CN111052540A

CN111052540A - 将入射射频能量转换成直流的能量收集器、相应方法和包括能量收集器的传感器

Info

Publication number: CN111052540A
Application number: CN201880055709.8A
Authority: CN
Inventors: A·L·罗德里格斯·曼萨诺; O·V·林克; S·范·德·贾格
Original assignee: Novi Energy
Current assignee: Nexperia BV
Priority date: 2017-06-28
Filing date: 2018-06-27
Publication date: 2020-04-21
Also published as: WO2019004824A1; NL2019135B1; US20200119585A1; EP3646435A1

Abstract

一种能量收集器(RF)，用于将与射频信号即RF信号相关联的入射RF能量转换成直流能量，其包括：整流器(5)，该整流器(5)包括预储存电容器(4)，其中所述整流器被布置为对传入的RF能量(3)进行整流，从而将RF能量储存到预储存电容器(4)中；之后是能量传递单元(6)，其包括储存输出电容器(8)，储存输出电容器(8)的值高于预储存电容器(4)的值，能量传递单元被布置为将来自预储存电容器的能量传递到包括控制单元(2)的储存输出电容器中。

Description

将入射射频能量转换成直流的能量收集器、相应方法和包括能量收集器的传感器

技术领域

本发明通常涉及能量的收集，并且更具体地，涉及高效地储存所收集的与RF信号相关联的能量。

背景技术

如今，数十亿个射频(RF)发射器正在以连续方式广播RF能量。例如，移动电话、基站、无线电广播台、WiFi接入点以及手持无线电对讲机全部发射RF信号。用以从环境或专用源收集RF能量的能力使得能够进行例如传感器装置的无线充电。

能量收集(还已知为功率收集或能量捡拾或环境功率)是如下的过程，通过该过程从外部源导出能量(例如，还已知为环境能量的射频能量、太阳能、热能、风能、盐度梯度和动能)，并针对如在可穿戴电子器件和无线传感器网络中使用的装置那样的小型无线自主装置来捕获并储存该能量。

能量收集器对低能电子器件提供非常小量的功率。尽管对一些大规模发电的投入燃料耗费了资源(石油、煤炭等)，但存在能量收集器所用的能量源作为环境背景。例如，从内燃机的操作存在温度梯度，并且在城市地区，由于无线电和电视广播而在环境中存在大量电磁能量。

本发明明确地涉及从与RF信号相关联的RF能量收集能量。

收集RF能量的概念是已经知晓的。该领域的一个挑战是改进能源收集。也就是说，应尽可能高效地转换和/或储存在天线处接收到的RF能量。优选地，应转换和储存RF能量，使得不再需要电池。然后，从RF信号获得用于使装置(例如，传感器)工作的所有能量。

接着上述，已知的能量收集器的缺点是无法高效地转换和储存所接收到的RF功率。

发明内容

实现能够高效地转换和储存与射频(RF)信号相关联的RF能量的能量收集器，这将是有利的。还将期望实现相应的方法以及包括这样的能量收集器的传感器装置。

为了更好地解决这些担忧中的一个或多个，在本发明的第一方面，提供一种能量收集器，用于将与射频(RF)信号相关联的入射RF能量转换成直流能量。

所述能量收集器包括：

-整流器，其包括预储存电容器，其中所述整流器被布置为对传入的所述入射RF能量进行整流，由此将所述RF能量储存到所述预储存电容器中；

-能量传递单元，其包括储存输出电容器，其中所述储存输出电容器的电容值高于所述预储存电容器的电容值，以及其中所述能量传递单元被布置为将所述预储存电容器中的所述能量传递到所述储存输出电容器中；

-控制单元，其被布置用于控制所述能量传递单元，其中所述控制单元被布置为测量所述预储存电容器上的电压，以及其中所述控制单元还被布置为：

-在所测量的电压高于第一电压阈值的情况下，激活所述能量传递单元，以开始将所述预储存电容器中的所述能量传递到所述储存输出电容器中，

其中，每当所述预储存电容器上的电压降至低于第二电压阈值时，去激活所述能量传递单元，其中所述第一电压阈值高于所述第二电压阈值，以及其中，

-所述预储存电容器的电容值在100皮法即100pF和100纳法即100nF之间；

-所述储存输出电容器的电容值在1微法即1μF和100毫法即100mF之间。

本发明基于与RF信号相关联的RF能量相对低这一概念。该能量由整流器进行整流并被储存在预储存电容器中。因而，预储存电容器将经由与RF信号相关联的RF能量而被通电。

本发明人已发现，预储存电容器不形成稳定的电压参考点。然而，优选稳定的电压参考点作为向任何直流(DC)-DC转换器的输入信号。

如此，一个观点是应创建稳定的电压参考点，该稳定的电压参考点可用作向所连接的任何DC-DC转换器的输入。

以上使用能量传递单元来实现。能量传递单元被布置为将预储存电容器所包括的能量传递到储存输出电容器。在储存输出电容器的电容值高于预储存电容器的电容值时，储存输出电容器形成稳定的电压参考点。

基于预储存电容器上的电压来控制能量传递单元的操作。也就是说，一旦预储存电容器上的电压超过特定的第一电压阈值，能量传递单元被激活。因而，预储存电容器上的电压有效地形成用于激活能量传递单元的触发器。一旦能量传递单元被激活，预储存电容器中所存在的电荷将被传递到输出电容器。这样，预储存电容器上的电压将自动下降。本发明人已发现，在基于输入电压(即，预储存电容器)来控制能量传递单元的操作的情况下，能量传递单元正高效地工作。

一旦预储存电容器上的电压将降至低于特定的第二电压阈值(或降至基本上为零伏)，能量传递单元将被去激活，其中第一电压阈值高于第二电压阈值。这可以简单地通过预储存电容器的耗尽过程来实现。例如，一旦预储存电容器耗尽、或基本上耗尽，能量传递单元可被自动去激活。为了通过检测到预储存电容器上的电压降至低于第二电压阈值来主动使能量传递单元去激活，可以实现其它方式。以下将进一步更详细地说明这些方式。

因而，控制单元被布置为实际测量预储存电容器上的电压，并根据所获得的测量来动作。在预储存电容器和能量传递单元之间的电流路径中不存在欧姆组件或者如FET等那样的其它组件，这可能会降低收集器的效率。

应当注意，上述处理得到储存输出电容器的周期性充电。以上得到如下事实：可以将储存输出电容器的值选择为比预储存电容器的值高的多。这样又得到针对所连接的任何DC-DC转换器的稳定得多的电压参考点。

根据本发明，能量传递单元被布置为将能量从预储存电容器传递到储存输出电容器。能量传递单元还可被布置为使预储存电容器上的电压升压到更高的电压，使得储存输出电容器上的电压超过预储存电容器上的电压。

在示例中，所述控制单元还被布置为：

-在所测量的电压低于第二电压阈值的情况下，去激活所述能量传递单元，以停止将所述预储存电容器中的所述能量传递到所述储存输出电容器中，其中，所述第一电压阈值高于所述第二电压阈值。

这里，控制单元被布置为在所测量的电压降至低于第二电压阈值的情况下，主动使能量传递单元去激活。这可以确保能量传递单元的正常运行。

根据本发明，存在以下至少之一：

-所述预储存电容器的电容值在100皮法(pF)和100纳法(nF)之间；以及

-所述储存输出电容器的电容值在1微法(μF)和100毫法(mF)之间。

已发现如果预储存电容器和储存输出电容器的值落在如上所述的范围内，则这是有利的。储存输出电容器的值在1微法(μF)和10毫法(mF)之间，这确保了储存输出电容器可用作向所连接的任何DC-DC转换器的稳定参考点。

在一个示例中，所述能量收集器包括功率管理单元，所述功率管理单元连接至所述储存输出电容器，其中所述功率管理单元被布置为将所述储存输出电容器上的电压转换成工作DC电压。

因而，工作DC电压是能量收集器的工作电压。该工作DC电压可以用作其它组件连接至的标准DC电压。功率管理单元通常被布置为使预储存电容器上的电压升压。本发明人已发现，每当输入形成稳定的电压参考点时，这样的电压转换器高效地工作。这是使用本发明的能量传递单元所建立的，其中能量传递单元包括值在1微法和100毫法之间的储存输出电容器。

在这里的详细实施例中，所述控制单元还被布置为测量所述储存输出电容器上的电压，并且其中，所述控制单元还被布置为：

在所测量的储存输出电容器上的电压高于预定阈值的情况下，激活所述功率管理单元，以开始将所述储存输出电容器上的电压转换成所述工作DC电压。

上述实施例的优点是，仅在储存输出电容器上的电压高于预定阈值时，才可以通过激活功率管理单元来提高能量收集器的效率。如此，仅在储存输出电容器上的电压(即，稳定参考点)高于预定阈值时，才激活功率管理单元。

在另一示例中，所述能量传递单元包括：

-低功率振荡器，其连接至所述预储存电容器，其中所述低功率振荡器被布置为基于所述预储存电容器中所储存的所述能量来提供振荡输出信号；

-交流-直流转换器即AC-DC转换器，其连接至所述低功率振荡器和所述储存输出电容器，其中所述AC-DC转换器被布置用于将所述振荡输出信号转换成DC输出信号，其中所述DC输出信号被提供至所述储存输出电容器，

其中，所述控制单元被布置为通过激活和去激活所述低功率振荡器来激活和去激活所述能量传递单元。

以上说明了能量传递单元的实现的典型示例。可以使用低功率振荡器和AC-DC转换器的组合来获得能量从预储存电容器向储存输出电容器的有效传递。

在一个示例中，所述能量传递单元包括：

-开关模式升压转换器，用于使所述预储存电容器上的电压升压，由此获得所述储存输出电容器上的升压电压。

注意，能量传递单元还可以包括用于将能量从预储存电容器传递到储存输出电容器的任何其它类型的DC-DC转换器。

在另一示例中，所述能量收集器还包括用于向所述控制单元供给能量的电池或所收集的能量。

在另一示例中，所述整流器包括从包含肖特基二极管、PN结二极管、连接有二极管的场效应晶体管以及隧道二极管的组中所选择的一个或多个二极管。注意，整流器可以包括用于进行整流操作的二极管以外的任何组件。

在一个示例中，所述控制单元包括用于提供所述第一电压阈值和所述第二电压阈值的具有滞后的运算放大器比较器即运放比较器。

在另一示例中，所述能量收集器还包括：

-旁路开关，用于绕过所述能量传递单元，

其中，所述控制单元还被布置用于基于所测量的所述预储存电容器上的电压判断为传入的所述入射能量没有波动，并且用于基于所述判断来激活所述旁路开关。

本发明人的一个见解是主要在正产生的输入能量具有波动特性时使用能量传递单元。在输入能量没有波动的情况下，绕过能量传递单元可能更好。在这种情况下，预储存电容器可以形成稳定的参考。

不应从字面上理解根据本发明的方法和装置所包括的不同方面的表述、即措辞。这些方面的措辞仅仅是为了准确地表达这些方面的实际功能背后的原理而选择的。

根据本发明，可应用于能量收集器的上述示例的不同方面(包括其优点)对应于可应用于相应方法的方面。

在第二方面，提供一种传感器装置，包括：

-根据前述权利要求中任一项所述的能量收集器；

-天线，其连接至所述整流器，其中所述天线被布置用于接收所述RF信号；

-传感器，用于进行测量。

在一个示例中，所述传感器装置还包括：

-控制器，其被布置用于测量所述工作DC电压，并且用于启动所述传感器以进行所述测量，且每当所测量的工作DC电压超过预定工作电压时用于发送所进行的测量。

在第三方面，提供一种转换方法，用于使用根据如上所提供的示例中的任意示例所述的能量收集器来将与射频信号即RF信号相关联的入射RF能量转换成直流能量，所述方法包括以下步骤：

-利用所述整流器，对传入的所述入射RF能量进行整流，由此将所述RF能量储存到所述预储存电容器中；

-利用所述能量传递单元，将所述预储存电容器中的所述能量传递到所述储存输出电容器中；

-利用所述控制单元，控制所述能量传递单元，其中所述控制包括：测量所述预储存电容器上的电压，以及其中，所述控制还包括：

-在所测量的电压低于第二电压阈值(或基本上为零伏)的情况下，去激活所述能量传递单元，以停止将所述预储存电容器中的所述能量传递到所述储存输出电容器中，

其中，所述第一电压阈值高于所述第二电压阈值。

在一个示例中，存在以下至少之一：

-所述预储存电容器的电容值在100皮法(pF)和100纳法(nF)之间；

通过以下参考附图的说明，将最好地理解本发明的上述及其它的特征和优点。在附图中，相似的附图标记表示相同的部分或者进行相同或相当的功能或操作的部分。

附图说明

图1示出根据本发明的能量收集器的高级框图。

图2示出根据本发明的能量收集器的框图。

图3示出根据本发明的传感器装置的框图。

图4示出根据本发明的与能量收集器相对应的电压图。

图5示出根据本发明的能量收集器的另一框图。

图6示出根据本发明的能量收集器的又一框图。

具体实施方式

图1示出例示根据本发明的能量收集器的高级框图1。在图1中，能量收集器由利用附图标记2、4、5、6和8表示的块组成。

能量收集器被布置为将与射频(RF)信号相关联的入射RF能量转换成直流能量。相应的RF信号由天线3拾取。因而，天线3接收各种RF信号，例如，蓝牙(Bluetooth)相关信号传送、移动电话相关信号传送和Wi-Fi相关信号传送等。

本发明涉及与RF信号相关联的RF能量可用于能量收集这一概念。可以从RF信号收集的能量通常相当低。如此，如果高效地执行收集部、使得在处理期间能量损失尽可能少，这是有益的。本发明的能量收集器涉及用以收集RF信号中存在的能量的高效方式。

根据本发明的能量收集器可用在例如无线传感器装置中。无线传感器装置例如用于进行传感器测量，并用于将所述测量无线地提供至网关等。这种无线传感器装置的收集部被布置为从RF信号连续地收集能量。一旦收集了足够的能量，无线传感器装置可以决定进行测量并将所进行的测量发送至网关。通常，在足够的能量可供使用之前，收集可能需要相当长的一段时间。例如，在达到足够的能量水平之前，收集可能需要几个小时或甚至数天。

能量收集器包括整流器5，其包括预储存电容器4，其中整流器5被布置为对传入的入射RF能量进行整流，由此将RF能量储存到预储存电容器4中。由于RF能量相对低，因此预储存电容器4通常是小尺寸电容器。

能量收集器还包括能量传递单元6，其包括储存输出电容器8，其中所述储存输出电容器的电容值高于所述预储存电容器4的电容值，以及其中所述能量传递单元6被布置为将所述预储存电容器4中的所述能量传递到所述储存输出电容器8中。

注意，预储存电容器的电容值在100皮法(pF)和100纳法(nF)之间，并且所述储存输出电容器的电容值在1微法(μF)和100毫法(mF)之间。

其优点是创建稳定的参考点，即由储存输出电容器8形成稳定的参考点，该储存输出电容器8用于连接DC-DC电压转换器(例如，功率管理单元)。

最后，能量收集器包括控制单元2，其被布置用于控制所述能量传递单元6，其中所述控制单元2被布置为测量所述预储存电容器4上的电压，以及其中所述控制单元2还被布置为：

-在所述测量电压高于第一电压阈值的情况下，激活所述能量传递单元6，以开始将所述预储存电容器4中的所述能量传递到所述储存输出电容器8中。

这里，每当所述预储存电容器4上的所述电压降至低于第二电压阈值(或基本上为零伏)的情况下，对能量传递单元6进行去激活，其中所述第一电压阈值高于所述第二电压阈值。

最后，能量收集器可以包括功率管理单元7，其连接至所述储存输出电容器8，其中所述功率管理单元7被布置为将所述储存输出电容器8上的电压转换成工作DC电压。

优选地，整流器5包括用于对所接收到的RF能量进行整流的无源组件。整流器5可以包括从包含肖特基二极管、PN结二极管、连接有二极管的场效应晶体管以及隧道二极管的组中所选择的一个或多个二极管。适合于对所接收到的RF信号进行整流的任何其它类型的整流器可能足够。

图2示出例示根据本发明的能量收集器的框图21。

这里，描述能量传递单元22的具体实现。能量传递单元22包括低功率振荡器24以及交流(AC)-直流(DC)转换单元25。控制单元2被布置为感测预储存电容器4两端的电压，并且被布置为控制(即，激活)低功率振荡器24。基于所感测的预储存电容器4两端的电压来进行低功率振荡器的激活。也就是说，控制单元2被布置为每当预储存电容器4上的感测电压高于第一电压阈值时，激活低功率振荡器24。第一电压阈值例如在10～100mV的范围内。

然后，低功率振荡器24将从提供振荡器输出信号开始。振荡器输出信号被提供至AC-DC转换单元25，该AC-DC转换单元25被布置为将该信号转换为DC电压，该DC电压被储存在储存输出电容器23中。上述的能量传递单元22的实现是有利的，因为这是将能量从预储存电容器4传递到储存输出电容器23中的高效方式。

图3示出例示根据本发明的传感器装置的框图。

传感器装置31包括如针对图1和图2所述的能量收集器、连接至所述整流器5的天线3(其中，所述天线3被布置用于接收所述RF信号)、以及用于进行测量的传感器33。

传感器装置31的正确操作可以由微控制器34控制。微控制器34由功率管理7授权，并且可以启动传感器33以进行传感器测量，并且可以启动发送模块以发送所进行的传感器测量。本发明人已发现，蓝牙低功耗模块35可以是传感器装置31的合适选择。蓝牙低功耗模块25可以使用与用于能量的收集的天线相同的天线，即如利用附图标记3所示。可选地，蓝牙低功耗模块25可使用专用天线，即如利用附图标记36所示。

图4示出根据本发明的与能量收集器相对应的电压图41。

这里，描述四个不同的波形42、43、44、45。利用附图标记45表示的波形与预储存电容器两端的电压有关。利用附图标记44表示的波形与如图2所示的低功率振荡器的输出有关。利用附图标记43表示的波形与用于激活能量传递单元的控制信号有关。最后，利用附图标记42表示的波形与储存输出电容器两端的电压有关。

这里，示出预储存电容器上的电压由于从通过天线接收到的任何RF信号传送所收集到的能量而增加。注意，在本图中，预储存电容器上的电压正平稳地增加。然而，实际上，电压并不像图4所示那样平稳地增加。一个原因是，入射RF信号传送随时间的经过不是恒定的。可能发生如下情况：能量收集器在特定时间点接收大量能量，但在不同的时间点未接收大量能量。这取决于能量收集器的附近的RF发射器的活动。如此，波形45的斜率可能不同。

一旦预储存电容器上的电压高于第一电压阈值，激活能量传递单元。这由控制信号43和低功率振荡器输出信号44来描述。

控制信号可以由级联为运放(OpAmp)的运算放大器来生成。运放可以将预储存电容器两端的电压与第一电压阈值进行比较。

一旦激活了能量传递单元，能量从预储存电容器传递到储存输出电容器。如此，在能量传递单元的活动时间段期间，储存输出电容器两端的电压升高。

图5示出例示根据本发明的能量收集器的另一框图51。

这里，能量收集器包括三个天线52、53、54。这些天线52、53、54各自可被调谐到不同的频率。第一天线52可被调谐到5GHz，第二天线53可被调谐到2.4GHz，第三天线54可被调谐到1.8GHz。

第一天线52耦接至具有第一预储存电容器58的第一整流器55。第二天线53耦接至具有第二预储存电容器59的第二整流器56。第三天线54耦接至具有第三预储存电容器60的第三整流器57。

第一整流器55连接至包括第一储存输出电容器64的第一能量传递单元61，其中所述第一储存输出电容器64的电容值高于所述第一预储存电容器58的电容值，以及其中所述第一能量传递单元61被布置为将所述第一预储存电容器58中的所述能量传递到所述储存输出电容器64中。

第二整流器56连接至包括第二储存输出电容器65的第二能量传递单元62，其中所述第二储存输出电容器65的电容值高于所述第二预储存电容器59的电容值，以及其中所述第二能量传递单元62被布置为将所述第二预储存电容器59中的所述能量传递到所述第二储存输出电容器65中。

第三整流器57连接至包括第三储存输出电容器66的第三能量传递单元63，其中所述第三储存输出电容器66的电容值高于所述第三预储存电容器60的电容值，以及其中所述第三能量传递单元63被布置为将所述第三预储存电容器60中的所述能量传递到所述第三储存输出电容器63中。

注意，储存输出电容器64、65、66各自串联连接，并且连接至功率管理单元67。其优点是，通过具有并行的能量传递单元，各个收集器组件单独工作。

图6示出例示根据本发明的能量收集器的另一框图61。这里，如用于其它附图那样使用相同的附图标记。

功率管理单元7由DC-DC转换器7形成。DC-DC转换器7(例如，升压转换器)将储存输出电容器上的电压转换到工作电压电容器9。工作电压电容器9用于供给工作电源电压。

DC-DC转换器可以由控制单元2基于在储存输出电容器8上测量的电压来控制。也就是说，一旦储存输出电容器上的电压超过预定阈值，可以激活DC-DC转换器7以确保DC-DC转换器7在高效域中工作。

通过对附图、公开内容和所附权利要求书的研究，本领域技术人员在实践要求保护的发明时，可以理解并实现所公开的实施例的其它变形例。在权利要求书中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“a”或“an”不排除多个。单个处理器或其它单元可以实现在权利要求书中记载的数个项的功能。仅是在相互不同的从属权利要求中记载某些措施这一事实并不表明不能有利地使用这些措施的组合。计算机程序可以存储/分发在适当的非暂时性介质(诸如连同其它硬件一起或者作为其它硬件的一部分供给的光学储存介质或固态介质等)上，但也可以以其它形式(诸如经由因特网或者其它有线或无线电信系统等)来分发。权利要求书中的任何附图标记均不应被解释为限制权利要求书的范围。

Claims

1.一种能量收集器，用于将与射频信号即RF信号相关联的入射RF能量转换成直流能量，所述能量收集器包括：

2.根据权利要求1所述的能量收集器，其中，所述能量收集器包括功率管理单元，所述功率管理单元连接至所述储存输出电容器，其中所述功率管理单元被布置为将所述储存输出电容器上的电压转换成工作DC电压。

3.根据权利要求2所述的能量收集器，其中，所述控制单元还被布置为测量所述储存输出电容器上的电压，并且所述控制单元还被布置为：

-在所测量的所述储存输出电容器上的电压高于预定阈值的情况下，激活所述功率管理单元，以开始将所述储存输出电容器上的所述电压转换成所述工作DC电压。

4.根据前述权利要求中任一项所述的能量收集器，其中，所述控制单元还被布置为：

5.根据前述权利要求中任一项所述的能量收集器，其中，所述能量传递单元包括：

6.根据前述权利要求中任一项所述的能量收集器，其中，所述功率管理单元包括：

7.根据前述权利要求中任一项所述的能量收集器，其中，所述能量收集器还包括用于向所述控制单元供给能量的电池或所收集的能量。

8.根据前述权利要求中任一项所述的能量收集器，其中，所述整流器包括从包含肖特基二极管、PN结二极管、连接有二极管的场效应晶体管以及隧道二极管的组中所选择的一个或多个二极管。

9.根据前述权利要求中任一项所述的能量收集器，其中，所述控制单元包括用于提供所述第一电压阈值和所述第二电压阈值的具有滞后的运算放大器比较器即运放比较器。

10.根据前述权利要求中任一项所述的能量收集器，其中，所述能量收集器还包括：

-旁路开关，用于绕过所述能量传递单元，

其中，所述控制单元还被布置用于基于所测量的所述预储存电容器上的电压判断为传入的入射能量没有波动，并且用于基于所述判断来激活所述旁路开关。

11.根据前述权利要求中任一项和权利要求2所述的能量收集器，其中，所述功率管理单元的升压因子是能够控制的，以及其中，所述控制器被布置为控制所述升压因子。

12.一种传感器装置，包括：

-根据前述权利要求中任一项所述的能量收集器；

-传感器，用于进行测量。

13.根据权利要求12和2所述的传感器装置，其中，所述传感器装置还包括：

14.一种转换方法，用于使用根据权利要求1至11中任一项所述的能量收集器来将与射频信号即RF信号相关联的入射RF能量转换成直流能量，所述方法包括以下步骤：

-在所测量的电压低于第二电压阈值的情况下，去激活所述能量传递单元，以停止将所述预储存电容器中的所述能量传递到所述储存输出电容器中，

其中，所述第一电压阈值高于所述第二电压阈值。