CN111049282A - 低电压启动的微能量收集管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低电压启动的微能量收集管理系统，本发明实现了可在0.7V,360nA启动的微能量收集和电源管理系统，将能量收集启动功率降低到了0.252μW，能够显著提高能量收集的灵敏度；本发明可用于微弱光照、低振动强度、微小温差等环境中的能量收集，而且本发明尤其适用于基于射频能量收集的场景中；经试验，本发明能够运行的最小射频输入功率‑20.5dBm@915MHz，能够有效扩展射频能量收集的空间范围。

Description

低电压启动的微能量收集管理系统
技术领域
本发明涉及微能量收集领域，更具体地说，涉及一种低电压启动的微能量收集管理系统。
背景技术
能量收集是实现无源物联网等低功耗电路系统长期免维护运行的一项关键技术。通过捕获环境中的这些能量，如照明、温差、振动和电磁波(射频能量)，可以让低功耗电子器件正常工作。而在这些微功率能源中，来自射频发射器的能量具有独特的优势，包括随距离变化可预测和一致的功率，能够使得无源物联网远离电池和有线供电的束缚。
环境射频能量如今可以从全球数百亿个无线发射器获得，而且发射器的数量还在不断增长，包括移动电话、手持无线电设备、移动基站以及电视/无线广播台等，捕获这类能量有助于创建各种新的无源物联网设备。目前，专门用于射频能量收集的专用集成电路/模块还比较少见，来自美国的Powercast、TI和比利时的E-Peas提供了目前为数不多的商业解决方案。
P2110B是Powercast最具代表性的射频能量收集模块，启动电压1.25V，启动电流3.9μA，启动功率4.9μW，模块能够运行的最小射频输入功率-11dBm@915MHz。
TI公司的BQ25504和BQ25505是最具代表性的能量收集芯片，启动电压分别是0.33V和0.6V，启动电流分别是45μA和25μA，启动功率均为15μW。
AEM40940是E-Peas在2018年新推出的专用射频能量收集芯片，启动电压0.38V，启动电流7.9μA，启动功率仅为3μW。芯片能够运行的最小射频输入功率-19dBm@915MHz。
发明内容
由于启动功率直接关系到(射频)能量收集的灵敏度，从而影响射频能量收集的有效范围。根据上述背景介绍，目前启动功率最小的能量收集解决方案也需要3μW。针对这一问题，本发明提出了启动功率更小的一套解决方案——低电压启动的微能量收集管理系统，将能量收集启动功率降低到了0.252μW。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种低电压启动的微能量收集管理系统，包含：
储能器件，储能器件的一端接地，另一端用于连接RF转DC模块的输出端，其中RF转DC模块的输入端连接射频能量收集天线，用于将射频能量转换为直流电进行输出；
电压监视芯片，具有输入端口以及指示输出端口，输入端口连接储能器件的所述另一端，指示输出端口用于电压监视芯片正常工作时，在所述输入端口输入的电压大于电压阈值VThreshold时，输出高电平，否则输出低电平；
第一N型开关管，S极接地，G极连接所述指示输出端口；
第一上拉电阻，一端接第一N型开关管的D极，一端连接储能器件的所述另一端；
P型开关管，G极连接第一N型开关管的D极，S极连接储能器件的所述另一端；
第二N型开关管，S极连接储能器件的所述另一端；
输入电容，一端接地，另一端分别连接P型开关管的D极和第二N型开关管的S极；
DC/DC转换芯片，两个电源输入电容连接在输入电容的两端；DC/DC转换芯片的最小启动电压VIn_Startup小于或等于电压监视芯片的启动电压VThreshold；
输出电容，一端接地，另一端连接DC/DC转换芯片的输出端；
去耦电容，一端接地，另一端连接输出电容的所述另一端，且用于与系统负载芯片的电源输入端连接；所述系统负载芯片具有高/低电平输出端；
第二上拉电阻，一端连接输出端的所述另一端，另一端连接第二N型开关管的G极，且第二上拉电阻的所述另一端用于连接所述高/低电平输出端；
第一N型开关管为NMOS且满足：VDDL＜VGS(th)＜VThreshold，VGS(th)为NMOS的门限电压，VDDL是电压监视芯片能够正常运行的最小工作电压；或，第一N型开关管为PNP晶体管且满足VDDL＜Vbe＜VThreshold，Vbe为PNP晶体管的b极和e极之间的静态直流电压；
所述储能器件的漏电流ILeakage、电压监视芯片的静态电流IMonitor满足：ILeakage+IMonitor_≤360nA；VThreshold、VIn_Startup满足：VIn_Startup≤VThreshold≤0.7V。
进一步地，在本发明的低电压启动的微能量收集管理系统中，所述储能器件包括电容、电池以及超级电容。
进一步地，在本发明的低电压启动的微能量收集管理系统中，储能器件为钽电容，电压监视芯片为R3114Q071，DC/DC转换芯片为TPS61098。
进一步地，在本发明的低电压启动的微能量收集管理系统中，系统负载芯片为MSP430FR5969。
进一步地，在本发明的低电压启动的微能量收集管理系统中，P型开关管为PMOS或者NPN晶体管，第二N型开关管NMOS。
进一步地，在本发明的低电压启动的微能量收集管理系统中，第一N型开关管的型号为SSM3K56MFV，P型开关管的型号为2SB815-7晶体管，第二N型开关管的型号为SSM3K56MFV。
进一步地，在本发明的低电压启动的微能量收集管理系统中，第一上拉电阻大小为1.3MΩ，第二上拉电阻大小为1.3MΩ。
进一步地，在本发明的低电压启动的微能量收集管理系统中，输入电容为1μF，输出电容为0.1μF，去耦电容为0.22μF。
进一步地，在本发明的低电压启动的微能量收集管理系统中，当DC/DC转换芯片启动后，所述储能器件上的电压会开始下降，P型开关管由于自身G极和S极之间的VGS降低会开始逐渐断开，一条由第二上拉电阻和第二N型开关管构成的反馈控制回路，将维持DC/DC转换芯片启动后储能器件与DC/DC转换芯片的导通状态；最后所述系统负载芯片启动运行并在完成一次任务后，控制所述高/低电平输出端口输出低电平，以将第二N型开关管由导通变为关断，从而DC/DC转换芯片关断，至此一个启动循环结束；能量收集过程继续进行，当储能器件的电压再次达到电压监视芯片的电压阈值时，启动下一个循环。
实施本发明的低电压启动的微能量收集管理系统，具有以下有益效果：本发明实现了可在0.7V,360nA启动的微能量收集和电源管理系统，将能量收集启动功率降低到了0.252μW，能够显著提高能量收集的灵敏度；本发明可用于微弱光照、低振动强度、微小温差等环境中的能量收集，而且本发明尤其适用于基于射频能量收集的场景中；经试验，本发明能够运行的最小射频输入功率-20.5dBm@915MHz，能够有效扩展射频能量收集的空间范围。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是低电压启动的微能量收集管理系统一实施例的电路原理图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
图1是低电压启动的微能量收集管理系统一实施例的电路原理图，本实施例的可在0.7V,360nA启动的微能量收集管理系统包含：储能器件C1、电压监视芯片U1、第一N型开关管Q1、第一上拉电阻R1、P型开关管Q2、第二N型开关管Q3、输入电容C2、DC/DC转换芯片U2、输出电容C3、去耦电容C4以及第二上拉电阻R2。
储能器件C1的下端接地，上端用于连接RF转DC模块RFDC的输出端(右侧)，其中RF转DC模块RFDC的输入端(左侧)连接射频能量收集天线TX，用于将射频能量转换为直流电进行输出。储能器件C1可以是电容、超级电容、电池等具有电荷存储功能的器件，且应当具有低漏电流、低自放电的特性，该储能器件C1的容量需根据U3系统负载启动运行一次的耗电量决定，本发明以220μF钽电容为例，漏电流ILeakage小于10nA。
电压监视芯片U1具有输入端口VIN以及指示输出端口
Figure BDA0002294396600000051
输入端口VIN连接储能器件C1的上端，指示输出端口
Figure BDA0002294396600000052
用于电压监视芯片正常工作时，在所述输入端口VIN输入的电压大于电压阈值VThreshold时，输出高电平，否则输出低电平。其中，电压监视芯片U1通常由基准电压源、电阻分压网络和电压比较器组成，能够持续监测电源电压VIN。
当0V＜VIN＜VDDL时，非正常工作，由于电压监视芯片U1内部MOSFET的亚阈值特性，指示端口虽然输出高电平，但指示输出端口
Figure BDA0002294396600000061
的输出电压
Figure BDA0002294396600000066
选择合适的Q1，使其门限VGS(th)＞VDDL，那么Q1不会导通，Q2也不导通，储能器件C1继续累积能量。其中VDDL是电压监视器U1能够正常运行的最小工作电压。
当VDDL＜VIN＜VThreshold时，指示输出端口
Figure BDA0002294396600000062
为低电平，Q1、Q2仍不导通，状态同上。
当VThreshold≤VIN时，指示输出端口
Figure BDA0002294396600000063
输出高电平
Figure BDA0002294396600000064
选择合适的Q1，使其VGS(th)＜VThreshold，那么Q1导通，Q2也导通，升/降压电路U2开始启动。
第一N型开关管Q1的S极接地，G极连接所述指示输出端口
Figure BDA0002294396600000065
第一上拉电阻R1一端接第一N型开关管Q1的D极，一端连接储能器件C1的上端。
P型开关管Q2的G极连接第一N型开关管Q1的D极，S极连接储能器件C1上端；
第二N型开关管Q3的S极连接储能器件C1的上端。
输入电容C2的下端接地，上端分别连接P型开关管Q2的D极和第二N型开关管Q3的S极，
DC/DC转换芯片U2，两个电源输入端连接在输入电容C2的两端。DC/DC转换芯片U2具有DC转DC变换功能，可以是开关升/降压或LDO电路，需注意该DC/DC转换芯片U2的最小启动电压VIn_Startup应当小于等于电电压监视芯片U1的启动电压VThreshold，且尽量具有较宽的输入电压范围和较高的电源转化效率。这里以DC/DC转换芯片U2为TPS61098为例，最小启动电压可低于0.7V。此外，输入电容C2的取值也较为关键，太小会导致DC-DC不稳定，太大则会导致VStorage下降过快，使Q2由于VGS过小而提前断开。本发明以C2＝1μF为例。
输出电容C3的下端接地，上端连接DC/DC转换芯片U2的输出端；去耦电容C4的下端接地，上端连接输出电容C3的所述另一端，且用于与系统负载芯片U3的电源输入端GND和VCC连接；所述系统负载芯片U3具有高/低电平输出端I/O。电容C3于DC/DC转换芯片U2的出滤波，电容C4于负载系统芯片U3的供电去耦。输出电容C3太小会导致DC/DC转换芯片U2的输出纹波大；而输出电容C3太大则会导致DC/DC转换芯片U2启动过慢，甚至DC/DC转换芯片U2还未完成启动，Q2就已经由于G极和S极之间的电压VGS过小而断开了。本发明以C3＝0.1μF，C4＝0.22μF为例。
第二上拉电阻R2的下端连接输出电容C3的上端，上端连接第二N型开关管Q3的G极，且第二上拉电阻R2的上端用于连接所述高/低电平输出端I/O。
第一N型开关管Q1为NMOS且满足：VDDL＜VGS(th)＜VThreshold，VGS(th)为NMOS的门限电压，VDDL是电压监视芯片U1能够正常运行的最小工作电压；或，第一N型开关管Q1为PNP晶体管且满足VDDL＜Vbe＜VThreshold，Vbe为PNP晶体管的b极和e极之间的静态直流电压。此外，电压监视芯片U1应具有尽量低的阈值电压VThreshold和静态电流IMonitor，本实施例中电压监视芯片U1为R3114Q071，VThreshold＝0.7V，IMonitor的典型值为350nA。
储能器件C1的漏电流ILeakage、电压监视芯片U1的静态电流IMonitor满足：ILeakage+IMonitor_≤360nA；VThreshold、VIn_Startup满足：VIn_Startup≤VThreshold≤0.7V。
在本实施例中，系统负载芯片U3为MSP430FR5969，P型开关管Q2为PMOS或者NPN晶体管，第二N型开关管Q3为NMOS，第一N型开关管Q1的型号为SSM3K56MFV，P型开关管Q2的型号为2SB815-7晶体管，第二N型开关管Q3的型号为SSM3K56MFV。第一上拉电阻R1大小为1.3MΩ，第二上拉电阻R2大小为1.3MΩ。
当DC/DC转换芯片启动后，所述储能器件C1上的电压会开始下降，P型开关管Q2由于自身G极和S极之间的VGS降低会开始逐渐断开，一条由第二上拉电阻R2和第二N型开关管Q3构成的反馈控制回路，将维持DC/DC转换芯片启动后储能器件C1与DC/DC转换芯片的导通状态；最后所述系统负载芯片U3启动运行并在完成一次任务后，控制所述高/低电平输出端口输出低电平，以将第二N型开关管Q3由导通变为关断，从而DC/DC转换芯片U2关断，至此一个启动循环结束；能量收集过程继续进行，当储能器件C1的电压再次达到电压监视芯片U1的电压阈值时，启动下一个循环。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种低电压启动的微能量收集管理系统，其特征在于，包含：
储能器件，储能器件的一端接地，另一端用于连接RF转DC模块的输出端，其中RF转DC模块的输入端连接射频能量收集天线，用于将射频能量转换为直流电进行输出；
电压监视芯片，具有输入端口以及指示输出端口，输入端口连接储能器件的所述另一端，指示输出端口用于电压监视芯片正常工作时，在所述输入端口输入的电压大于电压阈值VThreshold时，输出高电平，否则输出低电平；
第一N型开关管，S极接地，G极连接所述指示输出端口；
第一上拉电阻，一端接第一N型开关管的D极，一端连接储能器件的所述另一端；
P型开关管，G极连接第一N型开关管的D极，S极连接储能器件的所述另一端；
第二N型开关管，S极连接储能器件的所述另一端；
输入电容，一端接地，另一端分别连接P型开关管的D极和第二N型开关管的S极；
DC/DC转换芯片，两个电源输入端连接在输入电容的两端；DC/DC转换芯片的最小启动电压VIn_Startup小于或等于电压监视芯片的启动电压VThreshold；
输出电容，一端接地，另一端连接DC/DC转换芯片的输出端；
去耦电容，一端接地，另一端连接输出电容的所述另一端，且用于与系统负载芯片的电源输入端连接；所述系统负载芯片具有高/低电平输出端；
第二上拉电阻，一端连接输出电容的所述另一端，另一端连接第二N型开关管的G极，且第二上拉电阻的所述另一端用于连接所述高/低电平输出端；
第一N型开关管为NMOS且满足：VDDL＜VGS(th)＜VThreshold，VGS(th)为NMOS的门限电压，VDDL是电压监视芯片能够正常运行的最小工作电压；或，第一N型开关管为PNP晶体管且满足VDDL＜Vbe＜VThreshold，Vbe为PNP晶体管的b极和e极之间的静态直流电压；
所述储能器件的漏电流ILeakage、电压监视芯片的静态电流IMonitor满足：ILeakage+IMonitor_≤360nA；VThreshold、VIn_Startup满足：VIn_Startup≤VThreshold≤0.7V。
2.根据权利要求1所述的低电压启动的微能量收集管理系统，其特征在于，所述储能器件包括电容、电池以及超级电容。
3.根据权利要求1所述的低电压启动的微能量收集管理系统，其特征在于，储能器件为钽电容，电压监视芯片为R3114Q071，DC/DC转换芯片为TPS61098。
4.根据权利要求1所述的低电压启动的微能量收集管理系统，其特征在于，系统负载芯片为MSP430FR5969。
5.根据权利要求1所述的低电压启动的微能量收集管理系统，其特征在于，P型开关管为PMOS或者NPN晶体管，第二N型开关管NMOS。
6.根据权利要求5所述的低电压启动的微能量收集管理系统，其特征在于，第一N型开关管的型号为SSM3K56MFV，P型开关管的型号为2SB815-7晶体管，第二N型开关管的型号为SSM3K56MFV。
7.根据权利要求1所述的低电压启动的微能量收集管理系统，其特征在于，第一上拉电阻大小为1.3MΩ，第二上拉电阻大小为1.3MΩ。
8.根据权利要求1所述的低电压启动的微能量收集管理系统，其特征在于，输入电容为1μF，输出电容为0.1μF，去耦电容为0.22μF。
9.根据权利要求1所述的低电压启动的微能量收集管理系统，其特征在于，
当DC/DC转换芯片启动后，所述储能器件上的电压会开始下降，P型开关管由于自身G极和S极之间的VGS降低会开始逐渐断开，一条由第二上拉电阻和第二N型开关管构成的反馈控制回路，将维持DC/DC转换芯片启动后储能器件与DC/DC转换芯片的导通状态；最后所述系统负载芯片启动运行并在完成一次任务后，控制所述高/低电平输出端口输出低电平，以将第二N型开关管由导通变为关断，从而DC/DC转换芯片关断，至此一个启动循环结束；能量收集过程继续进行，当储能器件的电压再次达到电压监视芯片的电压阈值时，启动下一个循环。
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