接，因此在第二输入信号经过时只导通一瞬间，而储能元件将这一瞬间的第二输入信号进行了积累，使PMOS开关管两端形成微弱的电压差；之后比较器检测到电压差后导通PMOS开关管，使第二输入信号在PMOS开关管进行电压转换并到达负载。本方案降低了PMOS开关管的电压损失，从而提高了PMOS开关管对第二输入信号的电压转换效率。

Description

一种输入供电型振动能量获取接口电路

技术领域

本发明涉及模拟集成电路领域，提供一种输入供电型振动能量获取接口电路。

背景技术

目前的传感器在检测到大部分能量波动后都会输出交流信号，而一些负载设备不能直接引入交流电源执行响应工作，这就需要将上述交流信号转换成直流信号；此外，由于直流信号来源于传感器，其信号的电压达不到负载设备工作的标准，因此还需要再对上述直流信号进一步进行电压转换(即对信号进行升压或降压处理)。所以通过上述过程可以知道，交流信号的转换效率直接影响到负载对传感器的响应速度，因此，如何提高交流信号的转换效率是目前的攻关难点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种输入供电型振动能量获取接口电路，能够更快地将传感器发出的交流信号转换为负载设备所需求的直流电压信号。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种输入供电型振动能量获取接口电路，用于与传感器的输出端连接，其特征在于，包括：整流电路、比较器、PMOS二极管、PMOS开关管、储能元件；其中

所述整流电路用于将第一输入信号的负振幅转换为正振幅，生成第二输入信号；所述第一输入信号为所述传感器输出的交流信号；

所述PMOS开关管的漏极与所述整流电路的输出端连接，其源极分别与所述储能元件以及负载连接，用于对所述第二输入信号进行电压转换；

所述PMOS二极管的漏极分别与其栅极和所述储能元件连接，其源极与所述整流电路的输出端连接，用于控制所述第二输入信号在所述储能元件中进 行电压积累；

所述比较器的第一输入端与所述PMOS开关管的漏极连接，其第二输入端与所述PMOS开关管的源极连接，其输出端与所述PMOS开关管的栅极连接，用于对所述PMOS开关管的漏极电压和源极电压进行比较，当所述PMOS开关管的漏极电压小于所述PMOS开关管的源极电压时，控制所述PMOS开关管导通，从而使所述第二输入信号能够通过所述PMOS开关管后到达负载。

其中，所述比较器的电源接入端与所述整流电路的输出端连接，用于将所述整流电路输出的第二输入信号作为所述比较器的工作电源。

其中，所述整流电路包括：NMOS晶体管N1、N2、N3、N4，以及PMOS晶体管P1、P2；其中

N1的源极和衬底接地，其栅极接入所述第一输入信号的负端；

N2的源极和衬底接地，其栅极接入所述第一输入信号的正端；

P1的栅极接入所述第一输入信号的负端，其源极接入所述第一输入信号的正端；

P2的栅极接入所述第一输入信号的正端，其源极接入所述第一输入信号的负端；其漏极与P1的漏极连接，作为该整流电路的输出端；

N3的源极分别与P1的衬底以及P2的衬底连接，其漏极和栅极分别与P1的漏极和P2的漏极连接，其衬底接地；

N4的源极和衬底均接地，其漏极与N3的源极连接，其栅极与漏极均与P1的衬底以及P2的衬底连接。

其中，本实施例的接口电路还包括：PMOS晶体管P3、P4；其中，

P3的栅极分别与所述PMOS开关管的源极和所述PMOS二极管的漏极连接，其衬底与其源极连接，其漏极分别于所述PMOS开关管的漏极和所述PMOS二极管的源极连接；

P4的栅极分别与所述PMOS开关管的漏极和所述PMOS二极管的源极连接，其衬底与其源极连接，其源极与P3的源极连接，其漏极分别与所述PMOS开关管的源极和所述PMOS二极管的漏极连接。

其中，所述比较器包括：PMOS晶体管P5、P6、P7、P8，NMOS晶体管N5、N6、N7；其中，

P5的衬底与分别与P1的漏极和P2的漏极连接，用于接入所述第二输入信号；

P6的栅极与P5的栅极连接，其源极与P5的源极连接，其衬底与所述PMOS开关管的源极连接；

P7的漏极分别与P5的源极和P6的源极连接，其源极和衬底均分别与P1的漏极和P2的漏极连接；

N6的漏极与P6的漏极连接，其衬底和源极均接地，其栅极与N5的栅极连接；

P8的源极作为输出与所述PMOS开关管的源极连接，其栅极与衬底接地；

N7的漏极与P8的漏极连接，其源极与衬底接地，其栅极分别与P6的漏极和N6的漏极连接，构成反向器电路结构，其漏极作为输出与所述PMOS开关管的栅极连接。

本发明的实施例还提供一种接口，包括上述的输入供电型振动能量获取接口电路。

本发明的方案具有以下优点：

本发明的振动能量获取接口电路通过整流电路将交流的第一输入信号转换成直流的第二输入信号，之后第二输入信号从PMOS二极管到达储能元件，并在储能元件中积累电压，由于PMOS二极管的漏极与栅极连接，在第二输入信号经过的过程中，其两端的电压差逐渐变小，因此在储能元件积累一定程度后就自动断开。同时，由于PMOS开关管的源极与储能元件连接，所以比较器能够检测到PMOS开关管的源极电压高于其漏极电压，并控制PMOS开关管导通，使得第二输入信号的电压通过PMOS开关管得到转换并最终输出至负载，使负载执行相关工作。上述PMOS二极管、比较器、PMOS开关管以及储能元件共同组成了一个类似有源二极管的电路结构，明第二输入信号通过PMOS二极管和储能元件在PMOS开关管两端形成微弱的电压差，使得比较器能够控制PMOS开关管的导通，因此极大地降低了PMOS开关管的电压损失，从而提高了PMOS开关管对第二输入信号的电压转换效率。

附图说明

图1为本发明中输入供电型振动能量获取接口电路的结构示意图；

图2为本发明中整流电路的结构图；

图3为本发明中输入供电型振动能量获取接口电路的具体结构图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1所示，一种输入供电型振动能量获取接口电路，用于与传感器的输出端连接，包括：整流电路、比较器、PMOS二极管、PMOS开关管、储能元件；其中

所述整流电路用于将第一输入信号的负振幅转换为正振幅，生成第二输入信号；所述第一输入信号为所述传感器输出的交流信号；

所述PMOS开关管的漏极与所述整流电路的输出端连接，其源极分别与所述储能元件以及负载连接，用于对所述第二输入信号进行电压转换；

所述PMOS二极管的漏极分别与其栅极和所述储能元件连接，其源极与所述整流电路的输出端连接，用于控制所述第二输入信号在所述储能元件中进行电压积累；

所述比较器的第一输入端与所述PMOS开关管的漏极连接，其第二输入端与所述PMOS开关管的源极连接，其输出端与所述PMOS开关管的栅极连接，用于对所述PMOS开关管的漏极电压和源极电压进行比较，当所述PMOS开关管的漏极电压小于所述PMOS开关管的源极电压时，控制所述PMOS开关管导通，从而使所述第二输入信号能够通过所述PMOS开关管后到达负载。

本发明的振动能量获取接口电路通过整流电路将交流的第一输入信号转换成直流的第二输入信号，之后第二输入信号从PMOS二极管到达储能元件，并在储能元件中积累电压，由于PMOS二极管的漏极与栅极连接，在第二输入信号经过的过程中，其两端的电压差逐渐变小，因此在储能元件积累一定程度后就自动断开。同时，由于PMOS开关管的源极与储能元件连接，所以比较器能够检测到PMOS开关管的源极电压高于其漏极电压，并控制PMOS开关管导通，使得第二输入信号的电压通过PMOS开关管得到转换并最终输出 至负载，使负载执行相关工作。上述PMOS二极管、比较器、PMOS开关管以及储能元件共同组成了一个类似有源二极管的电路结构，明第二输入信号通过PMOS二极管和储能元件在PMOS开关管两端形成微弱的电压差，使得比较器能够控制PMOS开关管的导通，因此极大地降低了PMOS开关管的电压损失，从而提高了PMOS开关管对第二输入信号的电压转换效率。

作为一个接口电路，在使用到比较器时，一般采用充电电池或超级电容作为电源元件，因此在比较器没有工作时，也会产生能量消耗，为避免上述问题，在本发明的上述实施例中，所述比较器的电源接入端与所述整流电路的输出端连接；

其中，所述整流电路的第二输入信号作为所述比较器的工作电源。

本实施例的比较器将在第二输入信号的电压不够高时，能够自动停止工作，不产生能量损耗。

具体地，在本发明的上述实施例中，如图2所示，所述整流电路包括：NMOS晶体管N1、N2、N3、N4，以及PMOS晶体管P1、P2；其中

N1的源极和衬底接地，其栅极接入所述第一输入信号的负端；

N2的源极和衬底接地，其栅极接入所述第一输入信号的正端；

P1的栅极接入所述第一输入信号的负端，其源极接入所述第一输入信号的正端；

P2的栅极接入所述第一输入信号的正端，其源极接入所述第一输入信号的负端；其漏极与P1的漏极连接，作为该整流电路的输出端；

N3的源极分别与P1的衬底以及P2的衬底连接，其漏极和栅极分别与P1的漏极和P2的漏极连接，其衬底接地；

N4的源极和衬底均接地，其漏极与N3的源极连接，其栅极与漏极均与P1的衬底以及P2的衬底连接。

上述N1、N2、P1、P2这4个MOS管由交替变化的第一输入信号自驱动，用于将该第一输入信号的负振幅转化为正振幅。此外，根据二级效应的阈值电压计算公式可知，增大V_BS可减小V_th，而小的阈值电压意味着小的导通电阻(式中γ为体效应系数，V_BS为源极与衬底的电势差，φ_F为表面势，V_th0为V_BS＝0时阈值电压)，因此可以在P1、P2的衬底引入 一个由N3、N4组成的偏置电路，能够为P1、P2提供偏置电压以减小P1、P2的导通电阻。

此外，在本发明的上述实施例中，为避免PMOS开关管的pn结在启动期间导通，如图3所示，还需要在PMOS开关管的衬底上引入PMOS晶体管P3、P4；其中，

P3的栅极分别与所述PMOS开关管的源极和所述PMOS二极管的漏极连接，其衬底与其源极连接，其漏极分别于所述PMOS开关管的漏极和所述PMOS二极管的源极连接；

P4的栅极分别与所述PMOS开关管的漏极和所述PMOS二极管的源极连接，其衬底与其源极连接，其源极与P3的源极连接，其漏极分别与所述PMOS开关管的源极和所述PMOS二极管的漏极连接。

考虑到PMOS开关管源极与漏极的电压差极为微弱，造成比较器无法检测，为此，本发明还对比较器进行了设计，如图3所示，所述比较器包括：PMOS晶体管P5、P6、P7、P8，NMOS晶体管N5、N6、N7；其中，

P5的衬底与分别与P1的漏极和P2的漏极连接，用于接入所述第二输入信号；

P6的栅极与P5的栅极连接，其源极与P5的源极连接，其衬底与所述PMOS开关管的源极连接；

P7的漏极分别与P5的源极和P6的源极连接，其源极和衬底均分别与P1的漏极和P2的漏极连接；

N6的漏极与P6的漏极连接，其衬底和源极均接地，其栅极与N5的栅极连接；

P8的源极作为输出与所述PMOS开关管的源极连接，其栅极与衬底接地；

N7的漏极与P8的漏极连接，其源极与衬底接地，其栅极分别与P6的漏极和N6的漏极连接，构成反向器电路结构，其漏极作为输出与所述PMOS开关管的栅极连接。

在上述的比较器中，P7的源极与整流电路的输出连接，用于接入工作电源(即第二输入信号)；P7的漏极与P5的源极和P6的源极共同作为比较器的电源接口；P5和P6形成一个差分放大器结构，能够将PMOS开关管源极和漏 极的电压进行放大，保证比较器能够进行识别判断；由于第二输入信号的电压值非常小，要将其作为比较器的工作电源，就必须要保证比较器的功率损耗足够低，此外，过高的功率损耗会在很大程度上降低整个电路的效率，因此本实施例将P5的衬底作为比较器的第一输入端，P6的衬底作为比较器的第二输入端，使P5、P6能够在亚阈值区工作；N5作为比较器的电流镜；N5和N6共同构成差分级，N6的漏极为该差分级的输出；此外N7、P8共同构成反向结构，能够避免P5、P6的漏电流产生体效应，从而保证比较器正确的控制逻辑。

下面对上述的接口电路的工作过程进行详细：

如图3所示，N1、N2、P1、P2相互形成一个具有整流功能的电路结构，将来自传感器输出的第一输入信号的负振幅转换为正振幅，得到第二输入信号。第二输入信号从P1与P2共漏极位置输出，从比较器的P7的源极进入到比较器中，为比较器提供工作电源。同时，第二输入信号还经过PMOS二极管到达储能元件(储能元件可以是电容等在电路常见的基本元件)，使储能元件积累电压。由于PMOS二极管的漏极与栅极连接，在第二输入信号经过的过程中，其两端的电压差逐渐变小，因此在储能元件积累一定程度后就自动断开，在此刻下，P5接收PMOS开关管的漏极电压(即A点位置的第二输入信号的电压)，P6收到PMOS开关管的源极电压(即B点位置的储能元件积累的电压)，之后对A点电压以及B点电压进行比较，并通过N5、N6、N7、P5、P6、P7和P8组成的比较器向PMOS开关管的栅极发送一个低电平信号，控制PMOS开关管导通，使得第二输入信号通过PMOS开关管后，得到电压转换，并最终输出至负载。当第一输入信号开始逐渐减弱，致使N5、N6、N7、P5、P6、P7、P8组成的比较器输出高电平信号，PMOS开关管断开。

终上所述，本实施例具有以下优点：

1.第二输入信号通过PMOS二极管和储能元件在PMOS开关管两端形成微弱的电压差，使得比较器能够控制PMOS开关管的导通，因此极大地降低了PMOS开关管的电压损失，从而提高了第二输入信号的电压转换效率。

2.通过P5、P6的衬底作为比较器的输入端，有效降低了比较器功率的损耗，从而比较器能够将第二输入信号作为工作电源，为接口电路省去了一个电源元件。

此外，本发明的实施例还提供了一种接口，包括了上述的输入供电型振动能量获取接口电路。

下面以一个具体实施例对上述接口的作用进行详细描述：

本发明的接口可以应用在防盗报警领域中，其具体实施方法是将振动传感器通过本发明的接口与报警器进行连接，当振动传感器检测到振动能量后，输出交流信号，本发明的接口将该交流信号转换为直流信号，以满足报警器工作需要求，从而使报警器发出报警。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种输入供电型振动能量获取接口电路，用于建立传感器与负载的连接，其特征在于，包括：整流电路、比较器、PMOS二极管、PMOS开关管、储能元件；其中

所述整流电路用于将第一输入信号的负振幅转换为正振幅，生成第二输入信号；所述第一输入信号为所述传感器输出的交流信号；

所述PMOS开关管的漏极与所述整流电路的输出端连接，其源极分别与所述储能元件以及负载连接，用于对所述第二输入信号进行电压转换；

所述PMOS二极管的漏极分别与其栅极和所述储能元件连接，其源极与所述整流电路的输出端连接，用于控制所述第二输入信号在所述储能元件中进行电压积累；

所述比较器的第一输入端与所述PMOS开关管的漏极连接，其第二输入端与所述PMOS开关管的源极连接，其输出端与所述PMOS开关管的栅极连接，用于对所述PMOS开关管的漏极电压和源极电压进行比较，当所述PMOS开关管的漏极电压小于所述PMOS开关管的源极电压时，控制所述PMOS开关管导通，从而使所述第二输入信号能够通过所述PMOS开关管后到达负载。

2.根据权利要求1所述的输入供电型振动能量获取接口电路，其特征在于，

所述比较器的电源接入端与所述整流电路的输出端连接，用于将所述整流电路输出的第二输入信号作为所述比较器的工作电源。

3.根据权利要求2所述的输入供电型振动能量获取接口电路，其特征在于，所述整流电路包括：NMOS晶体管N1、N2、N3、N4，以及PMOS晶体管P1、P2；其中

N1的源极和衬底接地，其栅极接入所述第一输入信号的负端；

N2的源极和衬底接地，其栅极接入所述第一输入信号的正端；

P1的栅极接入所述第一输入信号的负端，其源极接入所述第一输入信号的正端；

P2的栅极接入所述第一输入信号的正端，其源极接入所述第一输入信号的负端；其漏极与P1的漏极连接，作为该整流电路的输出端；

N3的源极分别与P1的衬底以及P2的衬底连接，其漏极和栅极分别与P1的漏极和P2的漏极连接，其衬底接地；

N4的源极和衬底均接地，其漏极与N3的源极连接，其栅极与漏极均与P1的衬底以及P2的衬底连接。

4.根据权利要求3所述的输入供电型振动能量获取接口电路，其特征在于，还包括：PMOS晶体管P3、P4；其中，

P3的栅极分别与所述PMOS开关管的源极和所述PMOS二极管的漏极连接，其衬底与其源极连接，其漏极分别于所述PMOS开关管的漏极和所述PMOS二极管的源极连接；

P4的栅极分别与所述PMOS开关管的漏极和所述PMOS二极管的源极连接，其衬底与其源极连接，其源极与P3的源极连接，其漏极分别与所述PMOS开关管的源极和所述PMOS二极管的漏极连接。

5.根据权利要求4所述的输入供电型振动能量获取接口电路，其特征在于，所述比较器包括：PMOS晶体管P5、P6、P7、P8，NMOS晶体管N5、N6、N7；其中，

P5的衬底与分别与P1的漏极和P2的漏极连接，用于接入所述第二输入信号；

P6的栅极与P5的栅极连接，其源极与P5的源极连接，其衬底与所述PMOS开关管的源极连接；

P7的漏极分别与P5的源极和P6的源极连接，其源极和衬底均分别与P1的漏极和P2的漏极连接；

N6的漏极与P6的漏极连接，其衬底和源极均接地，其栅极与N5的栅极连接；

P8的源极作为输出与所述PMOS开关管的源极连接，其栅极与衬底接地；

N7的漏极与P8的漏极连接，其源极与衬底接地，其栅极分别与P6的漏极和N6的漏极连接，构成反向器电路结构，其漏极作为输出与所述PMOS开关管的栅极连接。

6.一种接口，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的输入供电型振动能量获取接口电路。