CN105162335A - 一种覆盖宽输入功率范围的高效率整流电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种覆盖宽输入功率范围的高效率整流电路。该整流电路由一个威尔金森功率分配器、第一子整流电路和第二子整流电路组成；威尔金森功率分配器功率比为一比二，为第一子整流电路和第二子整流电路提供不同的输入功率；第一子整流电路和第二子整流电路分别在不同的输入功率情况下，获得最佳整流效率；通过一个威尔金森功率分配器把第一子整流电路和第二子整流电路合并起来，整个整流电路具有两个功率转换效率的峰值，进而使整个整流电路在更宽的输入功率范围内获得高整流效率；不仅如此，在相同输入功率情况下，该整流电路具有和单个子整流电路几乎相同或者更高的效率的特点。

Description

一种覆盖宽输入功率范围的高效率整流电路

技术领域

本发明涉及一种高效率整流电路,特别涉及可应用于无线能量传输系统后端的覆盖宽输入功率范围的高效率整流电路。

背景技术

最近几年，使用电池供电的电子设备，例如无线传感器等发展神速，取得巨大的成功。但是，传统电池需要有线充电的特点使得它们在应用上受到限制。无限能量传输系统的出现使得这些移动电子设备更加有效，可靠和易用。

对于无限能量传输系统来说，整流器是其中重要的一环。它具备提高射频能量到直流能量的转换效率的特点。其中，整流器的实现形式有很多种类，如采用串联二极管构成整流电路的结构，利用并联二极管构成整流电路，桥式整流电路，还有的利用倍压整流二极管。在文献《V.Marian,C.Vollaire,J.Verdier,andB.Allard,“Potentialsofanadaptiverectennacircuit,”IEEEAntennasWirelessPropag.Lett.,vol.10,pp.1393–1396,2011》中提到大部分整流器在获得最大的射频到直流的转换效率时，其输入功率范围比较窄。这表明在其他的输入功率下，转换效率会下降非常快。这样，由传输距离改变引起的输入功率的变化就会无线充电的应用受到一定程度的限制。它不仅仅降低了稳定性，同时也减缓了充电速度。所以，在文献《V.Marian,C.Vollaire,J.Verdier,andB.Allard,“Potentialsofanadaptiverectennacircuit,”IEEEAntennasWirelessPropag.Lett.,vol.10,pp.1393–1396,2011.》和《Cheng-JyunLiandTai-ChengLee,“2.4-GHzHigh-EfficiencyAdaptivePowerHarvester,”IEEETrans.VeryLargeScaleIntegr.(VLSI)Syst.,vol.22,no.2,pp.434–438,2014.》中均介绍了具有宽输入功率范围特点的自适应整流器来获取射频能量。但是其介绍的电路不仅加入开关元件还需要检测电路的辅助，这些都使得整体电路变的复杂。本发明提出一种覆盖宽输入功率范围的高效率整流电路。该整流电路由不均匀功率分配器和两个在不同的输入功率下获得高效率的子整流电路构成。所以，整个整流电路具有两个功率转换效率的峰值，进而拓展整个整流电路高效率的覆盖范围。不仅如此，在相同输入功率情况下，该整流电路具有和单个子整流电路几乎相同或者更高的效率的特点。

发明内容

本发明的目的本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提出了一种覆盖宽输入功率范围的高效率整流电路。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

一种覆盖宽输入功率范围的高效率整流电路，包括上层微带结构、加载电容、加载二极管、加载电阻、中间介质基板和底层金属地板，上层微带结构附着在中间介质基板的上表面，中间介质基板下表面为底层金属地板。其特征在于：所述的上层微带由一个威尔金森功率分配器、第一子整流电路和第二子整流电路组成；威尔金森功率分配器功率比为一比二，为第一子整流电路和第二子整流电路提供不同的输入功率，第一子整流电路在较低输入功率，即输入功率为5毫瓦到15毫瓦时，达到最佳整流效率，而第二子整流电路在较高输入功率，即输入功率为18毫瓦到35毫瓦时，达到最佳整流效率；通过一个威尔金森功率分配器把第一子整流电路和第二子整流电路合并起来，整个整流电路具有两个功率转换效率的峰值，进而使整个整流电路在更宽的输入功率范围内获得高整流效率。

本发明的第一子整流电路和第二子整流电路分别在不同的输入功率情况下获得最佳整流效率，通过一个威尔金森功率分配器把第一子整流电路和第二子整流电路合并起来，按一比二的比例为第一子整流电路和第二子整流电路提供不同的输入功率，使整个整流电路具有两个整流效率的峰值，进而使整个整流电路在更宽的输入功率范围内获得高整流效率；不仅如此，在相同输入功率情况下，该整流电路具有和单个子整流电路几乎相同或者更高的效率的特点。

进一步优化实施地，所述上层结构包括一个功率分配器、第一子整流电路和第二子整流电路；其中威尔金森功率分配器从输入端口下端分为第一路径和第二路径，第一路径为第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线、第六微带线依次连接构成的微带线；第二路径为第七微带线、第八微带线、第九微带线、第十微带线、第十一微带线、第十二微带线依次连接构成的微带线，第四微带线上端和第十微带线上端跨接着第一电阻；第一子整流电路的主传输路径为第一电容、第十四微带线、第一二极管、第十五微带线、第二电阻、第十六微带线依次连接构成，第十四微带线的中间加载第十七微带线，第十八微带线的右端连在第十五微带线上端八分之一处，左端连接着第二电容，第二电容左端连接第十九微带线，第十五微带线的上方五分之二、五分之三、五分之四处依次加载第二十微带线、第二十一微带线第二十二微带线；第二子整流电路的主传输路径为第三电容、第二十四微带线、第一二极管、第二十五微带线、第三电阻、第二十六微带线依次连接构成，第二十四微带线的中间加载第二十七微带线，第二十八微带线的左端连在第二十五微带线上端八分之一处，右端连接着第三电容，第三电容右端连接第二十九微带线，第二十五微带线的上方五分之二、五分之三、五分之四处依次加载第三十微带线、第三十一微带线和第三十二微带线；威尔金森功率分配器中第十二微带线的下端通过第十三微带线与第一子整流电路上端的第一电容连接；威尔金森功率分配器中第六微带线的下端通过第二十三微带线与第二子整流电路上端的第三电容连接。

进一步优化实施地，第一子整流电路中第十七微带线为短路枝节线，其长度为小于电路工作频率对应波长的四分之一波长，等效为电感，与第一电容通过第十四微带线并联，形成电容电感型匹配网络，使第一子整流电路获得最大的输入功率，第十九微带线为短路枝节线，第十六微带线为短路枝节线；第二子整流电路中第三十七微带线为短路枝节线，其长度为小于电路工作频率对应波长的四分之一波长，等效为电感，与第三电容通过第二十四微带线并联，形成电容电感型匹配网络，第二十九微带线为短路枝节线，第二十六微带线为短路枝节线，使第二子整流电路获得最大的输入功率。

进一步优化实施地，第一子整流电路中的第十九微带线、第二电容、第十八微带线和第一二极管，在第一子整流电路输入功率范围内，起到将交流信号转换为直流信号的作用；第二子整流电路中的第二十八微带线、第四电容、第二十九微带线和第二二极管，在第二子整流电路输入功率范围内，起到将交流信号转换为直流信号的作用。

进一步优化实施地，第一子整流电路中第二十微带线长度为电路工作频率对应波长的四分之一波长，用于抑制基波频率的第二次谐波；第二十一微带长度为电路工作频率对应波长的八分之一波长，用于抑制基波频率的第三次谐波；第二十二微带长度为电路工作频率对应波长的十六分之一波长，用于抑制基波频率的第四次谐波；第二子整流电路中第三十微带线、第三十一微带、第三十二微带长度和功能与第一子整流电路中第二十微带线、第二十一微带线、第二十二微带线一致。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

（1）本发明通过一个威尔金森功率分配器把两个子整流电路合并起来，整个整流电路具有两个功率转换效率的峰值，进而使整个整流电路在更宽的输入功率范围内获得高整流效率。

（2）在相同输入功率情况下，该整流电路具有和单个子整流电路几乎相同或者更高的效率。

附图说明

图1是本发明一种覆盖宽输入功率范围的高效率整流电路的结构图。

图2是本发明一种覆盖宽输入功率范围的高效率整流电路的尺寸标注图。

图3是不同输入功率下第一子整流电路和第二子整流电路单独的整流效率的仿真结果。

图4是不同输入功率下第一子整流电路的回波损耗和整流效率的仿真结果。

图5是不同输入功率下第二子整流电路的回波损耗和整流效率的仿真结果。

图6是不同输入功率下整个整流电路的回波损耗的仿真结果。

图7是不同输入功率下整个整流电路的整流效率的仿真结果。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，一种覆盖宽输入功率范围的高效率整流电路，包括上层微带结构、加载电容、加载二极管、加载电阻、中间介质基板和底层金属地板，上层微带结构附着在中间介质基板的上表面，中间介质基板下表面为底层金属地板。其特征在于：所述的上层微带由一个威尔金森功率分配器、第一子整流电路和第二子整流电路组成；威尔金森功率分配器功率比为一比二，为第一子整流电路和第二子整流电路提供不同的输入功率，第一子整流电路在较低输入功率，即输入功率为5毫瓦到15毫瓦时，达到最佳整流效率，而第二子整流电路在较高输入功率，即输入功率为18毫瓦到35毫瓦时，达到最佳整流效率；通过一个威尔金森功率分配器把第一子整流电路和第二子整流电路合并起来，整个整流电路具有两个功率转换效率的峰值，进而使整个整流电路在更宽的输入功率范围内获得高整流效率。

上述的一种覆盖宽输入功率范围的高效率整流电路，其特征在于：所述上层结构包括一个功率分配器、第一子整流电路和第二子整流电路；其中威尔金森功率分配器1从输入端口I/P下端分为第一路径和第二路径，第一路径为第一微带线4、第二微带线5、第三微带线6、第四微带线7、第五微带线8、第六微带线9依次连接构成的微带线；第二路径为第七微带线10、第八微带线11、第九微带线12、第十微带线13、第十一微带线14、第十二微带线15依次连接构成的微带线，第四微带线7上端和第十微带线13上端跨接着第一电阻36；第一子整流电路2的主传输路径为第一电容37、第十四微带线17、第一二极管38、第十五微带线18、第二电阻40、第十六微带线19依次连接构成，第十四微带线17的中间加载第十七微带线20，第十八微带线21的右端连在第十五微带线18上端八分之一处，左端连接着第二电容39，第二电容39左端连接第十九微带线22，第十五微带线18的上方五分之二、五分之三、五分之四处依次加载第二十微带线23、第二十一微带线24第二十二微带线25；第二子整流电路3的主传输路径为第三电容41、第二十四微带线27、第一二极管42、第二十五微带线28、第三电阻44、第二十六微带线29依次连接构成，第二十四微带线27的中间加载第二十七微带线30，第二十八微带线31的左端连在第二十五微带线28上端八分之一处，右端连接着第三电容43，第三电容43右端连接第二十九微带线32，第二十五微带线28的上方五分之二、五分之三、五分之四处依次加载第三十微带线33、第三十一微带线34和第三十二微带线35；威尔金森功率分配器1中第十二微带线15的下端通过第十三微带线16与第一子整流电路2上端的第一电容37连接；威尔金森功率分配器1中第六微带线9的下端通过第二十三微带线26与第二子整流电路3上端的第三电容41连接。

上述的一种覆盖宽输入功率范围的高效率整流电路，其特征在于：第一子整流电路2中第十七微带线20为短路枝节线，其长度为小于电路工作频率对应波长的四分之一波长，等效为电感，与第一电容37通过第十四微带线17并联，形成电容电感型匹配网络，使第一子整流电路2获得最大的输入功率，第十九微带线22为短路枝节线，第十六微带线19为短路枝节线；第二子整流电路3中第三十七微带线30为短路枝节线，其长度为小于电路工作频率对应波长的四分之一波长，等效为电感，与第三电容41通过第二十四微带线27并联，形成电容电感型匹配网络，第二十九微带线32为短路枝节线，第二十六微带线29为短路枝节线，使第二子整流电路3获得最大的输入功率。

上述的一种覆盖宽输入功率范围的高效率整流电路，其特征在于：第一子整流电路2中的第十九微带线22、第二电容39、第十八微带线21和第一二极管38，在第一子整流电路2输入功率范围内，起到将交流信号转换为直流信号的作用；第二子整流电路3中的第二十八微带线31、第四电容43、第二十九微带线32和第二二极管42，在第二子整流电路3输入功率范围内，起到将交流信号转换为直流信号的作用。

上述的一种覆盖宽输入功率范围的高效率整流电路，其特征在于：第一子整流电路2中第二十微带线(23)长度为电路工作频率对应波长的四分之一波长，用于抑制基波频率的第二次谐波；第二十一微带24长度为电路工作频率对应波长的八分之一波长，用于抑制基波频率的第三次谐波；第二十二微带25长度为电路工作频率对应波长的十六分之一波长，用于抑制基波频率的第四次谐波；第二子整流电路3中第三十微带线(33)、第三十一微带34、第三十二微带35长度和功能与第一子整流电路2中第二十微带线(23)、第二十一微带线(24)、第二十二微带线(25)一致。

实施例

仅仅为本发明的一个实例，具体电路尺寸选择如下：第四微带线的长=19.98mm，宽=2.09mm；第五微带线的长=15.97mm，宽=2.09mm；第六微带线的长=17.21mm，宽=2.09mm；第七微带线的长=16.26mm，宽=2.74mm；第八微带线的长=28.76mm，宽=2.74mm；第九微带线的长=18mm，宽=2.74mm；第十微带线的长=20.15mm，宽=0.52mm；第十一微带线的长=15.97mm，宽=0.52mm；第十二微带线的长=18.81mm，宽=0.52mm；第十三微带线的长=16.26mm，宽=1.6mm；第十四微带线的长=22.4mm，宽=1.6mm；第十五微带线的长=18mm，宽=1.6mm；第十六微带线的长=10mm，宽=2.12mm；第十七微带线的长=8.92mm，宽=2.12mm；第十八微带线的长=35.32mm，宽=2.12mm；第十九微带线的长=3.1mm，宽=2.12mm；第二十微带线的长=37.8mm，宽=2.12mm；第二十一微带线的长=3mm，宽=2.12mm；第二十二微带线的长=3.1mm，宽=2.12mm；第二十三微带线的长=55.9mm，宽=3.5mm；第二十四微带线的长=28.2mm，宽=3.4mm；第二十五微带线的长=14.3mm，宽=3.3mm；第二十六微带线的长=10mm，宽=2.12mm；第二十七微带线的长=8.92mm，宽=2.12mm；第二十八微带线的长=35.32mm，宽=2.12mm；第二十九微带线的长=3.1mm，宽=2.12mm；第三十微带线的长=36.8mm，宽=2.12mm；第三十一微带线的长=3mm，宽=2.12mm；第三十二微带线的长=3.1mm，宽=2.12mm；第三十三微带线的长=55.9mm，宽=3.5mm；第三十四微带线的长=28.2mm，宽=3.4mm；第三十五微带线的长=14.3mm，宽=3.3mm；第一电容=1pF，第三电容=1.5pF，第二电容=100pF，第四电容=100pF；第一电阻=100Ω，第二电阻=300Ω，第三电阻=1000Ω。本实例中选择二极管的是安华高公司的HSMS-2860-BLKG,所用的介质基板为F4B。电路整体尺寸为126.64mm×173.39mm。

如图2所示是不同输入功率下第一子整流电路和第二子整流电路单独的整流效率的仿真结果，可以看到第一子整流电路和第二子整流电路在不同输入功率时获得最佳转换效率。

图3是不同输入功率下第一子整流电路的回波损耗和整流效率的仿真结果,可知，在输入功率为11毫瓦时，电路的回拨损耗达到20dB，转换效率达到最高的79%。

图4是不同输入功率下第二子整流电路的回波损耗和整流效率的仿真结果，可知，输入功率为31毫瓦时，电路的回拨损耗达到24dB，转换效率达到最高的78%。

图5是不同输入功率下整个整流电路的回波损耗的仿真结果，可知电路在输入功率为3毫瓦到80毫瓦时，回拨损耗均可以达到10dB以上，证明了整体电路在所需工作范围内匹配性比较好，保证了绝大部分能量都能够进入到整流电路被转换成直流信号。

图6是不同输入功率下整个整流电路的整流效率的仿真结果，从图中可知，本设计在输入功率为4毫瓦到60毫瓦范围内的转换效率达到60%以上，对比整流电路二在超过60%转换效率的输入功率为3.5毫瓦到46毫瓦，可以看出本设计实现了较宽的输入功率范围，在输入功率为30毫瓦时候，本设计的转换效率为77%，而当输入功率为47毫瓦时候转换效率为73%，证明了在47毫瓦时主要是整流电路二进行整流。

图7是不同输入功率下整个整流电路的整流效率的测试结果，仿真结果显示整体电路在输入功率为4毫瓦到60毫瓦范围内转换效率达到60%以上，而实验结果显示在输入功率为3.5毫瓦到58毫瓦范围内转换效率达到60%以上，实验结果证明了本发明的正确性。

Claims (5)

1.一种覆盖宽输入功率范围的高效率整流电路，包括上层微带结构、加载电容、加载二极管、加载电阻、中间介质基板和底层金属地板，上层微带结构附着在中间介质基板的上表面，中间介质基板下表面为底层金属地板;其特征在于：所述的上层微带由一个威尔金森功率分配器、第一子整流电路和第二子整流电路组成；威尔金森功率分配器功率比为一比二，为第一子整流电路和第二子整流电路提供不同的输入功率，第一子整流电路在较低输入功率，即输入功率为5毫瓦到15毫瓦时，达到最佳整流效率，而第二子整流电路在较高输入功率，即输入功率为18毫瓦到35毫瓦时，达到最佳整流效率。

2.根据权利要求1所述的一种覆盖宽输入功率范围的高效率整流电路，其特征在于：所述上层结构包括一个功率分配器、第一子整流电路和第二子整流电路；其中威尔金森功率分配器（1）从输入端口（I/P）下端分为第一路径和第二路径，第一路径为第一微带线（4）、第二微带线（5）、第三微带线（6）、第四微带线（7）、第五微带线（8）、第六微带线（9）依次连接构成的微带线；第二路径为第七微带线（10）、第八微带线（11）、第九微带线（12）、第十微带线（13）、第十一微带线（14）、第十二微带线（15）依次连接构成的微带线，第四微带线（7）上端和第十微带线（13）上端跨接着第一电阻（36）；第一子整流电路（2）的主传输路径为第一电容（37）、第十四微带线（17）、第一二极管（38）、第十五微带线（18）、第二电阻（40）、第十六微带线（19）依次连接构成，第十四微带线（17）的中间加载第十七微带线（20），第十八微带线（21）的右端连在第十五微带线（18）上端八分之一处，左端连接着第二电容（39），第二电容（39）左端连接第十九微带线（22），第十五微带线（18）的上方五分之二、五分之三、五分之四处依次加载第二十微带线（23）、第二十一微带线（24）第二十二微带线（25）；第二子整流电路（3）的主传输路径为第三电容（41）、第二十四微带线（27）、第一二极管（42）、第二十五微带线（28）、第三电阻（44）、第二十六微带线（29）依次连接构成，第二十四微带线（27）的中间加载第二十七微带线（30），第二十八微带线（31）的左端连在第二十五微带线（28）上端八分之一处，右端连接着第三电容（43），第三电容（43）右端连接第二十九微带线（32），第二十五微带线（28）的上方五分之二、五分之三、五分之四处依次加载第三十微带线（33）、第三十一微带线（34）和第三十二微带线（35）；威尔金森功率分配器（1）中第十二微带线（15）的下端通过第十三微带线（16）与第一子整流电路（2）上端的第一电容（37）连接；威尔金森功率分配器（1）中第六微带线（9）的下端通过第二十三微带线（26）与第二子整流电路（3）上端的第三电容（41）连接。

3.根据权利要求1所述的一种覆盖宽输入功率范围的高效率整流电路，其特征在于：第一子整流电路（2）中第十七微带线（20）为短路枝节线，其长度为小于电路工作频率对应波长的四分之一波长，等效为电感，与第一电容（37）通过第十四微带线（17）并联，形成电容电感型匹配网络，使第一子整流电路（2）获得最大的输入功率，第十九微带线（22）为短路枝节线，第十六微带线（19）为短路枝节线；第二子整流电路（3）中第三十七微带线（30）为短路枝节线，其长度为小于电路工作频率对应波长的四分之一波长，等效为电感，与第三电容（41）通过第二十四微带线（27）并联，形成电容电感型匹配网络，第二十九微带线（32）为短路枝节线，第二十六微带线（29）为短路枝节线，使第二子整流电路（3）获得最大的输入功率。

4.根据权利要求1所述的一种覆盖宽输入功率范围的高效率整流电路，其特征在于：第一子整流电路（2）中的第十九微带线（22）、第二电容（39）、第18微带线（21）和第一二极管（38），在第一子整流电路（2）输入功率范围内，起到将交流信号转换为直流信号的作用；第二子整流电路（3）中的第二十八微带线（31）、第四电容（43）、第二十九微带线（32）和第二二极管（42），在第二子整流电路（3）输入功率范围内，起到将交流信号转换为直流信号的作用。

5.根据权利要求1所述的一种覆盖宽输入功率范围的高效率整流电路，其特征在于：第一子整流电路（2）中第二十微带线(23)长度为电路工作频率对应波长的四分之一波长，用于抑制基波频率的第二次谐波；第二十一微带（24）长度为电路工作频率对应波长的八分之一波长，用于抑制基波频率的第三次谐波；第二十二微带（25）长度为电路工作频率对应波长的十六分之一波长，用于抑制基波频率的第四次谐波；第二子整流电路（3）中第三十微带线(33)、第三十一微带（34）、第三十二微带（35）长度和功能与第一子整流电路（2）中第二十微带线(23)、第二十一微带线(24)、第二十二微带线(25)一致。