CN105826994B - 一种基于动态阻抗匹配技术的射频能量采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于集成电路设计技术领域，具体为一种基于动态阻抗匹配技术的射频能量采集系统。本发明系统是在现有射频能量采集系统的基础上增加可配置匹配网络模块、整流器输出电压检测模块、充电电流检测模块和匹配网络配置位产生模块组成，其中匹配网络配置位产生模块用于切换电压采样和电流采样两种工作模式，并根据所采样得到的电压和电流值确定匹配网络的调整方式。本发明通过在能量采集过程中实时监测谐振腔的匹配状况并进行电路等效阻抗的调节，使谐振腔始终处于理想的匹配状态，从而在较大的输入频带和入射能量范围内实现较高效率的射频能量采集。
Description
技术领域
本发明属于集成电路设计技术领域，具体涉及射频能量采集和电源管理的系统。
背景技术
随着后摩尔时代的到来，集成电路的应用领域日益向分布式电路与系统方向拓展。新兴的可穿戴电子、物联网传感节点、商用小型医疗电子设备等，在近年来得到了飞速发展。这些新型应用大多具有体积小、能耗低、数量庞大等特点。对于具有此类特点的电子设备，由于分布较为分散且移动设备数量居多，采用电池供电成为首选的供电方案。然而由于这些应用体积较小，可选的电池容量收到限制（否则电池将占据这类应用的大部分体积，严重影响用户体验）。因此，一种有效的解决方案为：使用能量采集技术并辅以小容量可充电电池供电。具体而言，这些应用可以使用能量采集技术获取环境中的能量（如太阳能、热能、电磁能等）为电子设备供电，并把收集到的多余的能量存储在可充电电池中；当环境中的能量较为微弱而不足以支持电子设备使用时，电池作为备用能源参与供电。这种方案具有使用简便、电池的使用周期长、绿色环保等诸多优点。
射频能量采集技术是实现该方案的重要手段之一。该技术将环境中的电磁波进行接收并整流为直流能量为负载提供电源或为可充电电池充电。现有的射频能量采集系统如图1所示，由能量接收天线（1）、整流器（2）、电路负载（3）和充电电路（4）可充电电池（5）构成。接收天线通常为感性，而整流器的等效负载通常为容性，因此接收天线和整流器在有效的电磁频段内构成并联谐振，获取较大的能量。为获得较高的能量接受效率，该谐振腔通常具有较高的品质因数。就能量采集而言，这同时带来一个负面效应，即较窄的有效频带范围。另外，由于在不同的入射能量下整流器的等效负载（主要为电容）会发生较大的变化，因此当入射能量发生改变时，该谐振腔也可能发生失配。综上所述，经典的射频能量采集系统通常只能针对特定的频带和有限的入射能量范围。在这些范围之外，能量采集的效率急剧降低从而难以实现采集效果。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于动态阻抗匹配技术的射频能量采集系统，通过在能量采集过程中实时监测谐振腔的匹配状况并进行电路等效阻抗的调节，使谐振腔始终处于理想的匹配状态，从而在较大的输入频带和入射能量范围内实现较高效率的射频能量采集。
本发明提出的基于动态阻抗匹配技术的射频能量采集系统，结构框图如图2所示。它至少包括：能量接收天线（1）、整流器（2）、电路负载（3）、充电电路（4）、可充电电池（5）、整流器输出电压检测模块（6）、电池充电电流检测模块（7）、可配置匹配网络模块（8）和匹配网络配置位产生模块（9）等部分。即在现有如图1所示的射频能量采集系统中，在接收天线（1）、整流器（2）之间增加了可配置匹配网络模块（8），在整流器（2）之后增加了整流器输出电压检测模块（6），充电电路（4）之后增加了电池充电电流检测模块（7），整流器输出电压检测模块（6）和电池充电电流检测模块（7）之间设置了匹配网络配置位产生模块（9），在匹配网络配置位产生模块（9）与可配置匹配网络模块（8）连接；本发明的核心部分为增加的可配置匹配网络8、整流器输出电压检测模块6、充电电流检测模块7和匹配网络配置位产生模块9。其中整流器输出电压检测模块（6）用于采样整流器的输出电压，电池充电电流检测模块（7）用于采样充电电流，匹配网络配置位产生模块（9）用于切换电压采样模式和电流采样模式，并相应地根据整流器输出电压检测模块（6）和电池充电电流检测模块（7）所采样得到的电压和电流值，确定匹配网络的调整方式并为可配置匹配网络（8）提供配置位。
本发明所提出的基于动态阻抗匹配技术的射频能量采集系统，包括电压采样模式和电流采样模式两种工作模式。在电压采样模式下，本发明所提出的系统在一个采样周期内至少包括以下步骤：
1.整流器输出电压检测模块（6）采样当前时刻的整流器输出电压值；
2.匹配网络配置位产生模块（9）存储当前时刻的电压采样值至下一周期；
3.匹配网络配置位产生模块（9）将当前时刻的电压采样值与前一周期的电压采样值进行比较并得出比较结果；
4.匹配网络配置位产生模块（9）根据比较结果判定前一周期的该模块对匹配网络调整方向（增大或减小配置位）是否正确，如比较结果为当前时刻的电压采样值高于前一周期的电压采样值则判定结果为正确；
5.匹配网络配置位产生模块（9）根据判定结果确定本周期对可配置匹配网络（8）的调整方向（增大或减小配置位），如判定结果为正确则保持前一周期的调整方向，如判定结果不为正确则将调整方向反向；
6.根据本周期的调整方向给出本周期对可配置匹配网络（8）的配置位；
7.调整后的可配置匹配网络（8）改变天线（1）和整流器（2）的匹配状况，并使整流器（2）产生新的输出电压；不断循环以上步骤可使得天线（1）和整流器（2）始终保持在理想的匹配状况，并使得整流器（2）的输出电压保持最大。
在电流采样模式下，本发明所提出的动态阻抗匹配系统在一个采样周期内至少包括以下步骤：
1.电池充电电流检测模块（7）采样当前时刻的电池充电电流并转换为电压值；
2.匹配网络配置位产生模块（9）存储当前时刻的转换电压值至下一周期；
3.匹配网络配置位产生模块（9）将当前时刻的转换电压值与前一周期的转换电压值进行比较并得出比较结果；
4.匹配网络配置位产生模块（9）根据比较结果判定前一周期的该模块对匹配网络调整方向（增大或减小配置位）是否正确，如比较结果为当前时刻的转换电压值高于前一周期的转换电压值则判定结果为正确；
5.匹配网络配置位产生模块（9）根据判定结果确定本周期对可配置匹配网络（8）的调整方向（增大或减小配置位），如判定结果为正确则保持前一周期的调整方向，如判定结果不为正确则将调整方向反向；
6.根据本周期的调整方向给出本周期对可配置匹配网络（8）的配置位；
7.调整后的可配置匹配网络（8）改变天线（1）和整流器（2）的匹配状况，并使整流器（2）对可充电电池（5）输出新的充电电流；不断循环以上步骤可使得天线（1）和整流器（2）始终保持在理想的匹配状况，并使得整流器（2）对可充电电池（5）的充电电流保持最大。
附图说明
图1 是射频能量采集系统示意图。
图2 是本发明的基于阻抗匹配技术的射频能量采集系统结构框图。
图3 是本发明的基于阻抗匹配技术的射频能量采集系统具体电路图。
图4 是匹配网络配置位产生模块（9）中的模式切换和判决逻辑（14）的具体电路图。
具体实施方式
下面通过一个具体实施例进一步详细描述本发明。
图3给出了一个采用本发明提出的基于动态阻抗匹配技术的完整的射频能量采集系统。其中，可配置匹配网络（8）由二进制编码的可变电容阵列构成，其电容大小可由m位二进制信号D0~Dm控制。整流器（2）输出电压为Vrec。整流器输出电压检测模块（6）简化为一根导线（13），直接将电压Vrec传输到匹配网络配置位产生模块（9）。电池充电电路（4）由一个比较器（16）和一个功率晶体管（10）构成。当Vrec高于电池（5）电压时，比较器（16）调节功率晶体管（10）栅端电压使之开启，整流器（2）对电池（5）进行充电；当Vrec低于电池（5）电压时，功率晶体管（10）关闭，防止电池漏电。电池充电电流检测模块（7）由功率晶体管（10）、个镜像晶体管（11）、采样电阻（12）和运算放大器（17）电路连接组成；电池充电电流检测模块（7）与充电电路（4）共享功率晶体管（10），并通过镜像晶体管（11）复制通过功率晶体管（10）的部分电流；该电流在采样时间内在采样电阻（12）上产生表征充电电流大小的转换电压Vsample，完成对充电电流的采样，Ss信号为采样时钟；运算放大器（17）用于对功率晶体管（10）和镜像晶体管（11）的漏端进行钳位，确保充电电流被精确复制。匹配网络配置位产生模块（9）由一个模式切换和判决逻辑（14）和一个m位计数器（15）构成；模式切换和判决逻辑（14）根据转换电压Vsample的大小确定该能量采集系统的工作模式。如Vsample低于系统预设的电压阈值，则说明Vrec尚未达到电池电压或Vrec虽然达到电池电压但充电电流微弱，此时模式切换和判决逻辑（14）将系统切换到电压采样模式。在该模式下，模式切换和判决逻辑（14）根据当前时刻采样得到的Vrec值和前一周期存储的Vrec值给出本周期的判决电平DEC。反 之，如Vsample高于电压阈值，则说明该能量采集系统在支持本身的电路负载（3）外还有较多富余的能量为电池（5）充电，此时模式切换和判决逻辑（14）将系统切换到电流采样模式。在该模式下，模式切换和判决逻辑（14）根据当前时刻采样得到的Vsample值和前一周期存储的Vsample值给出本周期的判决电平DEC。判决电平DEC是一个二进制信号，当该信号为高电平时，计数器（15）将m位二进制数[Dm:D0]加1，当该信号为低电平时，计数器（15）将m位二进制数[Dm:D0]减1。所得的二进制数[Dm:D0]作为本周期的匹配网络配置位反馈到可配置匹配网络（8）。
图4给出了模式切换和判决逻辑（14）的具体电路。该电路包括：一个比较器（18）、一对传输门（19）、一对传输门（20）、两个采样电容（21）、比较器（22）、一组传输门（23）、一个同或门（24）和一个D触发器（25）经电路连接组成；在该电路中，一对传输门（19）用于对电压采样模式和电流采样模式的切换，该传输门的控制信号由Vsample信号和系统预设的电压阈值Vref信号经由比较器（18）给出；被选择的采样电压Vrec或Vsample经由Sp信号控制的一对传输门（20）在连续的采样周期中被交替地存储在两个采样电容（21）上。Sp信号是一个占空比为50%的脉冲波，其脉宽T为一个采样周期的长度。相邻两个采样周期中的存储在采样电容（21）上的电压通过比较器（22）进行比较，一组传输门（23）根据本周期采样电压存储的位置相应地选通比较器（22）的输出极性，从而使得二进制信号Vcomp表征采样电压的比较结果。当Vcomp为高电平时，表示本周期的采样电压高于前一周期，反之亦然。每一周期的二进制判决电平DEC由比较结果Vcomp与上一周期的DEC值确定。当Vcomp为高电平时，说明Vrec或Vsample在前一周期的调整中所有上升，即调整后的阻抗匹配网络使谐振腔的匹配状况变好，因此本周期的判决电平DEC与前一周期保持相同；当Vcomp为低电平时，说明Vrec或Vsample在前一周期的调整中所有下降，即调整后的阻抗匹配网络使谐振腔的匹配状况变差，因此本周期的判决电平DEC为前一周期的判决电平取反。这一功能通过同或门（24）和D触发器（25）实现。
在以上设计实例中，本发明所提出的动态阻抗匹配技术能够在至多2m-1个采样周期内使得整流器（2）输出电压（在电压采样模式下）或电池充电电流（在电流采样模式下）达到当前入射电磁波频率和能量条件下的最大值，即使得射频能量采集系统达到最高效率状态，并在后续的采样周期中使系统在该状态保持稳定。当入射电磁波的频率和能量发生（一定范围内的）改变时，本发明所提出的动态阻抗匹配技术也能在至多2m-1个采样周期内使能量采集系统恢复到最高效率状态并保持稳定。
Claims (6)
1.一种基于动态阻抗匹配技术的射频能量采集系统，其特征在于，包括：能量接收天线（1）、整流器（2）、电路负载（3）、充电电路（4）、可充电电池（5）、整流器输出电压检测模块（6）、电池充电电流检测模块（7）、可配置匹配网络模块（8）和匹配网络配置位产生模块（9）；是在现有的射频能量采集系统中，在能量接收天线（1）、整流器（2）之间增加了可配置匹配网络模块（8），在整流器（2）之后增加了整流器输出电压检测模块（6），充电电路（4）之后增加了电池充电电流检测模块（7），整流器输出电压检测模块（6）和电池充电电流检测模块（7）之间设置了匹配网络配置位产生模块（9）；其中整流器输出电压检测模块（6）用于采样整流器的输出电压，电池充电电流检测模块（7）用于采样充电电流，匹配网络配置位产生模块（9）用于切换电压采样模式和电流采样模式，并相应地根据整流器输出电压检测模块（6）和电池充电电流检测模块（7）所采样得到的电压和电流值，确定匹配网络的调整方式并为可配置匹配网络模块（8）提供配置位；
所述现有的射频能量采集系统包括能量接收天线（1）、整流器（2）、电路负载（3）、充电电路（4）和可充电电池（5）；能量接收天线（1）和整流器（2）连接，整流器（2）分别同电路负载（3）和充电电路（4）连接，充电电路（4）同可充电电池（5）连接。
2.根据权利要求1所述的基于动态阻抗匹配技术的射频能量采集系统，其特征在于，所述可配置匹配网络模块（8）由二进制编码的可变电容阵列构成，其电容大小由m位二进制信号D0~Dm控制。
3.根据权利要求1或2所述的基于动态阻抗匹配技术的射频能量采集系统，其特征在于，所述充电电路（4）由一个比较器（16）和一个功率晶体管（10）构成；所述电池充电电流检测模块（7）由功率晶体管（10）、镜像晶体管（11）、采样电阻（12）和运算放大器（17）电路连接组成；电池充电电流检测模块（7）与充电电路（4）共享功率晶体管（10），并通过镜像晶体管（11）复制通过功率晶体管（10）的部分电流；该电流在采样时间内在采样电阻（12）上产生表征充电电流大小的转换电压Vsample，完成对充电电流的采样；运算放大器（17）用于对功率晶体管（10）和镜像晶体管（11）的漏端进行钳位，确保充电电流被精确复制。
4.根据权利要求3所述的基于动态阻抗匹配技术的射频能量采集系统，其特征在于，所述匹配网络配置位产生模块（9）由一个模式切换和判决逻辑（14）和一个m位计数器（15）电路连接构成；模式切换和判决逻辑（14）根据转换电压Vsample的大小确定该能量采集系统的工作模式。
5.根据权利要求4所述的基于动态阻抗匹配技术的射频能量采集系统，其特征在于，所述模式切换和判决逻辑（14）由一个比较器（18）、一对传输门（19）、一对传输门（20）、两个采样电容（21）、比较器（22）、一组传输门（23）、一个同或门（24）和一个D触发器（25）经电路连接组成；其中，一对传输门（19）用于对电压采样模式和电流采样模式的切换，该传输门的控制信号由Vsample信号和系统预设的电压阈值Vref信号经由比较器（18）给出；被选择的采样电压Vrec或Vsample经由Sp信号控制的一对传输门（20）在连续的采样周期中被交替地存储在两个采样电容（21）上；Sp信号是一个占空比为50%的脉冲波，其脉宽T为一个采样周期的长度；相邻两个采样周期中的存储在采样电容（21）上的电压通过比较器（22）进行比较；一组传输门（23）根据本周期采样电压存储的位置相应地选通比较器（22）的输出极性，从而使得二进制信号Vcomp表征采样电压的比较结果；当Vcomp为高电平时，表示本周期的采样电压高于前一周期，反之亦然；每一周期的二进制判决电平DEC由比较结果Vcomp与上一周期的DEC值确定；当Vcomp为高电平时，说明Vrec或Vsample在前一周期的调整中有所上升，即调整后的阻抗匹配网络使谐振腔的匹配状况变好，因此本周期的判决电平DEC与前一周期保持相同；当Vcomp为低电平时，说明Vrec或Vsample在前一周期的调整中有所下降，即调整后的阻抗匹配网络使谐振腔的匹配状况变差，因此本周期的判决电平DEC为前一周期的判决电平取反；这一功能由同或门（24）和D触发器（25）实现。
6.基于权利要求1-5之一所述的射频能量采集系统的工作模式，其特征在于包括电压采样模式和电流采样模式两种；
在电压采样模式下，在一个采样周期内至少包括以下步骤：
（1）整流器输出电压检测模块（6）采样当前时刻的整流器输出电压值；
（2）匹配网络配置位产生模块（9）存储当前时刻的电压采样值至下一周期；
（3）匹配网络配置位产生模块（9）将当前时刻的电压采样值与前一周期的电压采样值进行比较并得出比较结果；
（4）匹配网络配置位产生模块（9）根据比较结果判定前一周期的该模块对匹配网络调整方向是否正确，如比较结果为当前时刻的电压采样值高于前一周期的电压采样值则判定结果为正确；
（5）匹配网络配置位产生模块（9）根据判定结果确定本周期对可配置匹配网络模块（8）的调整方向，如判定结果为正确则保持前一周期的调整方向，如判定结果不为正确则将调整方向反向；
（6）根据本周期的调整方向给出本周期对可配置匹配网络模块（8）的配置位；
（7）调整后的可配置匹配网络模块（8）改变能量接收天线（1）和整流器（2）的匹配状况，并使整流器（2）产生新的输出电压；不断循环以上步骤可使得能量接收天线（1）和整流器（2）始终保持在理想的匹配状况，并使得整流器（2）的输出电压保持最大；
在电流采样模式下，在一个采样周期内至少包括以下步骤：
（1）电池充电电流检测模块（7）采样当前时刻的电池充电电流并转换为电压值；
（2）匹配网络配置位产生模块（9）存储当前时刻的转换电压值至下一周期；
（3）匹配网络配置位产生模块（9）将当前时刻的转换电压值与前一周期的转换电压值进行比较并得出比较结果；
（4）匹配网络配置位产生模块（9）根据比较结果判定前一周期的该模块对匹配网络调整方向是否正确，如比较结果为当前时刻的转换电压值高于前一周期的转换电压值则判定结果为正确；
（5）匹配网络配置位产生模块（9）根据判定结果确定本周期对可配置匹配网络模块（8）的调整方向，如判定结果为正确则保持前一周期的调整方向，如判定结果不为正确则将调整方向反向；
（6）根据本周期的调整方向给出本周期对可配置匹配网络模块（8）的配置位；
（7）调整后的可配置匹配网络模块（8）改变能量接收天线（1）和整流器（2）的匹配状况，并使整流器（2）对可充电电池（5）输出新的充电电流；不断循环以上步骤可使得能量接收天线（1）和整流器（2）始终保持在理想的匹配状况，并使得整流器（2）对可充电电池（5）的充电电流保持最大。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20181113 |