CN107612374A - 一种电荷泵整流器及射频能量转化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无线充电领域内的一种电荷泵整流器，包括连接天线与电荷泵的Branch‑Line耦合器，电荷泵包括结构相同二极管连接顺序相反的第一倍压器和第二倍压器；第一倍压器输出的负电势差V‑与第二倍压器输出的正电势差V+等值，Branch‑Line耦合器的输入端与天线相连，Branch‑Line耦合器的两输出端分别与第一倍压器的输入端、第二倍压器的输入端相连。

Description

一种电荷泵整流器及射频能量转化方法

技术领域

本发明涉及一种电荷泵整流器，特别涉及一种电荷泵整流器射频能量转换方法。

背景技术

无线能量传输和环境射频能量采集技术作为一种极具潜力的前沿技术，能够摆脱传统能量传输领域中冗长的电缆束缚，在物联网以及生物医疗应用领域意义重大。作为无线能量传输技术中的关键技术就是实现射频-直流功率高效率转化的基于零偏置的肖特基二极管整流器设计。其中电荷泵整流器就是常见并且实用的一类整流器，尤其针对低功率密度环境，在保证射频-直流功率高效率转化前提下，电荷泵整流器能够有效提高输出电压，进而满足一些功能性器件的电压要求，如微控制器或者传感器网络等。

作为电荷泵整流器，改进型Greinacher电荷泵具有特殊的优点：对称的电路结构能够有效抑制奇次谐波分量的产生，进而提高整流器的射频-直流功率转化效率；而且，对称的电路结构缓解了多级电荷泵整流器中末级肖特基二极管的反向偏压压力，进而促使多级整流电荷泵功率容量的提高。然而，基于肖特基二极管半导体工艺的局限性，其非线性结电阻在低输入功率水平下表现出来的电阻值较大，以及肖特基二极管因为封装引入的寄生参量等，使得电荷泵整流器难以在低功率水平下实现与天线之间的完美匹配，极大限制其在射频无线能量传输和环境射频能量采集应用领域中的广泛应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种电荷泵整流器及射频能量转化方法，有效抑制奇次谐波分量的产生，提高整流器的射频-直流功率转化效率。

本发明的目的是这样实现的：一种电荷泵整流器，包括连接天线与电荷泵的Branch-Line耦合器，所述电荷泵包括结构相同的第一倍压器和第二倍压器；

所述第一倍压器包括同向串联的第一二极管D1和第二二极管D2，串联的第一二极管D1和第二二极管D2两端并联有第一电容C1，第一二极管D1的正极提供负载负电势差V-，第一二极管D1的负极接第二二极管D2的正极，第二二极管D2的负极接地，第一二极管D1和第二二极管D2之间的电极点与第二电容C2的一端相连，第二电容C2的另一端作为第一倍压器的输入端；

所述第二倍压器包括同向串联的第三二极管D3和第四二极管D4，串联的第三二极管D3和第四二极管D4两端并联有第三电容C3，第三二极管D3的正极与第二二极管D2的负极相连，第三二极管D3的负极接第四二极管D4的正极，第四二极管D4的负极提供负载正电势差V+，第三二极管D3和第四二极管D4之间的电极点与第四电容C4的一端相连，第四电容C4的另一端作为第二倍压器的输入端；

第一倍压器输出的负电势差V-与第二倍压器输出的正电势差V+等值，Branch-Line耦合器的输入端与天线相连，Branch-Line耦合器的两输出端分别与第一倍压器的输入端、第二倍压器的输入端相连。

一种使用电荷泵整流器进行射频能量转化的方法，包括以下步骤：

步骤1)通过天线接收电磁波信号；

步骤2)将接收到的电磁波信号发送给Branch-Line耦合器，Branch-Line耦合器将接收到的电磁波信号对等分成两路能量信号分别发送给电荷泵整流器内的两个倍压器；

步骤3)两个倍压器将能量信号转换直流信号加载在负载上；

步骤4)相位补偿网络将电荷泵反射回来的电磁波信号进行补偿，使得补偿之后的电磁波信号的相位和天线接收到的电磁波信号的相位一致，并将其发送给功率合成器；

步骤5)功率合成器将补偿后的电磁波信号与天线接收到的电磁波信号进行合成再次发送给Branch-Line耦合器，如此循环。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明通过将电荷泵与Branch-Line耦合器结合，同时电荷泵采用对称的电路结构能够有效抑制奇次谐波分量的产生，进而提高整流器的射频-直流功率转化效率；而且，对称的电路结构缓解了多级电荷泵整流器中末级肖特基二极管的反向偏压压力，进而促使多级整流电荷泵功率容量的提高。本发明可用于无线充电中。

作为本发明的进一步限定，所述Branch-Line耦合器的隔离端经匹配电感接地。通过在Branch-Line耦合器的隔离端接匹配电阻以实现对电荷泵整流器失配反射功率的完全吸收，避免再次反射而造成对电荷泵整流器输入信号的幅度和相位的影响。

作为本发明的进一步限定，所述Branch-Line耦合器的输入端经功率合成器与天线相连，所述Branch-Line耦合器的隔离端经相位补偿网络与功率合成器相连。通过在Branch-Line耦合器的隔离端接相位补偿网络将反射回来的功率信号重新收集，再通过功率合成器将其与天线接收到的电磁波合成再次发送给Branch-Line耦合器再次利用，实现失配情况下反射功率的再利用，避免了通过隔离端口反射进入耦合器而造成对改进型电荷泵整流器的输入信号的影响，实现对低功率输入条件下反射功率的再利用，提高转换效率。

作为本发明的进一步限定，所述相位补偿网络用于将从电荷泵经Branch-Line耦合器反射回来的电磁波进行相位补偿，使其补偿之后的相位和天线接收到的电磁波信号的相位一致。

作为本发明的进一步限定，所述功率合成器用于将天线接收到的电磁波信号与相位补偿网络得到的电磁波信号进行合成并再次发送给Branch-Line耦合器。

作为本发明的进一步限定，所述相位补偿网络为传输线，所述传输线的长度与待补偿的电磁波信号关系为：

其中，c是光速，f是工作频率，λ_ε是该工作频率下光速在电路板中的速度，ε是电路板相对介电常数，Φ为倍压器电磁波输入电压与电磁波反射电压的相位差。

附图说明

图1本发明Branch-Line耦合器的电路示意图。

图2为本发明中实施例1电路原理图。

图3为本发明中实施例2电路原理图。

图4为本发明中实施例3电路原理图。

图5为本发明中倍压器反射系数Γ的测量实验搭建图。

具体实施方式

下面结合实施例及本发明的工作原理本发明做进一步说明。

图1是Branch-Line耦合器的电路表示符号；作为四端口网络，如果所有端口都是匹配的，从端口1输入的功率对等分配给端口2和端口3，端口2、3之间有90度相位差，没有功率耦合到端口4(隔离端口)；Branch-Line耦合器对应的四端口[S]矩阵可以表示为：

实施例1

如图2所示的一种电荷泵整流器，包括连接天线与电荷泵的Branch-Line耦合器，电荷泵包括结构相同的第一倍压器和第二倍压器；

第一倍压器包括同向串联的第一二极管D1和第二二极管D2，串联的第一二极管D1和第二二极管D2两端并联有第一电容C1，第一二极管D1的正极提供负载负电势差V-，第一二极管D1的负极接第二二极管D2的正极，第二二极管D2的负极接地，第一二极管D1和第二二极管D2之间的电极点与第二电容C2的一端相连，第二电容C2的另一端作为第一倍压器的输入端；

第二倍压器包括同向串联的第三二极管D3和第四二极管D4，串联的第三二极管D3和第四二极管D4两端并联有第三电容C3，第三二极管D3的正极与第二二极管D2的负极相连，第三二极管D3的负极接第四二极管D4的正极，第四二极管D4的负极提供负载正电势差V+，第三二极管D3和第四二极管D4之间的电极点与第四电容C4的一端相连，第四电容C4的另一端作为第二倍压器的输入端；

第一倍压器输出的负电势差V-与第二倍压器输出的正电势差V+等值，Branch-Line耦合器的输入端口与天线相连，Branch-Line耦合器的直通端口接第二本压器输入端，耦合端口接第一倍压器输入端，隔离端口接地。

实施例1中Branch-Line耦合器的输入端接高增益天线，实现对环境射频能量的采集；天线与耦合器完美匹配，所以接收到的功率经过Branch-Line耦合器并且被引导至耦合器的直通、耦合端口；假设天线接收到的信号幅度为Vin，Vin经过Branch-Line耦合器被引导至其直通、耦合端口，并且作为电荷泵整流器的输入信号，根据Branch-Line耦合器的工作原理，Vin通过耦合器传输到直通、耦合端口的电磁波可以表示为：

可见Vin通过Branch-Line耦合器传输到直通、耦合端口的电磁波幅度相同，相位相差j，j引入相位差90度。

上述分析是基于假设电荷泵整流器对Vdir、Vcou所对应的功率完全匹配，天线接收到的功率将完全传输到电荷泵整流器中；然而，基于肖特基二极管半导体工艺的局限性，其非线性结电阻在低输入功率水平下表现出来的电阻值较大，以及肖特基二极管因为封装引入的寄生参量等，使得电荷泵整流器难以在低功率水平下实现与天线之间的完美匹配；假设在天线接收到电磁波幅度Vin情况下，电荷泵整流器两输入端的反射系数分别为Γ1、Γ2；如图2所示；由于反射系数Γ1和Γ2存在，使得电荷泵整流器的输入Vdir、Vcup所对应的输入功率部分被反射进入Branch-Line耦合器，反射的电磁波可表示为Vdir_ref、Vcou_ref，

基于改进型Greinacher电荷泵整流器电路结构的对称性，电荷泵整流器的两个输入端的反射系数相等，及Γ1＝Γ2＝Γ；所以在电荷泵整流器输入端的电磁波的反射可以进一步通过统一的反射系数Γ来表示：

该部分电磁波将再次经过Branch-Line耦合器传输到输入、隔离端口，对应的电磁波分别是Vin1、Viso1，

上式表示反射的电磁波对于输入端口的影响为0，即如果Branch-Line耦合器的直通、耦合端口对应的反射系数一致，而且隔离端口接地或者什么都不接，则隔离端口的电磁波将再次完全反射进入耦合器并且传输至改进型Greinacher电荷泵整流器的两个输入端，即耦合器的直通、耦合端口，这部分可观的反射的电磁波可以表示为：

Vdir和ΔVdir共同作用在耦合器的直通端口，Vcou和ΔVcou共同作用在耦合器的耦合端口，不难发现ΔVdir对Vdir电磁波的叠加效果与ΔVcou对Vcou电磁波的叠加效果恰好相反，即反射电磁波经由Branch-Line耦合器的隔离端口再次反射会造成电荷泵整流器输入电磁波信号幅度和相位的改变，造成电荷泵整流器输入信号不平衡，导致整流效率降低。

基于这一局限性，本发明提出了图3所示的电路结构。

实施例3

如图3所示的一种电荷泵整流器，包括连接天线与电荷泵的Branch-Line耦合器，电荷泵包括结构相同的第一倍压器和第二倍压器；

第一倍压器包括同向串联的第一二极管D1和第二二极管D2，串联的第一二极管D1和第二二极管D2两端并联有第一电容C1，第一二极管D1的正极提供负载负电势差V-，第一二极管D1的负极接第二二极管D2的正极，第二二极管D2的负极接地，第一二极管D1和第二二极管D2之间的电极点与第二电容C2的一端相连，第二电容C2的另一端作为第一倍压器的输入端；

第二倍压器包括同向串联的第三二极管D3和第四二极管D4，串联的第三二极管D3和第四二极管D4两端并联有第三电容C3，第三二极管D3的正极与第二二极管D2的负极相连，第三二极管D3的负极接第四二极管D4的正极，第四二极管D4的负极提供负载正电势差V+，第三二极管D3和第四二极管D4之间的电极点与第四电容C4的一端相连，第四电容C4的另一端作为第二倍压器的输入端；

第一倍压器输出的负电势差V-与第二倍压器输出的正电势差V+等值，Branch-Line耦合器的输入端口与天线相连，Branch-Line耦合器的直通端口接第二本压器输入端，耦合端口接第一倍压器输入端，隔离端口经匹配电阻接地。

实施例2中通过在隔离端口接50欧姆匹配负载，则由于电荷泵整流器失配而造成的反射功率将全部进入隔离端口，并且消耗在50欧姆电阻上，这就避免上述反射电磁波对电荷泵整流器造成影响。

为了避免上述发射电磁波被消耗浪费，本发明提出了如图4所示的电路结构。

实施例3

如图3所示的一种电荷泵整流器，包括连接天线与电荷泵的Branch-Line耦合器，电荷泵包括结构相同的第一倍压器和第二倍压器；

第一倍压器包括同向串联的第一二极管D1和第二二极管D2，串联的第一二极管D1和第二二极管D2两端并联有第一电容C1，第一二极管D1的正极提供负载负电势差V-，第一二极管D1的负极接第二二极管D2的正极，第二二极管D2的负极接地，第一二极管D1和第二二极管D2之间的电极点与第二电容C2的一端相连，第二电容C2的另一端作为第一倍压器的输入端；

第二倍压器包括同向串联的第三二极管D3和第四二极管D4，串联的第三二极管D3和第四二极管D4两端并联有第三电容C3，第三二极管D3的正极与第二二极管D2的负极相连，第三二极管D3的负极接第四二极管D4的正极，第四二极管D4的负极提供负载正电势差V+，第三二极管D3和第四二极管D4之间的电极点与第四电容C4的一端相连，第四电容C4的另一端作为第二倍压器的输入端；

第一倍压器输出的负电势差V-与第二倍压器输出的正电势差V+等值，Branch-Line耦合器的输入端口经功率合成器与天线相连，Branch-Line耦合器的直通端口接第二本压器输入端，耦合端口接第一倍压器输入端，所述Branch-Line耦合器的隔离端口经相位补偿网络与功率合成器相连。

将Branch-Line耦合器隔离端口的50欧姆阻抗，换成相位补偿网络实现对隔离端口的电磁波Viso1＝jVin·Γ的相位补偿，使得其补偿之后的相位和天线接收到的电磁波信号Vin的相位一致，同时利用功率合成器将该部分由改进型Greinacher电荷泵整流器因为失配而造成的功率反射再次利用起来，实现失配情况下反射功率的再利用，相比较实施例1、2而言，反射功率全部被引导至功率合成器的输入端口并且与天线接收到的功率进行合成整合，避免了通过隔离端口反射进入耦合器而造成对改进型Greinacher电荷泵整流器的输入信号的影响或者浪费，实现对低功率输入条件下反射功率的再利用，实现了本发明设计。

实施例4

一种基于电荷泵整流器的射频能量转化方法，包括以下步骤：

步骤1)通过天线接收电磁波信号；

步骤2)将接收到的电磁波信号发送给Branch-Line耦合器，Branch-Line耦合器将接收到的电磁波信号对等分成两路能量信号分别发送给电荷泵整流器内的两个倍压器；

步骤3)两个倍压器将能量信号转换直流信号加载在负载上；

步骤4)相位补偿网络将电荷泵反射回来的电磁波信号进行补偿，使得补偿之后的电磁波信号的相位和天线接收到的电磁波信号的相位一致，并将其发送给功率合成器，所述相位补偿网络为传输线，所述传输线的长度与待补偿的电磁波信号关系为：

其中，c是光速，f是工作频率，λ_ε是该工作频率下光速在电路板中的速度，ε是电路板相对介电常数，Φ为倍压器电磁波输入电压与电磁波反射电压的相位差；

步骤5)功率合成器将补偿后的电磁波信号与天线接收到的电磁波信号进行合成再次发送给Branch-Line耦合器，如此循环，最终实现射频-直流能量的稳定转化。

相位补偿网络和功率合成器的具有实现形式：

相位补偿网络的具体实现形式，一定功率输入情况下，由于Branch-Line耦合器直通端口、耦合端口与整流电荷泵之间的输入不完美匹配导致存在一定的功率反射进入耦合器；这种情况下，因为天线输入阻抗的固定50欧姆，确定该输入功率下的对应的激励电压固定，假设为Vin，所以通过之前的计算可以得到反射进入耦合器并且传输到隔离端口的信号的幅度为：

在设计初始可以利用图5所示的第一倍压器反射系数测量实验搭建，来实现对该特定输入功率下的反射系数Γ的测量，图5的实验搭建主要包括50欧姆功率源，提供第一倍压器的输入功率P0(该功率P0等于图2中第一倍压器通过耦合器得到的功率)，其后端连接第一倍压器工作频率下的环形器。根据环形器性质可知，功率源P0功率将无耗地传输到环形器的端口2，即第一倍压器的输入端，由于第一倍压器与环形器端口2之间存在失配情况，反射系数为Γ，反射的功率P1又会通过环形耦合器传输到其端口3并且被功率计捕获检测，所以第一倍压器对应的反射系数的大小可以由P0和P1确定，即

发射系数Γ的相位为图5中示波器1和示波器2的电压信号V0和V1的相位差Φ；相位的补偿网络的设计采用最简单的50欧姆传输线形式实现，假设需要补偿的相位差是Φ(弧度表示)，对应的50欧姆相位补偿网络的传输线的长度L为：

其中c是光速，f是工作频率，λ_ε是该工作频率下光速在电路板中的速度，ε是电路板相对介电常数。

功率合成器采用Wilkinson功率合成器，天线和相位补偿网络作为功率合成器的输入端，功率合成器的输出端接Branch-Line耦合器的输入端以实现基于失配反射功率再利用的改进型Greiancher电荷泵整流器设计。

本发明通过引入电荷泵整流器、Branch-Line耦合器，同时将电荷泵整流器失配的反射功率通过Branch-Line耦合器引导至耦合器隔离端口，通过相位补偿网络使得反射功率的相位与天线接收到的功率的相位一致以实现效率最大化合成，再利用功率合成器整合天线接收到的功率和电荷泵整流器的反射功率，进而实现基于Branch-Line耦合器的失配反射功率再利用的电荷泵整流器设计。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种电荷泵整流器，其特征在于，包括连接天线与电荷泵的Branch-Line耦合器，所述电荷泵包括结构相同的第一倍压器和第二倍压器；

所述第一倍压器包括同向串联的第一二极管D1和第二二极管D2，串联的第一二极管D1和第二二极管D2两端并联有第一电容C1，第一二极管D1的正极提供负载负电势差V-，第一二极管D1的负极接第二二极管D2的正极，第二二极管D2的负极接地，第一二极管D1和第二二极管D2之间的电极点与第二电容C2的一端相连，第二电容C2的另一端作为第一倍压器的输入端；

所述第二倍压器包括同向串联的第三二极管D3和第四二极管D4，串联的第三二极管D3和第四二极管D4两端并联有第三电容C3，第三二极管D3的正极与第二二极管D2的负极相连，第三二极管D3的负极接第四二极管D4的正极，第四二极管D4的负极提供负载正电势差V+，第三二极管D3和第四二极管D4之间的电极点与第四电容C4的一端相连，第四电容C4的另一端作为第二倍压器的输入端；

第一倍压器输出的负电势差V-与第二倍压器输出的正电势差V+等值，Branch-Line耦合器的输入端与天线相连，Branch-Line耦合器的两输出端分别与第一倍压器的输入端、第二倍压器的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的一种电荷泵整流器，其特征在于，所述Branch-Line耦合器的隔离端经匹配电阻接地。

3.根据权利要求1所述的一种电荷泵整流器，其特征在于，所述Branch-Line耦合器的输入端经功率合成器与天线相连，所述Branch-Line耦合器的隔离端经相位补偿网络与功率合成器相连。

4.根据权利要求3所述的一种电荷泵整流器，其特征在于，所述相位补偿网络用于将从电荷泵经Branch-Line耦合器反射回来的电磁波进行相位补偿，使其补偿之后的相位和天线接收到的电磁波信号的相位一致。

5.根据权利要求3所述的一种电荷泵整流器，其特征在于，所述功率合成器用于将天线接收到的电磁波信号与相位补偿网络得到的电磁波信号进行合成并再次发送给Branch-Line耦合器。

6.一种基于电荷泵整流器的射频能量转化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1）通过天线接收电磁波信号；

步骤2）将接收到的电磁波信号发送给Branch-Line耦合器，Branch-Line耦合器将接收到的电磁波信号对等分成两路能量信号分别发送给电荷泵整流器内的两个倍压器；

步骤3）两个倍压器将能量信号转换直流信号加载在负载上；

步骤4）相位补偿网络将电荷泵反射回来的电磁波信号进行补偿，使得补偿之后的电磁波信号的相位和天线接收到的电磁波信号的相位一致，并将其发送给功率合成器；

步骤5）功率合成器将补偿后的电磁波信号与天线接收到的电磁波信号进行合成再次发送给Branch-Line耦合器，如此循环。

7. 根据权利要求6所述的射频能量转化方法，其特征在于，所述相位补偿网络为传输线，所述传输线的长度与待补偿的电磁波信号关系为：

其中，c是光速，是工作频率，是该工作频率下光速在电路板中的速度，是电路板相对介电常数，Φ为倍压器电磁波输入电压与电磁波反射电压的相位差。