CN111130225A - 低电流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流启动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。
Description
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——低电流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0.144μW。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种低电流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；
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；
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；
N型开关管，D极连接第二电阻的所述一端，S极接地，G极用于连接一系统负载芯片的高/低电平输出端口，以接受系统负载芯片的控制进行开关状态的切换；
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；
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，另一端输出电容的所述另一端，且用于与所述系统负载芯片的电源输入端连接；
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；储能器件的漏电流ILeakage、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，在本发明的低电流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TPS3839A09，DC/DC转换芯片为MAX17222。
进一步地，在本发明的低电流启动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分别为1N4148。
进一步地，在本发明的低电流启动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的微能量收集管理系统中，输出电容的大小为0.1μF，去耦电容的大小为0.22μF。
进一步地，在本发明的低电流启动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，控制所述高/低电平输出端口输出高电平，以将N型开关管由导通变为关断，以将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。
实施本发明的低电流启动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。
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的微能量收集管理系统一实施例的原理图。
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的微能量收集管理系统一实施例的原理图。本实施例的可在0.9V,160nA启动的微能量收集管理系统，包含：储能器件C1、DC/DC转换芯片U2、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、N型开关管Q1、第二二极管D2、输出电容C2。
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；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。该储能器件的容量需要根据U3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连接储能器件C1的上端，从而将储能电容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。
电压监视芯片U1具有输入端口VIN以及指示输出端口
输入端口VIN连接储能器件C1的上端，从而对储能器件C1进行监视；指示输出端口
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。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
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
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，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。
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，G极用于连接一系统负载芯片U3的高/低电平输出端口I/O，以接受系统负载芯片U3的控制进行开关状态的切换。
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。
输出电容C2一端接地，另一端连接DC/DC转换芯片U2的输出端。去耦电容C3一端接地，另一端输出电容C2的所述另一端，且用于与所述系统负载芯片U3的电源输入端VCC连接。输出电容C2用于DC/DC转换芯片U2输出滤波，去耦电容C3用于负载系统芯片U3的供电去耦。输出电容C2太小会导致DC/DC转换芯片U2输出纹波大；而输出电容C2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，指示输出端口
的RST端口就已经输出低电平关断DC/DC转换芯片U2了，本发明以C2＝0.1μF，C3＝0.22μF为例。负载系统芯片U3为控制类的芯片，包括DSP、MCU等，在本实施例中具体为MSP430FR5969。
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I/O端口输出高电平，以将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，又可以启动下一个循环。
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；储能器件C1的漏电流ILeakage、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。
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 (8)
1.一种低电流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；
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；
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；
N型开关管，D极连接第二电阻的所述一端，S极接地，G极用于连接一系统负载芯片的高/低电平输出端口，以接受系统负载芯片的控制进行开关状态的切换；
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；
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，另一端输出电容的所述另一端，且用于与所述系统负载芯片的电源输入端连接；
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；储能器件的漏电流ILeakage、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。
2.根据权利要求1所述的低电流启动的微能量收集管理系统，其特征在于，第二二极管的阴极与所述使能端之间串联有第三电阻。
3.根据权利要求1所述的低电流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。
4.根据权利要求1所述的低电流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TPS3839A09，DC/DC转换芯片为MAX17222。
5.根据权利要求1所述的低电流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，第一二极管和第二二极管均为1N4148。
6.根据权利要求2所述的低电流启动的微能量收集管理系统，其特征在于，第一电阻、第二电阻以及第三电阻相等，均为30MΩ。
7.根据权利要求1所述的低电流启动的微能量收集管理系统，其特征在于，输出电容的大小为0.1μF，去耦电容的大小为0.22μF。
8.根据权利要求1所述的低电流启动的微能量收集管理系统，其特征在于，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高电平，以将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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