CN111130221A - 低电流启动并有电压监视功能的微能量收集管理系统 - Google Patents

低电流启动并有电压监视功能的微能量收集管理系统 Download PDF

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CN111130221A CN201911210653.1A CN201911210653A CN111130221A CN 111130221 A CN111130221 A CN 111130221A CN 201911210653 A CN201911210653 A CN 201911210653A CN 111130221 A CN111130221 A CN 111130221A
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Abstract

本发明公开了一种低电流启动并有电压监视功能的微能量收集管理系统，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，实现了可在0.9V,160nA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0.144μW，能够显著提高能量收集的灵敏度，经试验，本发明能够运行的最小射频输入功率‑21dBm@915MHz，能够有效扩展射频能量收集的空间范围；同时，通过增加电压监视功能，保证系统的用电正常。

Description

低电流启动并有电压监视功能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，涉及一种低电流启动并有电压监视功能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。
同时，现有的微能量收集管理系统在进行工作时，系统负载芯片以及其他芯片往往都是一直工作，在系统收集能量较慢时，很慢满足系统负载芯片的正常用电，从而导致系统工作异常。
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。针对这一问题以及保证系统负载芯片等用电正常，本发明提出了启动功率更小的一套解决方案——低电流启动并有电压监视功能的微能量收集管理系统，将能量收集启动功率降低到了0.144μW。
根据本发明的其中一方面，本发明解决其技术问题所采用的技术方案提供了一种低电流启动并有电压监视功能的微能量收集管理系统，包含：
第一储能器件，第一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；
DC/DC转换芯片，DC/DC转换芯片的电源输入引脚连接所述另一端；
第一电压监视芯片，具有输入端口以及指示输出端口，输入端口连接第一储能器件的所述另一端，指示输出端口用于在所述输入端口输入的电压大于电压阈值时，输出高电平，否则输出低电平；
第一二极管，阳极连接所述指示输出端口；
第一电阻以及第二电阻，第一电阻的一端连接第一二极管的阴极，另一端连接第二电阻的一端，且同时连接至DC/DC转换芯片的使能端，第二电阻的另一端接地；第一电阻和第二电阻用于对第一二极管输出的电压进行分压，从而避免由于亚阈值特性导致的DC/DC转换芯片误启动；
第一N型开关管，D极连接第二电阻的所述一端，S极接地；
第二二极管，阳极连接DC/DC转换芯片的输出端，阴极连接所述使能端；
第二储能器件，一端接地，另一端连接DC/DC转换芯片的输出端；
第二电压监视芯片，具有输入端子以及指示输出端子，第二电压监视芯片的输入端子连接第二储能器件的所述另一端，指示输出端子用于正常工作时，在所述输入端子输入的电压小于电压阈值Vth时，输出低电平，否则输出高电平，该高电平的电压等于输入端子上的输入电压，即第二储能器件的电压Vin；
P型MOS管，P型MOS管的S极连接第二电压监视芯片的输入端子，D极用于连接系统负载芯片的电源输入端子，所述系统负载芯片具第一有高/低电平输出端和第二有高/低电平输出端；第一N型开关管的G极用于连接所述第一有高/低电平输出端，以接受系统负载芯片的控制进行开关状态的切换；
上拉电阻，上拉电阻的一端连接第二电压监视芯片的输入端子，另一端连接P型MOS管的G极；
第二N型MOS管，第二N型MOS管的D极连接P型MOS管的G极，S极接地；
第一分压限流电阻，串联在第二电压监视芯片的指示输出端子和第二N型MOS管的G极之间；
第二分压限流电阻，串联在所述系统负载芯片的第二高/低电平输出端和第二N型MOS管的G极之间；
第一电监视芯片的电压阈值VThreshold与DC/DC转换芯片的最小启动电压VIn_Startup满足：VIn_Startup＜VThreshold≤0.9V；第一储能器件的漏电流ILeakage、第一电压监视芯片的静态电流IMonitor和DC/DC转换芯片的关断电流IShutdown满足：ILeakage+IMonitor+IShutdown≤160nA。
根据本发明的另一方面，本发明为解决其技术问题，还提供了一种低电流启动并有电压监视功能的微能量收集管理系统，包含：
第一储能器件，第一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；
DC/DC转换芯片，DC/DC转换芯片的电源输入引脚连接所述另一端；
第一电压监视芯片，具有输入端口以及指示输出端口，输入端口连接第一储能器件的所述另一端，指示输出端口用于在所述输入端口输入的电压大于电压阈值时，输出高电平，否则输出低电平；
第一二极管，阳极连接所述指示输出端口；
第一电阻以及第二电阻，第一电阻的一端连接第一二极管的阴极，另一端连接第二电阻的一端，且同时连接至DC/DC转换芯片的使能端，第二电阻的另一端接地；第一电阻和第二电阻用于对第一二极管输出的电压进行分压，从而避免由于亚阈值特性导致的DC/DC转换芯片误启动；
第一N型开关管，D极连接第二电阻的所述一端，S极接地；
第二二极管，阳极连接DC/DC转换芯片的输出端，阴极连接所述使能端；
第二储能器件，一端接地，另一端连接DC/DC转换芯片的输出端；
第二电压监视芯片，具有输入端子以及指示输出端子，第二电压监视芯片的输入端子连接第二储能器件的所述另一端，指示输出端子用于第二电压监视芯片正常工作时，在所述输入端子输入的电压小于电压阈值Vth时，输出低电平，否则输出高电平，该高电平的电压等于输入端子上的输入电压，即第二储能器件的电压Vin；
P型MOS管，P型MOS管的S极连接第二电压监视芯片的输入端子，D极用于连接系统负载芯片的电源输入端子，所述系统负载芯片具第一有高/低电平输出端和第二有高/低电平输出端；第一N型开关管的G极用于连接所述第一有高/低电平输出端，以接受系统负载芯片的控制进行开关状态的切换；
上拉电阻，上拉电阻的一端连接第二电压监视芯片的输入端子，另一端连接P型MOS管的G极；
第二N型MOS管，第二N型MOS管的G极连接第二电压监视芯片的指示输出端子，D极连接P型MOS管的G极，S极接地；
第三N型MOS管，第三N型MOS管的G极连接所述系统负载芯片的第二高/低电平输出端，D极连接P型MOS管的G极，S极接地；
第一电监视芯片的电压阈值VThreshold与DC/DC转换芯片的最小启动电压VIn_Startup满足：VIn_Startup＜VThreshold≤0.9V；第一储能器件的漏电流ILeakage、第一电压监视芯片的静态电流IMonitor和DC/DC转换芯片的关断电流IShutdown满足：ILeakage+IMonitor+IShutdown≤160nA。
进一步地，在本发明的低电流启动并有电压监视功能的微能量收集管理系统中，第二二极管的阴极与所述使能端之间串联有第三电阻。
进一步地，在本发明的低电流启动并有电压监视功能的微能量收集管理系统中，第一储能器件为钽电容，第一电压监视芯片为TPS3839A09，DC/DC转换芯片为MAX17222；所第二述电压监视芯片为TPS3831、TPS3839、R3114或R3116。
进一步地，在本发明的低电流启动并有电压监视功能的微能量收集管理系统中，系统负载芯片为MSP430FR5969，第一二极管和第二二极管均为1N4148。
进一步地，在本发明的低电流启动并有电压监视功能的微能量收集管理系统中，第一电阻、第二电阻以及第三电阻相等，均为30MΩ。
进一步地，在本发明的低电流启动并有电压监视功能的微能量收集管理系统中，所述系统负载芯片启动运行并在完成一次任务后，控制所述第一高/低电平输出端口输出高电平，以将第一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，当第一储能器件的电压再次达到第一电压监视芯片的电压阈值时，启动下一个循环。
进一步地，在本发明的低电流启动并有电压监视功能的微能量收集管理系统中，
(1)当第二储能器件的电压Vin较低，未达到第二电压监视芯片的电压阈值Vth时，所述指示输出端子输出低电平，此时第二N型MOS管断开，P型MOS管在所述上拉电阻作用下断开，因此所述电源输入端子的输入电压为0V，系统负载芯片没有供电，未能启动；
(2)当Vin≥Vth时，所述指示输出端子的输出变为高电平，此时第二N型MOS管的G极电压升至
Figure BDA0002294393260000051
R5、R6以及
Figure BDA0002294393260000052
依次为第一分压限流电阻的大小、第二分压限流电阻的大小以及所述指示输出端子输出的电压大小，且R5和R6被设置为满足：所述指示输出端子的输出变为高电平时，R6*Vin/(R5+R6)超过第二N型MOS管的最小导通电压；此时，第二N型MOS管导通，然后P型MOS管导通，系统负载芯片得以上电启动，上电启动后，系统负载芯片的所述第二高/低电平输出端立即输出高电平；
(3)系统负载芯片上电启动后，系统负载芯片开始完成任务，待任务完成以后，系统负载芯片的所述第二高/低电平输出端输出低电平，从而关断P型MOS管和第二N型MOS管，实现自主控制关闭供电功能，至此一个启动循环结束；第二储能器件能量收集过程继续进行，启动下一个循环。
进一步地，在本发明的低电流启动并有电压监视功能的微能量收集管理系统中，R5＝R6＝10MΩ。
进一步地，在本发明的低电流启动并有电压监视功能的微能量收集管理系统中，
(1)当第二储能器件的电压Vin较低，未达到第二电压监视芯片的电压阈值Vth时，所述指示输出端子输出低电平，此时第二N型MOS管断开且第三N型MOS管初始状态默认断开，P型MOS管在上拉电阻作用下断开，因此所述电源输入端子的输入电压为0V，系统负载芯片没有供电，未能启动；
(2)当Vin≥Vth时，所述指示输出端子的输出变为高电平，第二N型MOS管导通，然后P型MOS管导通，因此所述电源输入端子的输入电压为Vin，此时系统负载芯片得以上电启动，上电启动后，系统负载芯片的所述第二高/低电平输出端立即输出高电平，第三N型MOS管导通；
(3)系统负载芯片上电启动后，系统负载芯片开始完成任务，待任务完成以后，系统负载芯片控制所述第二高/低电平输出端输出低电平，从而关断P型MOS管和第三N型MOS管，实现自主控制关闭供电功能，至此一个启动循环结束；第二储能器件能量收集过程继续进行，启动下一个循环。
实施本发明的低电流启动并有电压监视功能的微能量收集管理系统，具有以下有益效果：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，实现了可在0.9V,160nA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0.144μW，能够显著提高能量收集的灵敏度，经试验，本发明能够运行的最小射频输入功率-21dBm@915MHz，能够有效扩展射频能量收集的空间范围；同时，通过增加电压监视功能，保证系统的用电正常。
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是本发明的低电流启动并有电压监视功能的微能量收集管理系统第一实施例的原理图；
图2是本发明的低电流启动并有电压监视功能的微能量收集管理系统第二实施例的原理图。
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。
参考图1，图1是本发明的低电流启动并有电压监视功能的微能量收集管理系统第一实施例的原理图。本实施例的可在0.9V,160nA启动的微能量收集管理系统，包含：第一储能器件C1、DC/DC转换芯片U2、第一电压监视芯片U1、第一二极管D1、第一电阻R1、第二电阻R2、第二电阻R3、第一N型开关管Q1、第二二极管D2、第二储能器件C2、第二电压监视芯片U3、P型MOS管Q2、上拉电阻R4、第二N型MOS管Q3、第一分压限流电阻R5、第二分压限流电阻R6以及去耦电容C3。
第一储能器件C1的下端接地，上端用于连接RF转DC模块RFDC的输出端，其中RF转DC模块RFDC的输入端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；第一储能器件C1包括电容、电池以及超级电容灯具有电荷存储功能的器件，且应该就低漏电流、低自放电的特性。该第一储能器件的容量需要根据U4系统负载启动运行一次的耗电量决定，本实施例以100μF的钽电容为例，漏电流ILeakage小于10nA。
DC/DC转换芯片U2的电源输入引脚VIN连接第一储能器件C1的上端，从而将第一储能电容C1作为DC/DC转换芯片的电源输入。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，具有EN使能控制端，且在关断模式下应当具有极低的待机电流，即具有真关断功能。还需注意该DC/DC转换芯片U2的最小启动电压应小于U1的阈值电压，且尽量具有较宽的输入电压范围和较高的电源转化效率。这里以开关升压电路MAX17222为例，关断电流IShutdown典型值0.5nA，最小启动电压0.88V。
第一电压监视芯片U1具有输入端口VIN以及指示输出端口
Figure BDA0002294393260000081
输入端口VIN连接第一储能器件C1的上端，从而对第一储能器件C1进行监视；指示输出端口
Figure BDA0002294393260000082
用于在输入端口输入VIN的电压大于电压阈值时，输出高电平，否则输出低电平。第一电压监视芯片U1内部通常由基准电压源、电阻分压网络和电压比较器组成，能够持续监测电源电压，当达到预设的电压阈值时，指示端口能够输出高/低电平。电压监视电路应当具有一定的滞回特性，且应当具有极低的静态电流。本发明以TPS3839A09为例，静态电流IMonitor_U1典型值150nA，电压阈值0.9V。
第一二极管D1的阳极连接指示输出端口
Figure BDA0002294393260000083
第一二极管D1是为了防止DC-DC启动后U1的VIN端电压下降导致
Figure BDA0002294393260000084
输出低电平关断DC/DC转换芯片U2。
第一电阻R1以及第二电阻R2，第一电阻R1的一端连接第一二极管D1的阴极，另一端连接第二电阻R2的一端，且同时连接至DC/DC转换芯片U2的使能端，第二电阻R2的另一端接地；第一电阻R1和第二电阻R2用于对第一二极管D1输出的电压进行分压，R1和R2分压网络能够避免电压监视芯片U1在0.65V以下的低电压输入情况下由于亚阈值特性导致误启动DC/DC转换芯片U2的情况。在本实施例中，第一电阻R1、第二电阻R2均为30MΩ。
当VIN<0.65V时，第一电压监视芯片U1由于亚阈值特性，其RST端口的输出状态不稳定(可能输出高电平)，为了避免此时DC/DC转换芯片U2误启动，本发明利用R1、R2分压网络降低了DC/DC转换芯片U2上的EN端口的控制电压，也可以采用其他形式的网络实现同样的降压功能。
第一N型开关管Q1为MOSFET，其D极连接第二电阻R2的所述一端，S极接地。
第二二极管D2的阳极连接DC/DC转换芯片U2的输出端，阴极连接所述使能端；在本实施例中，第二二极管D2的阴极与所述使能端EN之间串联有第三电阻R3，在本发明的另一实施例中，也可以不具有R3。D2和R3(当存在时)用于DC/DC转换芯片U2启动后维持EN使能端的高电平。其中R3存在的意义是将系统负载芯片U4输出引脚VO至地之间的电压进行分压，根据功率P＝U2/R可知，当R3存在时，R3+R2两个电阻所消耗的功率是小于只由R2所消耗的功率的，因此R3可以起到降低功率的作用。在本实施例中，第一电阻R1、第二电阻R2以及第三电阻R3相等，均为30MΩ，第一二极管D1和第二二极管D2均为1N4148。
第二储能器件(C2)，一端接地，另一端连接DC/DC转换芯片(U2)的输出端，如此，可以通过两个电容对系统负载芯片U4进行供电。第二储能器件C2的下端接地，上端用于连接左端的DC/DC转换芯片U2，从而使得DC/DC转换芯片U2向第二储能器件C2充电，第二储能器件C2上的电压Vin逐渐升高，直至达到最大电压值，即DC/DC转换芯片U2输出的电压值。第二储能器件C2包括电容、电池以及超级电容。本实施例中，第二储能器件C4大于或者等于第一储能电容C1，在本发明的另一实施例中第二储能器件C4也可以小于第一储能电容C1。负载系统芯片U4为控制类的芯片，包括DSP、MCU等，在本实施例中具体为MSP430FR5969。
第二电压监视芯片U3，具有输入端子VIN以及指示输出端子
Figure BDA0002294393260000091
第二电压监视芯片U3的输入端子VIN连接第二储能器件C2的所述另一端，指示输出端子
Figure BDA0002294393260000092
用于C2正常工作时，在所述输入端子VIN输入的电压小于电压阈值Vth时，输出低电平，否则输出高电平，该高电平的电压等于输入端子VIN上的输入电压，即第二储能器件C2的电压Vin。第二电压监视芯片U3可以采用TPS3831、TPS3839、R3114、R3116。
P型MOS管Q2的S极连接第二电压监视芯片U3的输入端子，D极用于连接系统负载芯片U4的电源输入端子VCC。系统负载芯片U4具第一有高/低电平输出端I/O1和第二有高/低电平输出端I/O2；第一N型开关管Q1的G极用于连接所述第一有高/低电平输出端I/O1，以接受系统负载芯片U4的控制进行开关状态的切换。
上拉电阻R4的一端连接第二电压监视芯片U3的输入端子，另一端连接第一P型MOS管Q2的G极。
第二N型MOS管Q3的D极连接第一P型MOS管Q2的G极，S极接地。
第一分压限流电阻R5串联在第二电压监视芯片U3的指示输出端子
Figure BDA0002294393260000101
和第二N型MOS管Q3的G极之间。
第二分压限流电阻R6串联在系统负载芯片U4的第二高/低电平输出端I/O2和第二N型MOS管Q3的G极之间。
去耦电容C3一端接地，另一端连接第一P型MOS管Q2的D极，且用于与所述系统负载芯片U4的电源输入端VCC连接。去耦电容C3在本实施例中大小为0.22μF。
系统负载芯片U4启动运行并在完成一次任务后，控制所述第一高/低电平输出I/O1端口输出高电平，以将第一N型开关管Q1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，当第一储能器件C1的电压再次达到第一电压监视芯片U1的电压阈值时，又可以启动下一个循环。
第一电监视芯片的电压阈值VThreshold与DC/DC转换芯片U2的最小启动电压VIn_Startup应当尽量小，且应当满足：VIn_Startup＜VThreshold≤0.9V；第一储能器件C1的漏电流ILeakage、第一电压监视芯片U1的静态电流IMonitor和DC/DC转换芯片U2的关断电流IShutdown之和应当尽量小，且应当满足：ILeakage+IMonitor+IShutdown≤160nA。
电压监视部分的工作原理为：
(1)当第二储能器件C2的电压Vin较低，未达到第二电压监视芯片U3的电压阈值Vth时，所述指示输出端子输出低电平，此时第二N型MOS管Q3断开，P型MOS管Q2在所述上拉电阻R4作用下断开，因此所述电源输入端子VCC的输入电压为0V，系统负载芯片U4没有供电，未能启动。
(2)当Vin≥Vth时，所述指示输出端子
Figure BDA0002294393260000111
的输出变为高电平，此时第二N型MOS管Q3的G极电压升至
Figure BDA0002294393260000112
R5、R6以及
Figure BDA0002294393260000113
依次为第一分压限流电阻R5的大小、第二分压限流电阻R6的大小以及所述指示输出端子
Figure BDA0002294393260000114
输出的电压大小，且R5和R6被设置为满足：所述指示输出端子的输出变为高电平时，R6*Vin/(R5+R6)超过第二N型MOS管Q3的最小导通电压；此时，第二N型MOS管Q3导通，然后P型MOSQ2管导通，系统负载芯片U4得以上电启动，上电启动后，系统负载芯片U4的所述第二高/低电平输出端I/O2立即输出高电平。
上电启动后，系统负载芯片U4的所述第二高/低电平输出端I/O2立即输出高电平的原因在于：第二储能器件C2的能量累积过程一般较慢，而包括系统负载芯片U4在内的系统负载能量消耗较快，在系统负载芯片U4启动后，第二储能器件C2由于能量的消耗，Vin减小，可能导致Vin小于Vth，指示输出端子
Figure BDA0002294393260000115
输出低电平，第二N型MOS管Q3被关断，然后P型MOS管Q2被关断，从而可能导致系统负载芯片U4在未完成任务就被断电，而上电启动后，系统负载芯片U4的所述第二高/低电平输出端I/O2立即输出高电平，从而保证第二N型MOS管Q3导通和P型MOS管Q2导通，即使Vin减小，导致Vin小于Vth，指示输出端子
Figure BDA0002294393260000116
输出低电平时，第二N型MOS管Q3导通和P型MOS管Q2导通，包括系统负载芯片U4在内的系统负载依然能够继续上电，持续工作。
(3)系统负载芯片U4上电启动后，系统负载芯片(U4)开始完成任务，待任务完成以后，系统负载芯片U4的所述第二高/低电平输出端I/O2输出低电平(例如零电平)，从而关断P型MOS管Q2和第二N型MOS管Q3，实现自主控制关闭供电功能，至此一个启动循环结束；第二储能器件C2能量收集过程继续进行，启动下一个循环。
应当理解的是，系统负载芯片U4的所述第二高/低电平输出端I/O2输出低电平时，例如零电平时，指示输出端子
Figure BDA0002294393260000117
既可能输出高电平，也可能输出低电平。当指示输出端子
Figure BDA0002294393260000118
既输出低电平时，第二N型MOS管Q3立刻被关断，然后导致P型MOS管Q2被关断。当指示输出端子
Figure BDA0002294393260000119
既输出高电平时，此时第二N型MOS管Q3的G极电压为
Figure BDA0002294393260000121
第二N型MOS管Q3继续导通，P型MOS管Q2也继续导通，包括系统负载芯片U4在内的系统负载继续保持上电状态，随着时间消耗，第二储能器件C2的电压最终会降到使指示输出端子
Figure BDA0002294393260000122
输出低电平时，指示输出端子
Figure BDA0002294393260000123
输出低电平时，第二N型MOS管Q3立刻被关断，然后导致P型MOS管Q2被关断，此过程相当于会有延时关断。
在本实施例中，电压监视部分(Vin至C3之间的电路)启动后的电流消耗(不计算系统负载芯片以及其他系统负载)主要为：第二电压监视芯片U3所消耗的电流I_U3、VCC/R4以及VCC/(R5+R6)。在本实施例中，上拉电阻R4、第一分压限流电阻R5和第二分压限流电阻R6的电阻越大，他们者消耗的功率越小，因此在本实施例中上拉电阻R4、第一分压限流电阻R5和第二分压限流电阻R6应当取较大的值，本实施例中，R4、R5和R6的大小满足：R4＝R5＝R6＝10MΩ。
本实施例的电压监视部分的电路特点是：电源阀门位于VCC供电端，确保了系统地平面的完整性；采用电压监视器集成芯片，因此集成度高、电路组成简单、成本低，而且将该部分运行功耗由uA级降到了最低150nA(第二电压监视芯片的功耗，即I_U3)；在系统负载运行任务完成后，可通过I/O2端口自主控制关闭系统供电。
参考图2，图2是本发明的低电流启动并有电压监视功能的微能量收集管理系统的原理图。本实施例的可在0.9V,160nA启动的有电压监视功能的微能量收集管理系统，包含：第一储能器件C1、DC/DC转换芯片U2、第一电压监视芯片U1、第一二极管D1、第一电阻R1、第二电阻R2、第二电阻R3、第一N型开关管Q1、第二二极管D2、第二储能器件C2、第二电压监视芯片U3、P型MOS管Q2、上拉电阻R4、N型MOS管Q3、第三N型MOS管Q4以及去耦电容C3。
第一储能器件C1的下端接地，上端用于连接RF转DC模块RFDC的输出端，其中RF转DC模块RFDC的输入端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；第一储能器件C1包括电容、电池以及超级电容灯具有电荷存储功能的器件，且应该就低漏电流、低自放电的特性。该第一储能器件的容量需要根据U4系统负载启动运行一次的耗电量决定，本实施例以100μF的钽电容为例，漏电流ILeakage小于10nA。
DC/DC转换芯片U2的电源输入引脚VIN连接第一储能器件C1的上端，从而将第一储能电容C1作为DC/DC转换芯片的电源输入。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，具有EN使能控制端，且在关断模式下应当具有极低的待机电流，即具有真关断功能。还需注意该DC/DC转换芯片U2的最小启动电压应小于U1的阈值电压，且尽量具有较宽的输入电压范围和较高的电源转化效率。这里以开关升压电路MAX17222为例，关断电流IShutdown典型值0.5nA，最小启动电压0.88V。
第一电压监视芯片U1具有输入端口VIN以及指示输出端口
Figure BDA0002294393260000131
输入端口VIN连接第一储能器件C1的上端，从而对第一储能器件C1进行监视；指示输出端口
Figure BDA0002294393260000132
用于在输入端口输入VIN的电压大于电压阈值时，输出高电平，否则输出低电平。第一电压监视芯片U1内部通常由基准电压源、电阻分压网络和电压比较器组成，能够持续监测电源电压，当达到预设的电压阈值时，指示端口能够输出高/低电平。电压监视电路应当具有一定的滞回特性，且应当具有极低的静态电流。本发明以TPS3839A09为例，静态电流IMonitor_U1典型值150nA，电压阈值0.9V。
第一二极管D1的阳极连接指示输出端口
Figure BDA0002294393260000133
第一二极管D1是为了防止DC-DC启动后U1的VIN端电压下降导致
Figure BDA0002294393260000134
输出低电平关断DC/DC转换芯片U2。
第一电阻R1以及第二电阻R2，第一电阻R1的一端连接第一二极管D1的阴极，另一端连接第二电阻R2的一端，且同时连接至DC/DC转换芯片U2的使能端，第二电阻R2的另一端接地；第一电阻R1和第二电阻R2用于对第一二极管D1输出的电压进行分压，R1和R2分压网络能够避免电压监视芯片U1在0.65V以下的低电压输入情况下由于亚阈值特性导致误启动DC/DC转换芯片U2的情况。在本实施例中，第一电阻R1、第二电阻R2均为30MΩ。
当VIN<0.65V时，第一电压监视芯片U1由于亚阈值特性，其RST端口的输出状态不稳定(可能输出高电平)，为了避免此时DC/DC转换芯片U2误启动，本发明利用R1、R2分压网络降低了DC/DC转换芯片U2上的EN端口的控制电压，也可以采用其他形式的网络实现同样的降压功能。
第一N型开关管Q1为MOSFET，其D极连接第二电阻R2的所述一端，S极接地。
第二二极管D2的阳极连接DC/DC转换芯片U2的输出端，阴极连接所述使能端；在本实施例中，第二二极管D2的阴极与所述使能端EN之间串联有第三电阻R3，在本发明的另一实施例中，也可以不具有R3。D2和R3(当存在时)用于DC/DC转换芯片U2启动后维持EN使能端的高电平。其中R3存在的意义是将系统负载芯片U4输出引脚VO至地之间的电压进行分压，根据功率P＝U2/R可知，当R3存在时，R3+R2两个电阻所消耗的功率是小于只由R2所消耗的功率的，因此R3可以起到降低功率的作用。在本实施例中，第一电阻R1、第二电阻R2以及第三电阻R3相等，均为30MΩ，第一二极管D1和第二二极管D2均为1N4148。
第二储能器件(C2)，一端接地，另一端连接DC/DC转换芯片(U2)的输出端，如此，可以通过两个电容对系统负载芯片U4进行供电。第二储能器件C2的下端接地，上端用于连接左端的DC/DC转换芯片U2，从而使得DC/DC转换芯片U2向第二储能器件C2充电，第二储能器件C2上的电压Vin逐渐升高，直至达到最大电压值，即DC/DC转换芯片U2输出的电压值。第二储能器件C2包括电容、电池以及超级电容。本实施例中，第二储能器件C4大于或者等于第一储能电容C1，在本发明的另一实施例中第二储能器件C4也可以小于第一储能电容C1。负载系统芯片U4为控制类的芯片，包括DSP、MCU等，在本实施例中具体为MSP430FR5969。
第二电压监视芯片U3具有输入端子VIN以及指示输出端子
Figure BDA0002294393260000141
第二电压监视芯片U3的输入端子VIN连接第二储能器件C2的所述另一端，指示输出端子
Figure BDA0002294393260000151
用于第二电压监视芯片U3正常工作时，在所述输入端子VIN输入的电压小于电压阈值Vth时，输出低电平，否则输出高电平，该高电平的电压等于输入端子VIN上的输入电压，即第二储能器件C2的电压Vin。第二电压监视芯片U3可以采用TPS3831、TPS3839、R3114、R3116。
P型MOS管Q2的S极连接第二电压监视芯片U3的输入端子，D极用于连接系统负载芯片U4的电源输入端子VCC。系统负载芯片U4具第一有高/低电平输出端I/O1和第二有高/低电平输出端I/O2；第一N型开关管Q1的G极用于连接所述第一有高/低电平输出端I/O1，以接受系统负载芯片U4的控制进行开关状态的切换。
上拉电阻R4的一端连接第二电压监视芯片U3的输入端子，另一端连接第一P型MOS管Q2的G极。
第二N型MOS管Q3的G极连接第二电压监视芯片U3的指示输出端子，D极连接第一P型MOS管Q2的G极，S极接地。
第三N型MOS管Q4的G极连接系统负载芯片U4的第二高/低电平输出端I/O2，D极连接第一P型MOS管Q2的G极，S极接地。
去耦电容C3一端接地，另一端连接第一P型MOS管Q2的D极，且用于与所述系统负载芯片U4的电源输入端VCC连接。去耦电容C3在本实施例中大小为0.22μF。
系统负载芯片U4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I/O1输出高电平，以将第一N型开关管Q1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，当第一储能器件C1的电压再次达到第一电压监视芯片U1的电压阈值时，又可以启动下一个循环。
第一电监视芯片的电压阈值VThreshold与DC/DC转换芯片U2的最小启动电压VIn_Startup应当尽量小，且应当满足：VIn_Startup＜VThreshold≤0.9V；第一储能器件C1的漏电流ILeakage、第一电压监视芯片U1的静态电流IMonitor和DC/DC转换芯片U2的关断电流IShutdown之和应当尽量小，且应当满足：ILeakage+IMonitor+IShutdown≤160nA。
电压监视部分的工作原理为：
(1)当第二储能器件C2的电压Vin较低，未达到第二电压监视芯片U3的电压阈值Vth时，所述指示输出端子输出低电平，此时第二N型MOS管Q3断开且第三N型MOS管Q4初始状态默认断开，P型MOS管Q2在上拉电阻R4作用下断开，因此所述电源输入端子VCC的输入电压为0V，系统负载芯片U4没有供电，未能启动。
(2)当Vin≥Vth时，所述指示输出端子的输出变为高电平，第二N型MOS管Q3导通，然后P型MOS管Q2导通，因此所述电源输入端子VCC的输入电压为Vin，此时系统负载芯片U4得以上电启动，上电启动后，系统负载芯片U4的所述第二高/低电平输出端I/O2立即输出高电平，第三N型MOS管Q4导通。
上电启动后，系统负载芯片U4的所述第二高/低电平输出端I/O2立即输出高电平的原因在于：第二储能器件C2的能量累积过程一般较慢，而包括系统负载芯片U4在内的系统负载能量消耗较快，在系统负载芯片U4启动后，第二储能器件C2由于能量的消耗，Vin减小，可能导致Vin小于Vth，指示输出端子
Figure BDA0002294393260000161
输出低电平，第二N型MOS管Q3被关断，然后P型MOS管Q2被关断，从而可能导致系统负载芯片U4在未完成任务就被断电，而上电启动后，系统负载芯片U4的所述第二高/低电平输出端I/O2立即输出高电平，从而保证第二N型MOS管Q4导通和P型MOS管Q2导通，即使Vin减小，导致Vin小于Vth，指示输出端子
Figure BDA0002294393260000162
输出低电平时，第二N型MOS管Q3被关断时，第三N型MOS管Q4和P型MOS管Q2依旧导通，包括系统负载芯片U4在内的系统负载依然能够继续上电，持续工作。
(3)系统负载芯片U4上电启动后，系统负载芯片U4开始完成任务，待任务完成以后，系统负载芯片U4控制所述第二高/低电平输出端I/O2输出低电平，从而关断P型MOS管Q2和第三N型MOS管Q4，实现自主控制关闭供电功能，至此一个启动循环结束；第二储能器件C2能量收集过程继续进行，启动下一个循环。
应当理解的是，系统负载芯片U4的第二高/低电平输出端I/O2输出低电平时，例如零电平时，指示输出端子
Figure BDA0002294393260000171
既可能输出高电平，也可能输出低电平。当指示输出端子
Figure BDA0002294393260000172
既输出低电平时，第二N型MOS管Q3因此被关断，此时第三N型MOS管Q4立即被关断，然后导致P型MOS管Q2被关断。当指示输出端子
Figure BDA0002294393260000173
既输出高电平时，此时第二N型MOS管Q3继续导通，P型MOS管Q2也继续导通，包括系统负载芯片U4在内的系统负载继续保持上电状态，随着时间消耗，第二储能器件C2的电压最终会降到使指示输出端子
Figure BDA0002294393260000174
输出低电平时，指示输出端子
Figure BDA0002294393260000175
输出低电平时，第三N型MOS管Q4会被关断，由于第二高/低电平输出端I/O2输出低电平，第三N型MOS管Q4也被关断，然后导致P型MOS管Q2被关断，此过程相当于会有延时关断。
在本实施例中，电压监视部分(Vin至C3之间的电路)启动后的电流消耗(不计算系统负载芯片以及其他系统负载)主要为：第二电压监视芯片U3所消耗的电流I_U3以及VCC/R4。在本实施例中，上拉电阻R4越大，消耗的功率越小，因此在本实施例中上拉电阻R4应当取较大的值，本实施例中，R4取值10MΩ。
本实施例的电压监视部分的电路特点是：电源阀门位于VCC供电端，确保了系统地平面的完整性；采用电压监视器集成芯片，因此集成度高、电路组成简单、成本低，而且将该部分运行功耗由uA级降到了最低150nA(第二电压监视芯片的功耗，即I_U3)；在系统负载运行任务完成后，可通过I/O2端口自主控制关闭系统供电。
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 (10)

1.一种低电流启动并有电压监视功能的微能量收集管理系统，其特征在于，包含：
第一储能器件(C1)，第一储能器件(C1)的一端接地，另一端用于连接RF转DC模块(RFDC)的输出端，其中RF转DC模块(RFDC)的输入端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；
DC/DC转换芯片(U2)，DC/DC转换芯片(U2)的电源输入引脚连接所述另一端；
第一电压监视芯片(U1)，具有输入端口以及指示输出端口，输入端口连接第一储能器件(C1)的所述另一端，指示输出端口用于在所述输入端口输入的电压大于电压阈值时，输出高电平，否则输出低电平；
第一二极管(D1)，阳极连接所述指示输出端口；
第一电阻(R1)以及第二电阻(R2)，第一电阻(R1)的一端连接第一二极管(D1)的阴极，另一端连接第二电阻(R2)的一端，且同时连接至DC/DC转换芯片(U2)的使能端，第二电阻(R2)的另一端接地；第一电阻(R1)和第二电阻(R2)用于对第一二极管(D1)输出的电压进行分压，从而避免由于亚阈值特性导致的DC/DC转换芯片(U2)误启动；
第一N型开关管(Q1)，D极连接第二电阻(R2)的所述一端，S极接地；
第二二极管(D2)，阳极连接DC/DC转换芯片(U2)的输出端，阴极连接所述使能端；
第二储能器件(C2)，一端接地，另一端连接DC/DC转换芯片(U2)的输出端；
第二电压监视芯片(U3)，具有输入端子以及指示输出端子，第二电压监视芯片(U3)的输入端子连接第二储能器件(C2)的所述另一端，指示输出端子用于(C2)正常工作时，在所述输入端子输入的电压小于电压阈值Vth时，输出低电平，否则输出高电平，该高电平的电压等于输入端子上的输入电压，即第二储能器件(C2)的电压Vin；
P型MOS管(Q2)，P型MOS管(Q2)的S极连接第二电压监视芯片(U3)的输入端子，D极用于连接系统负载芯片(U4)的电源输入端子(VCC)，所述系统负载芯片(U4)具第一有高/低电平输出端(I/O1)和第二有高/低电平输出端(I/O2)；第一N型开关管(Q1)的G极用于连接所述第一有高/低电平输出端(I/O1)，以接受系统负载芯片(U4)的控制进行开关状态的切换；
上拉电阻(R4)，上拉电阻(R4)的一端连接第二电压监视芯片(U3)的输入端子，另一端连接P型MOS管(Q2)的G极；
第二N型MOS管(Q3)，第二N型MOS管(Q3)的D极连接P型MOS管(Q2)的G极，S极接地；
第一分压限流电阻(R5)，串联在第二电压监视芯片(U3)的指示输出端子和第二N型MOS管(Q3)的G极之间；
第二分压限流电阻(R6)，串联在所述系统负载芯片的第二高/低电平输出端(I/O2)和第二N型MOS管(Q3)的G极之间；
第一电监视芯片(U1)的电压阈值VThreshold与DC/DC转换芯片(U2)的最小启动电压VIn_Startup满足：VIn_Startup＜VThreshold≤0.9V；第一储能器件(C1)的漏电流ILeakage、第一电压监视芯片(U1)的静态电流IMonitor和DC/DC转换芯片(U2)的关断电流IShutdown满足：ILeakage+IMonitor+IShutdown≤160nA。
2.一种低电流启动并有电压监视功能的微能量收集管理系统，其特征在于，包含：
第一储能器件(C1)，第一储能器件(C1)的一端接地，另一端用于连接RF转DC模块(RFDC)的输出端，其中RF转DC模块(RFDC)的输入端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；
DC/DC转换芯片(U2)，DC/DC转换芯片(U2)的电源输入引脚连接所述另一端；
第一电压监视芯片(U1)，具有输入端口以及指示输出端口，输入端口连接第一储能器件(C1)的所述另一端，指示输出端口用于在所述输入端口输入的电压大于电压阈值时，输出高电平，否则输出低电平；
第一二极管(D1)，阳极连接所述指示输出端口；
第一电阻(R1)以及第二电阻(R2)，第一电阻(R1)的一端连接第一二极管(D1)的阴极，另一端连接第二电阻(R2)的一端，且同时连接至DC/DC转换芯片(U2)的使能端，第二电阻(R2)的另一端接地；第一电阻(R1)和第二电阻(R2)用于对第一二极管(D1)输出的电压进行分压，从而避免由于亚阈值特性导致的DC/DC转换芯片(U2)误启动；
第一N型开关管(Q1)，D极连接第二电阻(R2)的所述一端，S极接地；
第二二极管(D2)，阳极连接DC/DC转换芯片(U2)的输出端，阴极连接所述使能端；
第二储能器件(C2)，一端接地，另一端连接DC/DC转换芯片(U2)的输出端；
第二电压监视芯片(U3)，具有输入端子以及指示输出端子，第二电压监视芯片(U3)的输入端子连接第二储能器件(C2)的所述另一端，指示输出端子用于第二电压监视芯片(U3)正常工作时，在所述输入端子输入的电压小于电压阈值Vth时，输出低电平，否则输出高电平，该高电平的电压等于输入端子上的输入电压，即第二储能器件(C2)的电压Vin；
P型MOS管(Q2)，P型MOS管(Q2)的S极连接第二电压监视芯片(U3)的输入端子，D极用于连接系统负载芯片(U4)的电源输入端子，所述系统负载芯片(U4)具第一有高/低电平输出端(I/O1)和第二有高/低电平输出端(I/O2)；第一N型开关管(Q1)的G极用于连接所述第一有高/低电平输出端(I/O1)，以接受系统负载芯片(U4)的控制进行开关状态的切换；
上拉电阻(R4)，上拉电阻(R4)的一端连接第二电压监视芯片(U3)的输入端子，另一端连接P型MOS管的G极；
第二N型MOS管(Q3)，第二N型MOS管(Q3)的G极连接第二电压监视芯片(U3)的指示输出端子，D极连接P型MOS管的G极，S极接地；
第三N型MOS管(Q4)，第三N型MOS管(Q4)的G极连接所述系统负载芯片(U4)的第二高/低电平输出端(I/O2)，D极连接P型MOS管(Q2)的G极，S极接地；
第一电监视芯片(U1)的电压阈值VThreshold与DC/DC转换芯片(U2)的最小启动电压VIn_Startup满足：VIn_Startup＜VThreshold≤0.9V；第一储能器件(C1)的漏电流ILeakage、第一电压监视芯片(U1)的静态电流IMonitor和DC/DC转换芯片(U2)的关断电流IShutdown满足：ILeakage+IMonitor+IShutdown≤160nA。
3.根据权利要求1或2所述的低电流启动并有电压监视功能的微能量收集管理系统，其特征在于，第二二极管(D2)的阴极与所述使能端之间串联有第三电阻(R3)。
4.根据权利要求1或2所述的低电流启动并有电压监视功能的微能量收集管理系统，其特征在于，第一储能器件(C1)为钽电容，第一电压监视芯片(U1)为TPS3839A09，DC/DC转换芯片(U2)为MAX17222；所第二述电压监视芯片为TPS3831、TPS3839、R3114或R3116。
5.根据权利要求1或2所述的低电流启动并有电压监视功能的微能量收集管理系统，其特征在于，系统负载芯片(U4)为MSP430FR5969，第一二极管(D1)和第二二极管(D2)均为1N4148。
6.根据权利要求3所述的低电流启动并有电压监视功能的微能量收集管理系统，其特征在于，第一电阻(R1)、第二电阻(R2)以及第三电阻(R3)相等，均为30MΩ。
7.根据权利要求1或2所述的低电流启动并有电压监视功能的微能量收集管理系统，其特征在于，所述系统负载芯片(U4)启动运行并在完成一次任务后，控制所述第一高/低电平输出端口(I/O1)输出高电平，以将第一N型开关管(Q1)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，当第一储能器件(C1)的电压再次达到第一电压监视芯片(U1)的电压阈值时，启动下一个循环。
8.根据权利要求1所述的低电流启动并有电压监视功能的微能量收集管理系统，其特征在于，
(1)当第二储能器件(C2)的电压Vin较低，未达到第二电压监视芯片(U3)的电压阈值Vth时，所述指示输出端子输出低电平，此时第二N型MOS管(Q3)断开，P型MOS管(Q2)在所述上拉电阻(R4)作用下断开，因此所述电源输入端子(VCC)的输入电压为0V，系统负载芯片(U4)没有供电，未能启动；
(2)当Vin≥Vth时，所述指示输出端子的输出变为高电平，此时第二N型MOS管(Q3)的G极电压升至
Figure FDA0002294393250000051
R5、R6以及
Figure FDA0002294393250000052
依次为第一分压限流电阻(R5)的大小、第二分压限流电阻(R6)的大小以及所述指示输出端子输出的电压大小，且R5和R6被设置为满足：所述指示输出端子的输出变为高电平时，R6*Vin/(R5+R6)超过第二N型MOS管(Q3)的最小导通电压；此时，第二N型MOS管(Q3)导通，然后P型MOS(Q2)管导通，系统负载芯片(U4)得以上电启动，上电启动后，系统负载芯片(U4)的所述第二高/低电平输出端(I/O2)立即输出高电平；
(3)系统负载芯片(U4)上电启动后，系统负载芯片(U4)开始完成任务，待任务完成以后，系统负载芯片(U4)的所述第二高/低电平输出端(I/O2)输出低电平，从而关断P型MOS管(Q2)和第二N型MOS管(Q3)，实现自主控制关闭供电功能，至此一个启动循环结束；第二储能器件(C2)能量收集过程继续进行，启动下一个循环。
9.根据权利要求8所述的低电流启动并有电压监视功能的微能量收集管理系统，其特征在于，R5＝R6＝10MΩ。
10.根据权利要求1所述的低电流启动并有电压监视功能的微能量收集管理系统，其特征在于，
(1)当第二储能器件(C2)的电压Vin较低，未达到第二电压监视芯片(U3)的电压阈值Vth时，所述指示输出端子输出低电平，此时第二N型MOS管(Q3)断开且第三N型MOS管(Q4)初始状态默认断开，P型MOS管(Q2)在上拉电阻(R4)作用下断开，因此所述电源输入端子(VCC)的输入电压为0V，系统负载芯片(U4)没有供电，未能启动；
(2)当Vin≥Vth时，所述指示输出端子的输出变为高电平，第二N型MOS管(Q3)导通，然后P型MOS管(Q2)导通，因此所述电源输入端子(VCC)的输入电压为Vin，此时系统负载芯片(U4)得以上电启动，上电启动后，系统负载芯片(U4)的所述第二高/低电平输出端(I/O2)立即输出高电平，第三N型MOS管(Q4)导通；
(3)系统负载芯片(U4)上电启动后，系统负载芯片(U4)开始完成任务，待任务完成以后，系统负载芯片(U4)控制所述第二高/低电平输出端(I/O2)输出低电平，从而关断P型MOS管(Q2)和第三N型MOS管(Q4)，实现自主控制关闭供电功能，至此一个启动循环结束；第二储能器件(C2)能量收集过程继续进行，启动下一个循环。
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