CN104917274B

CN104917274B - 用于无线传感器单元的改进的电源设备和方法

Info

Publication number: CN104917274B
Application number: CN201510104762.0A
Authority: CN
Inventors: H.雷西格尔
Original assignee: Schneider Electric SE
Current assignee: Schneider Electric SE
Priority date: 2014-03-10
Filing date: 2015-03-10
Publication date: 2019-04-30
Anticipated expiration: 2035-03-10
Also published as: CN104917274A; FR3018402A1; FR3018402B1; US9817413B2; EP2919362B1; EP2919362A1; US20150253791A1; ES2708026T3

Abstract

用于无线传感器单元(5)的电源设备，配备有用于管理非常低消耗电能的电路，其被配置为将给定电源电平(V_DD)限制在下限(V_minC1)与上限(V_MAXC1)之间，并且使用JFET或MOSFET耗尽型晶体管实现所述电路。

Description

用于无线传感器单元的改进的电源设备和方法

技术领域

本发明涉及用于传感器单元的电源设备的领域，其中所述传感器单元配备有无线通信系统，并且部分地由于能够在传感器单元的环境中恢复能量并从而产生电能的生成器(generator)而对所述传感器单元供应电能。

背景技术

在无线传感器的领域中，文献EP 2,395,594 A1提出一种可以通过在缓冲电容器中充电的电能供应传感器单元的电源设备。

该电源设备配备有光伏型的第一生成器，其可以在低照明到零照明的情况下由可充电电池形式的第二电化学生成器供应。

提供用于管理和控制可充电电池的充电的系统，以便使得传感器单元在长时间无照明之后也可操作。

可充电电池具有使用寿命有限且电荷容量减小的缺点。

文献US 7,132,757 B2提出一种用于向传感器供应能量的设备，其包括可以恢复被第一生成器变换为电能的机械能的该第一生成器、以及用于供应第一生成器的电化学生成器。电化学生成器为不可充电类型，并且具有电池的形式。

当由第一生成器产生的电能不足时，电路可以将电池直接连接到传感器。

此电路特别地具有作为电能的消耗装置(consumer)的缺点，并且当其包括微控制器时可能较昂贵。

此外，为了保护传感器的电源以防过电压，提供齐纳(Zener)二极管。这样的二极管具有如下主要缺点：其具有几微安的量值(magnitude)的反向电流，该反向电流大大增加设备的电流消耗。

因此，存在创建适合于无线传感器单元的新的电源设备的问题，其中该新电源设备配备有可以恢复环境电能的第一生成器以及第二备用生成器，并且不具有前述缺点，特别在电能消耗方面以及在实施成本方面得到改进。

发明内容

本发明首先涉及用于向无线传感器单元供给(deliver)电源的电源设备，所述电源设备包括：

-生成电能的第一生成部件，被配置为恢复传感器单元的环境中的环境能，并根据所恢复的环境能而产生电能，

-第二生成部件，包括电池，以便供给意在供应第一生成部件所产生的电能的电能，

-包括电容器的存储电能的存储部件，被布置为接收来自第一生成部件和/或来自第二生成部件的电能，并向传感器单元应用给定电源电平V_DD，

电源设备包括用于管理电能的电路，被配置为将给定电源电平V_DD限制在下限V_minC1与上限V_MAXC1之间。

所述电路包括单极晶体管并且当其栅极-源极电压为零时包括导体，与第一生成部件、第二生成部件和存储部件有关地布置单极晶体管，以使得具有取决于在第二生成部件所供给的电能与给定电源电平之间的差异的栅极-源极电压。

用于管理电能的电路具有像这样非常低的消耗，其特别有利于供应电能的供应取决于环境中能量的恢复的无线设备。

也可以提供单极晶体管的布置，以使得其漏极-源极电压取决于第一生成部件所产生的电能与给定电源电平之间的差异。

通过这种类型的晶体管，将电压V_DD维持在小于预定阈值V_MAXC1的电平，同时仍然限制电源设备的消耗。

晶体管的布置使得阈值V_MAXC1取决于电池所供给的预定的电压，并取决于所选择的电池、以及晶体管的预定的限制电压(pinch voltage，或夹断电压)，并且还取决于所选择的晶体管。

根据第一实施例，以上定义的单极晶体管是JFET晶体管(结型场效应晶体管)。这样的晶体管具有如下优点：具有本征的栅极-源极结，其可以用于将电流在单个方向上从电池传递至存储电容器，同时仍然限制其返回电池。

根据第二实施例，以上定义的单极晶体管是损耗型MOSFET晶体管。

与更普遍使用的MOS增强型晶体管相反，对于晶体管JFET和损耗型 MOSFET，当它们的栅极-源极电压为零时，它们具有导电沟道。

此外，根据本发明的电源设备还可以：

-利用与可充电电化学生成器有关的、电池的更长使用寿命、以及它们改善的电流容量和它们降低的价格；

-能够使用具有高内阻的电池(例如，按钮类型的)，这是由于能够提供电流峰值的存储电容器；

-能够为独立于待恢复的环境能量的可用性的传感器单元保证最小操作时间；

-需要小数目的组件，这使得可以特别在实施成本方面实现增益。

用于管理电能的电路还可以包括用于阻止电流返回至第二生成部件的部件，以便保护第二生成部件，同时仍然允许电流在相反方向上通过。

当以上定义的单极晶体管是JFET晶体管时，在其栅极与其沟道之间的本征结形成用于阻止电流返回到电池的部件。本征结也使得可以在电源电平 V_DD较低时使用电池对存储电容器再充电。

在单极晶体管的栅极与源极之间布置的二极管也可以形成用于阻止电流返回至第二生成部件的部件。此二极管也使得可以在电源电平V_DD较低时使用电池对存储电容器再充电。

根据实施例，第二生成部件可以包括、或关联于用于例如以与电池串联的至少一个电阻器的形式，限制电池的放电电流的部件。

当单极晶体管是JFET晶体管时，可以提供用于例如以连接到晶体管的栅极的至少一个电阻器的形式，限制电流通过在JFET晶体管的栅极与沟道之间的本征结的部件。

根据实施例，电源设备还可以包括用于例如以至少一个二极管的形式限制电流返回至第一生成部件的部件。

根据电源设备的实施例，第一生成部件可以包括光伏模块。

本发明还提供了无线传感器单元，包括诸如以上定义的电源设备。

传感器单元可以像这样配备有待测量的至少一个物理量值的至少一个传感器、以及被提供用于进行无线通信(特别地，为了向外部设备发送与由传感器进行的测量有关的数据)的射频模块。

传感器单元也可以包括用于处理来自传感器的测量的(一个或多个)量值的测量数据并用于将此数据发送至RF模块的电路。

传感器电路可以有利地包括以下物理量值的传感器之中的一个或若干个传感器：湿度传感器、温度传感器、亮度传感器、气体传感器(特别是CO₂)。

本发明还涉及提供使用如上定义的电源设备的无线传感器单元的方法。

附图说明

在通过非限制示例而给出且在附图中所示的本发明的特定实施例的以下描述中，其它优点和特征将看起来更清楚，其中：

图1示出根据本发明的实施例实施的意在供应无线传感器的电源设备；

图2示出根据本发明的配备有包括N沟道JFET晶体管的用于管理电能的电路的电源设备的特定实施例；

图3示出根据本发明的实施例的能够由电源设备供给的电源电压的示例替代。

图4是根据本发明的替代电源设备，其配备有用于管理电能的电路，包括耗尽N型MOSFET晶体管；

图5示出根据本发明的电源设备的另一替代，其配备有用于管理电能的电路，包括P沟道JFET晶体管；

图6示出根据本发明的另一替代电源设备，其配备有用于管理电能的电路，包括P型耗尽型MOSFET晶体管。

具体实施方式

图1示出根据本发明的实施例的电源设备的图。

此电源设备具有供应包括一个或若干个传感器7并且可以配备有处理电路6和RF模块8的传感器单元5的功能。传感器单元5配置为建立与外部设备(未示出)的无线通信，并且与(一个或多个)传感器7进行的测量有关。

电源设备可以被提供用于以电流峰值(特别对应于当传感器单元5进行测量或与外部通信时的时刻)的形式供给对传感器单元5的电能供应。

电源设备包括第一生成部件12，其被适配为恢复在传感器单元5的环境中发现的称为“环境”的能量，并将此环境能转换为用于供应传感器单元5 的电能。恢复的环境能例如可以是热和/或机械、和/或机电能、和/或光能。根据特定实施例，用于恢复能量的第一生成部件12有利地是光伏模块。

在第一生成部件12的输出侧，可以提供整流块19。这样的块19也使得可以防止向第一生成部件12释放电流，特别是在第一生成部件12所产生的电能较低的情况下。此块19像这样可以包括具有例如0.3V的量值的低电压阈值V_F的二极管D1，诸如肖特基二极管或二极管桥(未示出)。此外，整流块19可以进一步配备有一个或若干个滤波电容器C₂。

第一生成部件12与用于存储电能的部件15关联，这里，该部件15由至少一个电容器15A形成，电容器15A所存储的能量用于供应传感器单元5。电容器15A有利地使得可以实现大量的充电和放电周期。使用的电容器15A 更优选地是低电流自放电电容器，例如，陶瓷型电容器。

控制存储电容器15A的充电和放电，使得向传感器单元5提供良好的电源电平V_DD，即，在高于一个限值或在预定阈值(特别是操作传感器单元5 所需的最小电压V _minC1)的电源电平V_DD。

此外，控制电源电平V_DD，使得保持小于限值或阈值(特别是根据由传感器单元5的组件支持的最大电压的预定最大电压V_MAXc1)。此外，提供最大电压V_MAXc1为足够低，使得可以限制电源设备的消耗。

在存在环境能量(这里为光能)的情况下，电源设备可以采用生成部件 12对电容器15A再充电的结构，而在不存在环境能量的情况下，电源设备能够采用使用备用电化学生成器13对电容器15A再充电的另一结构。

在根据本发明的电源设备中，使用包括电池13A的备用生成器，即，不可再充电电化学生成器，其使用寿命和电流容量大于相同技术的电池的使用寿命和电流容量。电池13A例如可以利用锂，即，利用锂阳极、或锂化合物，例如，具有约3V的供给电压和约80mAh的电荷容量的标记为CR2016的电池，或者例如标记为CR1220的电池。

提供对电容器15A的充电和放电以及传感器单元5的电源电平V_DD的控制，用于使用用于管理电能的电路。

在根据本发明的电源设备中，管理电路包括导电沟道类型的单极晶体管 14，当其栅极-源极电压V_GS为零时，其供给非零电流I_DS。这样的单极晶体管可以是JFET或耗尽型MOSFET类型的。

用于管理电能的电路的结构、特别是单极晶体管14的结构如下：使得该晶体管14A的栅极G与源极S之间的栅极-源极电压取决于由备用电化学生成器13供给的电压V_BAT与在电容器15A的端子处的电压V_DD之间的差异，并且其被施加到传感器单元5。在图1的实施例中，单极晶体管14的栅极连接至电池13A，同时其源极连接至存储电容器15A的端子。这样，晶体管14 供给的漏极-源极电流I_DS的电平由电容器15A的电荷电平与由不可再充电电化学生成器供给的电压之间的差来控制。

单极晶体管14也布置为使得具有其上被施加了由第一生成部件12产生的电能的漏极。晶体管14A的漏极D与源极S之间的漏极-源极电压取决于由第一生成部件12生成的电压与在电容器15A的端子处存储的能量之间的差。

像这样提供沟道为导电的且当其栅极-源极电压V_GS为零时供给非零电流 I_DS的单极晶体管14，以通过具体限制施加到传感器单元的电压V_DD的最大电平而控制电容器的端子处的此电压V_DD的变化。通过管理来自第一生成部件 12以及来自备用电化学生成器13的电能的相应供应，进行对电压V_DD的控制。

在图1所示的实施例中，单极晶体管是具有N掺杂沟道的JFET类型 (JFET是结型场效应晶体管)的晶体管14A。这种类型的晶体管具有如下优点：其在其栅极和其沟道中包括也称为“本征结”或“本征二极管”的结，其可用于将存储电容器15A再充电至电池13A。

在图2中示出电源设备的特定实施例，其中第一生成部件12包括光伏模块12A，并且，在部件的此模块的输出侧，例如以二极管D1的形式，以便阻止电流返回至光伏模块12A。

此示例与之前描述的示例的不同在于：这里使用在晶体管14A的栅极与源极之间的二极管D2形成用于阻止电流返回至电池13A的部件。二极管D2 可以是肖特基二极管，其具有如下优点：其具有例如0.3V的量值的低阈值电压V_F。此二极管使得可以通过低的电压降，将电流在单个方向上从电池传递至存储电容器。

在图2的特定实施例中，电源设备还包括用于例如以与电池13A串联的至少一个电阻器R1的形式，限制电池13A供给的电流的部件、以及用于例如以与JFET晶体管14A的栅极连接的至少一个电阻器R2的形式，限制JFET 晶体管14A的二极管或本征结中的电流的部件。

现在将给出此设备的操作模式。当光伏模块12A在存在足够照明的情况下，通过JFET晶体管14A对电容器15A再充电。

当电容器15A被强烈放电时，晶体管14A的栅极-源极电压V_GS使得晶体管14A导通，以便允许由电池对电容器再充电。

当电容器15A未被完全充电至其电压V_MAXC1时，晶体管14A的栅极-源极电压V_GS使得晶体管14A导通，以便允许由第一生成部件12对电容器再充电。

于是可以将电容器15A充电至最大电压V_DD＝V_MAXC1，且V_MAXC1＝V_BAT- V_GScutoff，其中V_BAT是由电池13A供给的电压，V_GScutoff(也标注为Vgsthreshold 或限制电压)是栅极-源极电压阈值，在超过该阈值的情况下，从晶体管的漏极流到源极的电流I_DS变为零，并且晶体管变为阻断，并且该阈值对于N掺杂沟道类型的JFET晶体管为负。

例如，对于具有供给的在2.5V与3.3V之间的电压V_BAT的CR2032型的电池13A、以及具有0.9V的电压V_GScutoff或Vgsthreshold的J/SST201型的晶体管14A，可存在3.3+0.9＝4.1V的量值的最大电压V_MAXC1。

当对电容器15A充电以使得其达到阈值V_DD＝V_MAXC1以便使得可以防止此最大电压V_MAXC1被超过时，晶体管14A阻断对电容器15A再充电的电流。用于管理电能的电路像这样防止在施加到传感器单元5的电源V_DD中产生过电压。

在不存在照明的情况下、或者当照明太低以至于光伏模块12A不能产生足以供应传感器单元5的电能时，当V_DD<V_BAT-V_F(V_F是二极管D2的阈值电压)时，通过二极管D2和电阻器R1而使用电池13A对电容器15A再充电。

将电阻器R1置于与电池13A串联，这限制电池13A的放电电流并使得可以防止损坏或缩短电池13A的使用寿命。在光伏模块12A的不具有照明或具有低照明的此操作模式中，晶体管14A保持导通，并且二极管D1使得可以保护光伏模块12A以防电流返回。

对于在电容器15A的端子处的电压使得V_DD<V_BAT-V_F(其中V_F是二极管D2和/或JFET晶体管14A的本征二极管的最小阈值电压)的情况，电阻器R2使得可以限制电流通过晶体管14A的本征二极管。

在由电池13A供给的电流小于晶体管14A的栅极的漏电流或残余电流 I_GSMAX(也标注为I_GSS)的情况下，可以使用存在于其栅极与其沟道之间的本征二极管以代替二极管D2，如图1中所示的示例中那样，其中电阻器R2于是也是可选的。

注意，二极管D2和/或JFET晶体管14A的本征二极管的反向电流I_GSS通常非常低，例如具有1nA的量值。电流I_GSS显示出用于管理能量的电路的仅静态消耗，其远小于基于齐纳二极管或具有LDO(针对于“低压差(low dropout)”)电压的线性调节器的解决方案的静态消耗。例如，将电压限制为 3.3V的齐纳二极管的反向漏电流可以具有5μA的量值，即，远高于1nA的电流I_GSS，并且甚至高于由特定无线传感器消耗的平均电流。

限制电源电压V_DD的最小电压值V_minC1可以通过以下关系表示：

V_minC1＝V_BAT-V_F-(R1+ESR_BAT)*I_{DD_MAX}

其中I_{DD_MAX}是传感器单元5所消耗的最大电流，ESR_BAT是电池的内阻， V_F是二极管D2的阈值电压，对于肖特基二极管，该阈值电压可以等于约 0.3V。

当电池13A是CR2032型的电池时，可以具有CR2032型的电池所供给的在2.5与3.0V之间的电压V_BAT、和例如具有15Ω的量值的ESR_BAT、以及例如具有13mA的量值的I_{DD_MAX}，并提供具有0Ω的量值的R1。这样，对于此类型的电池，最小电压值V_minC1例如可以具有2V的量值(V_minC1＝V_BATmin- V_F-(R1+ESR_BAT)*I_{DD_MAX}＝2.5V–0.3V–(15Ω)*13mA＝2V)。

图3示出在存在照明的情况下上述电源设备的输出处提供的电压V_DD的变化。传感器单元5在当其正在进行测量和/或无线电通信时的时刻消耗电流峰值(曲线C₁₀上的突变101)。在这些时刻之间(曲线C₁₀上的稳定部分103)，传感器单元处于待命状态。

在存在照明的情况下，光伏模块12A像这样直接将电容器15A再充电在保持小于限制或预定阈值V_MAXC1的电压，该预定阈值V_MAXC1取决于电池所供给的电压V_BAT和栅极-源极电压阈值V_GSthreshold，在超过该栅极-源极电压阈值V_GSthreshold的情况下，从晶体管的漏极流到源极的电流I_DS变为零，并且晶体管变为阻断。

在此特定实施例中，提供存储电容器15A的容量，以使得由传感器单元的测量周期和/或无线电通信引起的电流峰值不会将电容器放电多于ΔV＝ V_MAXC1-V_BAT。通过此优化，可以限制电池13的损耗，在存在足够的待恢复能量的情况下，不消耗该电池13的电能。

上述示例的替代实施例(图4)提供用另一类型的单极晶体管(特别是耗尽型MOSFET晶体管14B，并且当栅极-源极电压V_GS为零时其也是导体) 取代N沟道JFET晶体管JFET。

用于管理电源设备的电能的电路的示例实施例配备有N类型单极晶体管。

图5 中所示的替代实施例提供在用于管理电能的电路中用P沟道JFET 晶体管取代N沟道JFET晶体管。

图6 中所示的另一替代实施例提供用具有N掺杂沟道的JFET MOSFET 耗尽型晶体管取代MOSFET耗尽型晶体管和N沟道类型。

上述电源设备的示例中的一个或另一个提供的传感器单元5包括配备有一个或若干个传感器7的模块，该传感器7被配置为检测一个或若干个待测量的物理量值，例如，温度、压力、湿度、亮度。

此模块还可以包括例如可以被适配为检测和测量CO₂的气体传感器、和/ 或运动传感器。

连接至一个或多个传感器7的处理电路6使得可以处理待测量的量值的测量数据，然后其可以被通信模块8转换为射频信号，并经由无线连接而传递至外部设备。

Claims

1.用于向无线传感器单元(5)供给电源的电源设备，所述电源设备包括：

生成电能的第一生成部件(12)，被配置为恢复传感器单元(5)的环境中的环境能，并根据所恢复的环境能而产生电能，

生成电能的第二生成部件(13)，包括电池(13A)，以便供给备用电能，

包括电容器(15A)的用于存储电能的存储部件(15)，被布置为使得接收来自所述第一生成部件(12)和/或来自所述第二生成部件(13)的电能，并向传感器单元(5)施加给定电源电平(V_DD)，

用于管理电能的电路，被配置为将所述给定电源电平(V_DD)限制在下限(V_minC1)与上限(V_MAXC1)之间，

所述电路包括单极晶体管(14A、14B、14C、14D)，并且当其栅极-源极电压(V_GS)为零时具有传导沟道，其中与所述第一生成部件(12)、所述第二生成部件(13)和所述存储部件(15)有关地布置所述单极晶体管，使得所述栅极-源极电压取决于所述第二生成部件所供给的电能与所述给定电源电平(V_DD)之间的差异。

2.如权利要求1所述的设备，所述单极晶体管是JFET晶体管(14A、14C)。

3.如权利要求1所述的设备，其中所述单极晶体管是MOSFET耗尽型晶体管(14B、14D)。

4.如权利要求1所述的设备，还包括用于使用所述第二生成部件(13)对所述存储部件(15)再充电、同时仍然防止电流返回至所述第二生成部件(13)的部件(D’int、D2)。

5.如权利要求4所述的设备，其中所述单极晶体管是JFET晶体管，其在其栅极与其沟道之间包括本征结，其中所述用于使用所述第二生成部件(13)对所述存储部件(15)再充电、同时仍然防止电流返回至所述第二生成部件(13)的部件(D’int、D2)包括所述本征结(D’int)。

6.如权利要求4所述的设备，其中所述用于使用所述第二生成部件(13)对所述存储部件(15)再充电、同时仍然防止电流返回至所述第二生成部件(13)的部件(D’int、D2)在所述单极晶体管的栅极与源极之间包括一个二极管(D2)。

7.如权利要求1所述的设备，其中所述第二生成部件(13)包括用于限制所述电池(13A)的放电电流的部件(R1)。

8.如权利要求1所述的设备，其中所述单极晶体管是JFET晶体管(14A、14C)，还包括用于限制通过JFET晶体管的栅极与沟道之间的本征结(D’int)的电流的部件(R2)。

9.如权利要求1所述的设备，还包括用于阻止电流返回至所述第一生成部件(12)的部件(D1)。

10.如权利要求1所述的设备，其中所述第一生成部件(12)包括光伏模块(12A)。

11.传感器单元(5)，包括：

具有至少一个待测量的物理量值的至少一个传感器(7)，

处理电路(6)，连接至所述传感器，以便处理具有待测量的物理量值的测量数据，以及

用于无线通信的射频模块(8)，

根据权利要求1-10中任一项所述的一个电源设备。

12.如权利要求11所述的传感器单元，包括来自以下物理量值传感器之中的至少一个传感器：湿度传感器、温度传感器、亮度传感器、气体传感器。

13.如权利要求12所述的传感器单元，其中所述气体传感器包括CO₂传感器。

14.向无线传感器单元(5)供电的方法，其中所述方法包括使用根据权利要求1至10中任一项所述的电源设备。