CN110676951A - 基于环境射频能量采集的自供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于环境射频能量采集的自供电系统，包括接收天线、匹配电路、整流电路、升压储能电路和稳压电路，接收天线用于获取环境中的射频能量并将获取到的射频能量转换为交流电输出，匹配电路用于将接收天线输出的交流电输送给整流电路且同时用于将整流电路的输入阻抗匹配到50Ω，整流电路接入匹配电路输出的交流电，且将输入其内的交流电转换为直流电压输出，升压储能电路用于接入整流电路输出的直流电压并将该直流电压升压处理后进行电能储存，稳压电路从升压储能电路处获取电能，为外部低功耗物联网节点供电；优点是供电稳定性和可靠性较高。

Description

基于环境射频能量采集的自供电系统

技术领域

本发明涉及一种自供电系统，尤其是涉及一种基于环境射频能量采集的自供电系统。

背景技术

随着“中国制造2025”的提出，物联网得到了快速的发展，各个网络节点的供电问题成为阻碍了物联网近一步发展的关键问题。目前，大多数物联网网络节点多采用可更换的电池为其能量来源，这便导致了物联网网络节点受限于电池的体积而无法做到小型轻便。此外，由于电池寿命有限，需要更换电池，由此带来了维护工作，同时在使用过程中也造成环境污染等问题。寻求一种可持续供电的绿色能源来替换电池，成为当前物联网网络节点供电问题的研究热点。

近年来出现了多种多样的能量采集技术，太阳能、压力能、温差能以及环境振动能等。随着低功率电子电路(即低功耗物联网节点)的使用大量的增加，能够以低水平产生能量的自供电系统被用于客服这些问题。但是这些自供电系统基本上都是基于压力能量或者太阳能采集实现的，而压力能量或者太阳能量的产生容易受到天气和环境条件的影响，供电稳定性和可靠性不高。

随着无线通信技术的快速发展，来自于无线电、GSM基站和wifi的射频信号在我们的周围大大增加，环境中存在着大量来源广泛并且稳定的射频能量。相对于其他的能量来说，射频能量不会随着天气和环境的变化而变化。鉴此，设计一种供电稳定性和可靠性较高的基于环境射频能量采集的自供电系统具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种供电稳定性和可靠性较高的基于环境射频能量采集的自供电系统。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于环境射频能量采集的自供电系统，包括接收天线、匹配电路、整流电路、升压储能电路和稳压电路，所述的接收天线用于获取环境中的射频能量并将获取到的射频能量转换为交流电输出，所述的匹配电路用于将所述的接收天线输出的交流电输送给所述的整流电路且同时用于将所述的整流电路的输入阻抗匹配到50Ω，所述的整流电路接入所述的匹配电路输出的交流电，且将输入其内的交流电转换为直流电压输出，所述的升压储能电路用于接入所述的整流电路输出的直流电压并将该直流电压升压处理后进行电能储存，所述的稳压电路从所述的升压储能电路处获取电能，为外部低功耗物联网节点供电。

所述的匹配电包括第一微带线、第二微带线、第三微带线和第一电容，所述的第一微带线的一端、所述的第二微带线的一端和所述的第一电容的一端连接且其连接端为所述的匹配电路的输入端，所述的匹配电路的输入端与所述的接收天线连接，接入所述的接收天线输出的交流电，所述的第一微带线的另一端悬空，所述的第二微带线的另一端悬空，所述的第一电容的另一端和所述的第三微带线的一端连接且其连接端为所述的匹配电路的输出端，所述的匹配电路的输出端将其接入的交流电输出，所述的第三微带线的另一端悬空；所述的整流电路包括第一二极管、第二二极管和第二电容，所述的第一二极管和所述的第二二极管均为整流二极管，所述的第一二极管的负极和所述的第二二极管的正极连接且其连接端为所述的整流电路的输入端，所述的整流电路的输入端接入所述的匹配电路输出的交流电，所述的第二二级管的负极接地，所述的第一二极管的正极和所述的第二电容的一端连接且其连接端为所述的整流电路的输出端，所述的整流电路的输出端输出直流电压，所述的第二电容的另一端接地。该电路，匹配电路使用结构简单的开路单枝节短截线匹配电路，实现输入信号的最大功率传输，从而保证后端输出能量最大。

所述的升压储能电路包括型号为BQ25504的升压转换器、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第一电感、第一三极管和第一MOS管，所述的第三电容为超级电容，所述的第四电容为电解电容，所述的第五电容的一端、所述的第一电感的一端、所述的第八电阻的一端和所述的升压转换器的第2脚连接且其连接端为所述的升压储能电路的输入端，所述的升压储能电路的输入端接入所述的整流电路输出的直流电压，所述的第五电容的另一端和所述的升压转换器的第1脚连接且其连接端接地，所述的第一电感的另一端和所述的升压转换器的第16脚连接，所述的第八电阻的另一端、所述的第九电阻的一端和所述的升压转换器的第3脚连接，所述的第九电阻的另一端、所述的第六电容的一端和所述的升压转换器的第5脚连接且其连接端接地，所述的第六电容的另一端和所述的升压转换器的第4脚连接，所述的升压转换器的第6脚、所述的第一电阻的一端和所述的第二电阻的一端连接，所述的第一电阻的另一端、所述的升压转换器的第7脚、所述的第三电阻的一端和所述的第七电阻的一端连接，所述的第二电阻的另一端和所述的第四电阻的一端均接地，所述的第四电阻的另一端、所述的第三电阻的另一端和所述的升压转换器的第8脚连接，所述的第七电阻的另一端、所述的第六电阻的一端和所述的升压转换器的第9脚连接，所述的第六电阻的另一端、所述的第五电阻的一端和所述的升压转换器的第10脚连接，所述的第五电阻的另一端接地，所述的升压转换器的第11脚和所述的第十电阻的一端连接，所述的第十电阻的另一端和所述的第一三极管的基极连接，所述的第一三极管的发射极接地，所述的第一三极管的集电极、所述的第十一电阻的一端和所述的第一MOS管的栅极连接，所述的升压转换器的第12脚、所述的升压转换器的第13脚和所述的第四电容的负极连接且其连接端接地，所述的第四电容的正极和所述的升压转换器的第14脚连接，所述的第一MOS管的漏极为所述的升压储能电路的输出端，用于输出电能，所述的第一MOS管的源极、所述的第十一电阻的另一端、所述的第三电容的一端和所述的升压转换器的第15脚连接，所述的第三电容的另一端和所述的升压转换器的第17脚连接且其连接端接地。该电路中，升压转换器可与通过低至330mV的输入电压启动，在完成启动后，可以依靠低至80mV的输入电压继续采集能量，升压转换器具有可编程的最大功率跟踪点以及可编程欠压、过压阈值设置，这些特点使得环境射频能量采集的自供电实现，另外第一三极管和第一MOS管构成DDR检测电路，当输出的电压在阈值范围内，也就是超级电容储存能量的电压值在设定的范围内，升压转换器的第11脚输出高电平，再经过第一三极管，使得第一三极管的集电极和发射极等电位，也就是此时的第一三极管的集电极为低电平，从而使得第一MOS管的漏极和源极导通，这样可以使得超级电容储存的能量可以被后面的稳压电路使用，避免了能量的浪费，也就是超级电容储存能量的电压值在设定的范围内，同理，当超级电容储能的电压低于设定的阈值时，升压转换器的第11脚输出低电平，此时第一三极管的集电极为高电平，从而使得第一MOS管的漏极和源极不能导通，这样的话，超级电容储存的电量不足以给外部供电，超级电容继续充电，直至达到设定的范围，本电路在实现升压储能的基础上，通过一个MOS管和一个三级管实现了当前常规的采用电压比较器来监测超级电容的电压值进而判断电压值，确定是否为超级电容的供电的方案，功耗更低，第一三极管和第一MOS管构成DDR检测电路的功耗几乎可以不考虑，这样会使得前面收集的环境射频能量的利用率更高。

所述的升压储能电路包括第一升压模块和第二升压模块，所述的第一升压模块用于对所述的整流电路输出的直流电压进行初步升压，并使所述的匹配电路和所述的整流电路能够匹配不同的负载使用，所述的第一升压模块包括高频振荡器、低频振荡器、第七电容、第八电容、第二电感、第二MOS管和第三二极管，所述的低频振荡器和所述的高频振荡器连接，所述的高频振荡器和所述的第二MOS管的栅极连接，所述的低频振荡器和所述的高频振荡器用于控制所述的第二MOS管的导通或截止，所述的第二MOS管的漏极和所述的第七电容的一端连接且其连接端为所述的第一升压模块的输入端，所述的第一升压模块的输入端为所述的升压储能电路的输入端，接入所述的整流电路输出的直流电压，所述的第七电容的另一端、所述的第二电感的一端和所述的第三二极管的正极连接，所述的第三二极管的负极和所述的第八电容的一端连接且其连接端为所述的第一升压模块的输出端，所述的第八电容的另一端、所述的第二电感的另一端和所述的第二MOS管的源极连接且其连接端接地。所述的第二升压模块包括型号为BQ25504的升压转换器、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第一电感、第一三极管和第一MOS管，所述的第三电容为超级电容，所述的第四电容为电解电容，所述的第五电容的一端、所述的第一电感的一端、所述的第八电阻的一端和所述的升压转换器的第2脚连接且其连接端为所述的第二升压模块的输入端，所述的第二升压模块的输入端和所述的第一升压模块的输出端连接，所述的第五电容的另一端和所述的升压转换器的第1脚连接且其连接端接地，所述的第一电感的另一端和所述的升压转换器的第16脚连接，所述的第八电阻的另一端、所述的第九电阻的一端和所述的升压转换器的第3脚连接，所述的第九电阻的另一端、所述的第六电容的一端和所述的升压转换器的第5脚连接且其连接端接地，所述的第六电容的另一端和所述的升压转换器的第4脚连接，所述的升压转换器的第6脚、所述的第一电阻的一端和所述的第二电阻的一端连接，所述的第一电阻的另一端、所述的升压转换器的第7脚、所述的第三电阻的一端和所述的第七电阻的一端连接，所述的第二电阻的另一端和所述的第四电阻的一端均接地，所述的第四电阻的另一端、所述的第三电阻的另一端和所述的升压转换器的第8脚连接，所述的第七电阻的另一端、所述的第六电阻的一端和所述的升压转换器的第9脚连接，所述的第六电阻的另一端、所述的第五电阻的一端和所述的升压转换器的第10脚连接，所述的第五电阻的另一端接地，所述的升压转换器的第11脚和所述的第十电阻的一端连接，所述的第十电阻的另一端和所述的第一三极管的基极连接，所述的第一三极管的发射极接地，所述的第一三极管的集电极、所述的第十一电阻的一端和所述的第一MOS管的栅极连接，所述的升压转换器的第12脚、所述的升压转换器的第13脚和所述的第四电容的负极连接且其连接端接地，所述的第四电容的正极和所述的升压转换器的第14脚连接，所述的第一MOS管的漏极为所述的第二升压模块的输出端，所述的第二升压模块的输出端为所述的升压储能电路的输出端，用于输出电能，所述的第一MOS管的源极、所述的第十一电阻的另一端、所述的第三电容的一端和所述的升压转换器的第15脚连接，所述的第三电容的另一端和所述的升压转换器的第17脚连接且其连接端接地。该电路采用两级升压电路进行升压储能，在确定本发明的匹配电路时，匹配电路有一个最优的负载(物联网网络节点)，此匹配电路可以看成第一升压电路的输入内阻，如果使用该第一升压电路的话，就可以确定输入阻抗了，那么就可以确定匹配电路的负载，这样的话，使得对于不同的负载都可以使用已经匹配好的整流电路，由此该电路在实现升压储能基础上，对于不同的负载使用相同的匹配电路，避免每使用不同的物联网网络节点就要重新搭建匹配电路，降低了设计成本，提高了设计效率。

所述的接收天线为多频天线或者天线阵列来实现。

所述的稳压电路采用LDO线性稳压电路结构实现，所述的稳压电路包括型号为MCP33的稳压芯片、第九电容和第十电容，所述的稳压信号的输入脚和所述的第九电容的一端连接且其连接端为所述的稳压电路的输入端，用于从所述的升压储能电路处获取电能，所述的稳压电路的输出脚和所述的第十电容的一端连接且其连接端为所述的稳压电路的输出端，用于为外部低功耗物联网节点供电，所述的第九电容的另一端、所述的第十电容的另一端和所述的稳压芯片的接地脚均接地。该电路采用型号为MCP33的稳压芯片(三端引脚稳压器)作为核心部件，输入电压范宽，静态电流极低，仅为1uA，且该芯片应用电路简单，只需要在输入端和输出端并联一个1uF的电容即可，而且该芯片使用的封装是SOT-23并且外围元件少，这样的话可以使得最终制作的PCB面积和物理空间小，少产品的生产成本。

与现有技术相比，本发明的优点在于通过接收天线、匹配电路、整流电路、升压储能电路和稳压电路构成自供电系统，接收天线用于获取环境中的射频能量并将获取到的射频能量转换为交流电输出，匹配电路用于将接收天线输出的交流电输送给整流电路且同时用于将整流电路的输入阻抗匹配到50Ω，整流电路接入匹配电路输出的交流电，且将输入其内的交流电转换为直流电压输出，升压储能电路用于接入整流电路输出的直流电压并将该直流电压升压处理后进行电能储存，稳压电路从升压储能电路处获取电能，为外部低功耗物联网节点供电，由此本发明的自供电系统通过环境射频能量来实现电能输出，射频能量不会随着天气和环境的变化而变化，供电稳定性和可靠性较高。

附图说明

图1为本发明的基于环境射频能量采集的自供电系统的结构原理框图；

图2为本发明的基于环境射频能量采集的自供电系统的匹配电路和整流电路的电路图；

图3为实施例一的本发明的基于环境射频能量采集的自供电系统的升压储能电路的电路图；

图4为实施例二的本发明的基于环境射频能量采集的自供电系统的第一升压模块的电路图；

图5为实施例二的本发明的基于环境射频能量采集的自供电系统的第二升压模块的电路图；

图6为本发明的基于环境射频能量采集的自供电系统的稳压电路的电路图；

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：如图1所示，一种基于环境射频能量采集的自供电系统，包括接收天线、匹配电路、整流电路、升压储能电路和稳压电路，接收天线用于获取环境中的射频能量并将获取到的射频能量转换为交流电输出，匹配电路用于将接收天线输出的交流电输送给整流电路且同时用于将整流电路的输入阻抗匹配到50Ω，整流电路接入匹配电路输出的交流电，且将输入其内的交流电转换为直流电压输出，升压储能电路用于接入整流电路输出的直流电压并将该直流电压升压处理后进行电能储存，稳压电路从升压储能电路处获取电能，为外部低功耗物联网节点供电。

如图2所示，本实施例中，匹配电包括第一微带线T1、第二微带线T2、第三微带线T3和第一电容C1，第一微带线T1的一端、第二微带线T2的一端和第一电容C1的一端连接且其连接端为匹配电路的输入端，匹配电路的输入端与接收天线连接，接入接收天线输出的交流电，第一微带线T1的另一端悬空，第二微带线T2的另一端悬空，第一电容C1的另一端和第三微带线T3的一端连接且其连接端为匹配电路的输出端，匹配电路的输出端将其接入的交流电输出，第三微带线T3的另一端悬空；整流电路包括第一二极管D1、第二二极管D2和第二电容C2，第一二极管D1和第二二极管D2均为整流二极管，第一二极管D1的负极和第二二极管D2的正极连接且其连接端为整流电路的输入端，整流电路的输入端接入匹配电路输出的交流电，第二二极管D2的负极接地，第一二极管D1的正极和第二电容C2的一端连接且其连接端为整流电路的输出端，整流电路的输出端输出直流电压，第二电容C2的另一端接地。

如图3所示，本实施例中，升压储能电路包括型号为BQ25504的升压转换器U1、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第一电感L1、第一三极管Q1和第一MOS管M1，第三电容C3为超级电容，第四电容C4为电解电容，第五电容C5的一端、第一电感L1的一端、第八电阻R8的一端和升压转换器U1的第2脚连接且其连接端为升压储能电路的输入端，升压储能电路的输入端接入整流电路输出的直流电压，第五电容C5的另一端和升压转换器U1的第1脚连接且其连接端接地，第一电感L1的另一端和升压转换器U1的第16脚连接，第八电阻R8的另一端、第九电阻R9的一端和升压转换器U1的第3脚连接，第九电阻R9的另一端、第六电容C6的一端和升压转换器U1的第5脚连接且其连接端接地，第六电容C6的另一端和升压转换器U1的第4脚连接，升压转换器U1的第6脚、第一电阻R1的一端和第二电阻R2的一端连接，第一电阻R1的另一端、升压转换器U1的第7脚、第三电阻R3的一端和第七电阻R7的一端连接，第二电阻R2的另一端和第四电阻R4的一端均接地，第四电阻R4的另一端、第三电阻R3的另一端和升压转换器U1的第8脚连接，第七电阻R7的另一端、第六电阻R6的一端和升压转换器U1的第9脚连接，第六电阻R6的另一端、第五电阻R5的一端和升压转换器U1的第10脚连接，第五电阻R5的另一端接地，升压转换器U1的第11脚和第十电阻R10的一端连接，第十电阻R10的另一端和第一三极管Q1的基极连接，第一三极管Q1的发射极接地，第一三极管Q1的集电极、第十一电阻R11的一端和第一MOS管M1的栅极连接，升压转换器U1的第12脚、升压转换器U1的第13脚和第四电容C4的负极连接且其连接端接地，第四电容C4的正极和升压转换器U1的第14脚连接，第一MOS管M1的漏极为升压储能电路的输出端，用于输出电能，第一MOS管M1的源极、第十一电阻R11的另一端、第三电容C3的一端和升压转换器U1的第15脚连接，第三电容C3的另一端和升压转换器U1的第17脚连接且其连接端接地。

本实施例中，接收天线为多频天线或者天线阵列来实现。

如图6所示，本实施例中，稳压电路采用LDO线性稳压电路结构实现，稳压电路包括型号为MCP33的稳压芯片U2、第九电容C9和第十电容C10，稳压信号的输入脚和第九电容C9的一端连接且其连接端为稳压电路的输入端，用于从升压储能电路处获取电能，稳压电路的输出脚和第十电容C10的一端连接且其连接端为稳压电路的输出端，用于为外部低功耗物联网节点供电，第九电容C9的另一端、第十电容C10的另一端和稳压芯片U2的接地脚均接地。

本实施例中，匹配电路使用结构简单的开路单枝节短截线匹配电路，其作用是使整流电路的输入阻抗匹配到50Ω，实现输入信号的最大功率传输，从而保证后端输出能量最大。整流电路利用二极管的单向导通作用，在交流信号方向发生变化时，其电流的方向会发生变化，在交流电流方向不一样时，将电荷存储到电容上，然后按照电容的极性相加的原理串联起来，那么输出的电压是各自的电压的和。当匹配后的交流电为正电压时，输入交流电与第一电容C1、第一二极管D2构成回路，此时交流电给第一电容C1充电，这时候第二二极管D2处于截止状态；当匹配后的交流电为负电压时，交流电与第一二极管D1、第二电容C2构成回路，此时第二二极管D2为截止状态，由于在交流电为正电压时，第一电容C1充了部分电荷可以看着是电源的一部分，给第二电容C2充电，最后第二电容C2的电压为第一电容C1和交流电压的总和，经过几个周期后，第二电容C2的电压逐渐升高为输入电压的二倍，即Vin，由整流电路出来的电压Vin输入后续升压储能电路中。

升压储能电路中的升压转换器U1的第14脚处设置有充电阈值VBAT，升压转换器U1第6脚处的电压VBAT_OV由第一电阻R1和第二电阻R2控制，升压转换器U1第8脚处的电压VBAT_UV由第三电阻R3和第四电阻R4控制，升压转换器U1的第11脚用于输出充电判定信号该充电判定信号通过第五电阻R5、第六电阻R6和第七电阻R7设置，其关系式为：

当VBAT下降时，VBAT_OK采用式(3)表示为：

当VBAT上升时，VBAT_OK采用式(4)表示为：

上式中，VBIAS表示基准电压，取值为1.24V，R₁表示第一电阻的阻值，R₂表示第二电阻的阻值，R₃表示第三电阻的阻值，R₄表示第四电阻的阻值，R₅表示第五电阻的阻值，R₆表示第六电阻的阻值，R₇表示第七电阻的阻值。

本发明的升压储能电路中，第一MOS管(P型)M1和第一三极管(NPN型晶体管)Q1构成DDR检测电路。如果升压转换器U1的第14脚电压可以达到充电阈值VBAT，VBAT_OK输出为高电平，否则其输出为低电平。当VBAT_OK为高电平的时候，第一三极管Q1导通工作，使得第一MOS管的栅极为低电平，第一MOS管导通，可以为后续的超级电容充电；当VBAT_OK为低电平的时，第一三极管Q1不能导通，使得第一MOS管的栅极为高电平，第一MOS管截止，不能为后续的超级电容充电，此时升压转换器U1继续升压至充电阈值VBAT。

升压储能电路通过调节升压转换器U1的第2脚的输入电压VIN_DC间接调制输入阻抗，并将采集参考电压存储在升压转换器U1的第4脚上。其中升压转换器U1的第4脚电压VREF_SAMP由第八电阻R8和第九电阻R9控制，其关系式如下：

上式中，R₈表示第八电阻的阻值，R₉表示第九电阻的阻值。

升压储能电路每16秒中断充电256毫秒，用来采集一定比例的开路电压大小，从而设置最大功率跟踪点。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，区别仅在于：如图4和图5所示，本实施例中，升压储能电路包括第一升压模块和第二升压模块，第一升压模块用于对整流电路输出的直流电压进行初步升压，并使匹配电路和整流电路能够匹配不同的负载使用，第一升压模块包括高频振荡器、低频振荡器、第七电容C7、第八电容C8、第二电感L2、第二MOS管M2和第三二极管D3，低频振荡器和高频振荡器连接，高频振荡器和第二MOS管M2的栅极连接，低频振荡器和高频振荡器用于控制第二MOS管M2的导通或截止，第二MOS管M2的漏极和第七电容C7的一端连接且其连接端为第一升压模块的输入端，第一升压模块的输入端为升压储能电路的输入端，接入整流电路输出的直流电压，第七电容C7的另一端、第二电感L2的一端和第三二极管D3的正极连接，第三二极管D3的负极和第八电容C8的一端连接且其连接端为第一升压模块的输出端，第八电容C8的另一端、第二电感L2的另一端和第二MOS管M2的源极连接且其连接端接地。第二升压模块包括型号为BQ25504的升压转换器U1、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第一电感L1、第一三极管Q1和第一MOS管M1，第三电容C3为超级电容，第四电容C4为电解电容，第五电容C5的一端、第一电感L1的一端、第八电阻R8的一端和升压转换器U1的第2脚连接且其连接端为第二升压模块的输入端，第二升压模块的输入端和第一升压模块的输出端连接，第五电容C5的另一端和升压转换器U1的第1脚连接且其连接端接地，第一电感L1的另一端和升压转换器U1的第16脚连接，第八电阻R8的另一端、第九电阻R9的一端和升压转换器U1的第3脚连接，第九电阻R9的另一端、第六电容C6的一端和升压转换器U1的第5脚连接且其连接端接地，第六电容C6的另一端和升压转换器U1的第4脚连接，升压转换器U1的第6脚、第一电阻R1的一端和第二电阻R2的一端连接，第一电阻R1的另一端、升压转换器U1的第7脚、第三电阻R3的一端和第七电阻R7的一端连接，第二电阻R2的另一端和第四电阻R4的一端均接地，第四电阻R4的另一端、第三电阻R3的另一端和升压转换器U1的第8脚连接，第七电阻R7的另一端、第六电阻R6的一端和升压转换器U1的第9脚连接，第六电阻R6的另一端、第五电阻R5的一端和升压转换器U1的第10脚连接，第五电阻R5的另一端接地，升压转换器U1的第11脚和第十电阻R10的一端连接，第十电阻R10的另一端和第一三极管Q1的基极连接，第一三极管Q1的发射极接地，第一三极管Q1的集电极、第十一电阻R11的一端和第一MOS管M1的栅极连接，升压转换器U1的第12脚、升压转换器U1的第13脚和第四电容C4的负极连接且其连接端接地，第四电容C4的正极和升压转换器U1的第14脚连接，第一MOS管M1的漏极为第二升压模块的输出端，第二升压模块的输出端为升压储能电路的输出端，用于输出电能，第一MOS管M1的源极、第十一电阻R11的另一端、第三电容C3的一端和升压转换器U1的第15脚连接，第三电容C3的另一端和升压转换器U1的第17脚连接且其连接端接地。

本实施中，如图4所示，第一升压模块的输入电压为Vin，输入电流为I_in，流过第二电感L2上的电流为I_L，流过第三二极管D3的电流为I_L。D_h和T_h分别是高频振荡器的开启时间和周期，D_l和T_l分别是低频振荡器的开启时间和周期。

假设输入第一升压模块的平均电流为I_ave，那么可以得到输入的功率P_in，如下所示：

P_in＝V_in·I_ave (6)

当

时，其中I_inpeak是输入的峰值电流，

可以得到：

将第一升压模块的输入阻抗记为R_in，我们可以得到

由此得到

上式中，L₂表示第二电感的电感值，当设置D_h为0.5，我们可以得到

由此可以通过第二电感的值L2,高频振荡器的频率f_h和低频振荡器在一个工作周期开启的时间来设定输入阻抗，从而获得一个合适的输入阻抗，使得升压储能电路与整流电路得到合适的匹配。就避免了不同的整流电路需要不同的匹配电路来来进行输入阻抗匹配。

Claims (6)

1.一种基于环境射频能量采集的自供电系统，其特征在于包括接收天线、匹配电路、整流电路、升压储能电路和稳压电路，所述的接收天线用于获取环境中的射频能量并将获取到的射频能量转换为交流电输出，所述的匹配电路用于将所述的接收天线输出的交流电输送给所述的整流电路且同时用于将所述的整流电路的输入阻抗匹配到50Ω，所述的整流电路接入所述的匹配电路输出的交流电，且将输入其内的交流电转换为直流电压输出，所述的升压储能电路用于接入所述的整流电路输出的直流电压并将该直流电压升压处理后进行电能储存，所述的稳压电路从所述的升压储能电路处获取电能，为外部低功耗物联网节点供电。

2.根据权利要求1所述的一种基于环境射频能量采集的自供电系统，其特征在于所述的匹配电包括第一微带线、第二微带线、第三微带线和第一电容，所述的第一微带线的一端、所述的第二微带线的一端和所述的第一电容的一端连接且其连接端为所述的匹配电路的输入端，所述的匹配电路的输入端与所述的接收天线连接，接入所述的接收天线输出的交流电，所述的第一微带线的另一端悬空，所述的第二微带线的另一端悬空，所述的第一电容的另一端和所述的第三微带线的一端连接且其连接端为所述的匹配电路的输出端，所述的匹配电路的输出端将其接入的交流电输出，所述的第三微带线的另一端悬空；所述的整流电路包括第一二极管、第二二极管和第二电容，所述的第一二极管和所述的第二二极管均为整流二极管，所述的第一二极管的负极和所述的第二二极管的正极连接且其连接端为所述的整流电路的输入端，所述的整流电路的输入端接入所述的匹配电路输出的交流电，所述的第二二级管的负极接地，所述的第一二极管的正极和所述的第二电容的一端连接且其连接端为所述的整流电路的输出端，所述的整流电路的输出端输出直流电压，所述的第二电容的另一端接地。

3.根据权利要求1所述的一种基于环境射频能量采集的自供电系统，其特征在于所述的升压储能电路包括型号为BQ25504的升压转换器、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第一电感、第一三极管和第一MOS管，所述的第三电容为超级电容，所述的第四电容为电解电容，所述的第五电容的一端、所述的第一电感的一端、所述的第八电阻的一端和所述的升压转换器的第2脚连接且其连接端为所述的升压储能电路的输入端，所述的升压储能电路的输入端接入所述的整流电路输出的直流电压，所述的第五电容的另一端和所述的升压转换器的第1脚连接且其连接端接地，所述的第一电感的另一端和所述的升压转换器的第16脚连接，所述的第八电阻的另一端、所述的第九电阻的一端和所述的升压转换器的第3脚连接，所述的第九电阻的另一端、所述的第六电容的一端和所述的升压转换器的第5脚连接且其连接端接地，所述的第六电容的另一端和所述的升压转换器的第4脚连接，所述的升压转换器的第6脚、所述的第一电阻的一端和所述的第二电阻的一端连接，所述的第一电阻的另一端、所述的升压转换器的第7脚、所述的第三电阻的一端和所述的第七电阻的一端连接，所述的第二电阻的另一端和所述的第四电阻的一端均接地，所述的第四电阻的另一端、所述的第三电阻的另一端和所述的升压转换器的第8脚连接，所述的第七电阻的另一端、所述的第六电阻的一端和所述的升压转换器的第9脚连接，所述的第六电阻的另一端、所述的第五电阻的一端和所述的升压转换器的第10脚连接，所述的第五电阻的另一端接地，所述的升压转换器的第11脚和所述的第十电阻的一端连接，所述的第十电阻的另一端和所述的第一三极管的基极连接，所述的第一三极管的发射极接地，所述的第一三极管的集电极、所述的第十一电阻的一端和所述的第一MOS管的栅极连接，所述的升压转换器的第12脚、所述的升压转换器的第13脚和所述的第四电容的负极连接且其连接端接地，所述的第四电容的正极和所述的升压转换器的第14脚连接，所述的第一MOS管的漏极为所述的升压储能电路的输出端，用于输出电能，所述的第一MOS管的源极、所述的第十一电阻的另一端、所述的第三电容的一端和所述的升压转换器的第15脚连接，所述的第三电容的另一端和所述的升压转换器的第17脚连接且其连接端接地。

4.根据权利要求1所述的一种基于环境射频能量采集的自供电系统，其特征在于所述的升压储能电路包括第一升压模块和第二升压模块，所述的第一升压模块用于对所述的整流电路输出的直流电压进行初步升压，并使所述的匹配电路和所述的整流电路能够匹配不同的负载使用，所述的第一升压模块包括高频振荡器、低频振荡器、第七电容、第八电容、第二电感、第二MOS管和第三二极管，所述的低频振荡器和所述的高频振荡器连接，所述的高频振荡器和所述的第二MOS管的栅极连接，所述的低频振荡器和所述的高频振荡器用于控制所述的第二MOS管的导通或截止，所述的第二MOS管的漏极和所述的第七电容的一端连接且其连接端为所述的第一升压模块的输入端，所述的第一升压模块的输入端为所述的升压储能电路的输入端，接入所述的整流电路输出的直流电压，所述的第七电容的另一端、所述的第二电感的一端和所述的第三二极管的正极连接，所述的第三二极管的负极和所述的第八电容的一端连接且其连接端为所述的第一升压模块的输出端，所述的第八电容的另一端、所述的第二电感的另一端和所述的第二MOS管的源极连接且其连接端接地。

所述的第二升压模块包括型号为BQ25504的升压转换器、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第一电感、第一三极管和第一MOS管，所述的第三电容为超级电容，所述的第四电容为电解电容，所述的第五电容的一端、所述的第一电感的一端、所述的第八电阻的一端和所述的升压转换器的第2脚连接且其连接端为所述的第二升压模块的输入端，所述的第二升压模块的输入端和所述的第一升压模块的输出端连接，所述的第五电容的另一端和所述的升压转换器的第1脚连接且其连接端接地，所述的第一电感的另一端和所述的升压转换器的第16脚连接，所述的第八电阻的另一端、所述的第九电阻的一端和所述的升压转换器的第3脚连接，所述的第九电阻的另一端、所述的第六电容的一端和所述的升压转换器的第5脚连接且其连接端接地，所述的第六电容的另一端和所述的升压转换器的第4脚连接，所述的升压转换器的第6脚、所述的第一电阻的一端和所述的第二电阻的一端连接，所述的第一电阻的另一端、所述的升压转换器的第7脚、所述的第三电阻的一端和所述的第七电阻的一端连接，所述的第二电阻的另一端和所述的第四电阻的一端均接地，所述的第四电阻的另一端、所述的第三电阻的另一端和所述的升压转换器的第8脚连接，所述的第七电阻的另一端、所述的第六电阻的一端和所述的升压转换器的第9脚连接，所述的第六电阻的另一端、所述的第五电阻的一端和所述的升压转换器的第10脚连接，所述的第五电阻的另一端接地，所述的升压转换器的第11脚和所述的第十电阻的一端连接，所述的第十电阻的另一端和所述的第一三极管的基极连接，所述的第一三极管的发射极接地，所述的第一三极管的集电极、所述的第十一电阻的一端和所述的第一MOS管的栅极连接，所述的升压转换器的第12脚、所述的升压转换器的第13脚和所述的第四电容的负极连接且其连接端接地，所述的第四电容的正极和所述的升压转换器的第14脚连接，所述的第一MOS管的漏极为所述的第二升压模块的输出端，所述的第二升压模块的输出端为所述的升压储能电路的输出端，用于输出电能，所述的第一MOS管的源极、所述的第十一电阻的另一端、所述的第三电容的一端和所述的升压转换器的第15脚连接，所述的第三电容的另一端和所述的升压转换器的第17脚连接且其连接端接地。

5.根据权利要求1所述的一种基于环境射频能量采集的自供电系统，其特征在于所述的接收天线为多频天线或者天线阵列来实现。

6.根据权利要求1所述的一种基于环境射频能量采集的自供电系统，其特征在于所述的稳压电路采用LDO线性稳压电路结构实现，所述的稳压电路包括型号为MCP33的稳压芯片、第九电容和第十电容，所述的稳压信号的输入脚和所述的第九电容的一端连接且其连接端为所述的稳压电路的输入端，用于从所述的升压储能电路处获取电能，所述的稳压电路的输出脚和所述的第十电容的一端连接且其连接端为所述的稳压电路的输出端，用于为外部低功耗物联网节点供电，所述的第九电容的另一端、所述的第十电容的另一端和所述的稳压芯片的接地脚均接地。

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