CN111146876A - 低电压启动并有电压监视功能的微能量收集管理系统 - Google Patents

低电压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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Abstract

本发明公开了一种低电压启动并有电压监视功能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；同时，通过增加电压监视功能，保证系统的用电正常。

Description

低电压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，涉及一种低电压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，本发明提出了启动功率更小的一套解决方案——低电压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0.252μW。
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低电压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；
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，指示输出端口用于第一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，一端连接第一储能器件的所述另一端；
第一P型开关管，G极连接第一N型开关管的D极，S极连接第一储能器件的所述另一端；
第二N型开关管，S极连接第一储能器件的所述另一端；
输入电容，一端接地，另一端分别连接第一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小于或等于第一电压监视芯片的启动电压VThreshold；
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第二电压监视芯片的输入端子上的输入电压，即第二储能器件的电压Vin；
第二P型MOS管，第二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有第一高/低电平输出端和第二高/低电平输出端；
第二上拉电阻，第二上拉电阻的一端连接第二电压监视芯片的输入端子，另一端连接第二P型MOS管的G极；
第三N型MOS管，第三N型MOS管的D极连接第二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三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/低电平输出端和第三N型MOS管的G极之间；
第三上拉电阻，一端连接第二P型MOS管的D极，另一端连接第二N型开关管的G极，且第三上拉电阻的所述另一端用于连接所述第一高/低电平输出端；
第一N型开关管为NMOS且满足：VDDL＜VGS(th)＜VThreshold，VGS(th)为第一N型开关管的门限电压，VDDL是第一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满足：ILeakage+IMonitor_≤360nA；VThreshold、VIn_Startup满足：VIn_Startup≤VThreshold≤0.7V。
根据本发明的另一方面，本发明解决其技术问题还采用了一种低电压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；
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，指示输出端口用于第一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，一端连接第一储能器件的所述另一端；
第一P型开关管，G极连接第一N型开关管的D极，S极连接第一储能器件的所述另一端；
第二N型开关管，S极连接第一储能器件的所述另一端；
输入电容，一端接地，另一端分别连接第一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小于或等于第一电压监视芯片的启动电压VThreshold；
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，电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，在所述第二电压监视芯片的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第二电压监视芯片的输入端子上的输入电压，即第二储能器件的电压Vin；
第二P型MOS管，第二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，具有第一高/低电平输出端和第二高/低电平输出端；
第二上拉电阻，第二上拉电阻的一端连接电压监视芯片的输入端子，另一端连接第二P型MOS管的G极；
第三N型MOS管，第三N型MOS管的G极连接第二电压监视芯片(U3)的指示输出端子，D极连接第二P型MOS管的G极，S极接地；
第四N型MOS管，第四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极连接第二P型MOS管的G极，S极接地；
第三上拉电阻，一端连接第二P型MOS管的D极，另一端连接第二N型开关管的G极，且第三上拉电阻的所述另一端用于连接所述第一高/低电平输出端；
第一N型开关管为NMOS且满足：VDDL＜VGS(th)＜VThreshold，VGS(th)为第一N型开关管的门限电压，VDDL是第一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R3114Q071，DC/DC转换芯片为TPS61098。
进一步地，在本发明的低电压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，第二电压监视芯片为TPS3831、TPS3839、R3114或R3116。
进一步地，在本发明的低电压启动并有电压监视功能的微能量收集管理系统中，第一N型开关管的型号为SSM3K56MFV，第一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并有电压监视功能的微能量收集管理系统中，第一上拉电阻大小为1.3MΩ，第三上拉电阻大小为1.3MΩ，输入电容为1μF，第一储能器件为0.1μF。
进一步地，在本发明的低电压启动并有电压监视功能的微能量收集管理系统中，
当DC/DC转换芯片启动后，所述第一储能器件上的电压会开始下降，第一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，一条由第三上拉电阻和第二N型开关管构成的反馈控制回路，将维持DC/DC转换芯片启动后第一储能器件与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，在本发明的低电压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，此时第三N型MOS管断开，第二P型MOS管在所述第二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，此时第三N型MOS管的G极电压升至
Figure BDA0002294394400000071
R3、R4以及
Figure BDA0002294394400000072
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R3和R4被设置为满足：所述指示输出端子的输出变为高电平时，R4*Vin/(R3+R4)超过第三N型MOS管的最小导通电压；此时，第三N型MOS管导通，然后第二P型MOS管，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，从而关断第二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。
进一步地，在本发明的低电压启动并有电压监视功能的微能量收集管理系统中，R4＝R3＝10MΩ。
进一步地，在本发明的低电压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，此时第三N型MOS管断开且第四N型MOS管初始状态默认断开，第二P型MOS管在第二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，第三N型MOS管导通，然后第二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，第四N型MOS管；
(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，从而关断第二P型MOS管和第四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。
实施本发明的低电压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；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是低电压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电路原理图；
图2是低电压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。
参考图1，图1是低电压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电路原理图(Q5下方的十字交叉处未连接在一起)，本实施例的可在0.7V,360nA启动的微能量收集管理系统包含：第一储能器件C1、第一电压监视芯片U1、第一N型开关管Q1、第一上拉电阻R1、第一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、第二储能器件C3、第二P型MOS管Q4、第二电压监视芯片U3、第二上拉电阻R2、第三N型MOS管Q5、第一分压限流电阻R3、第二分压限流电阻R4、去耦电容C4以及第三上拉电阻R5。
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(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。第一储能器件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，该第一储能器件C1的容量需根据系统负载芯片U4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。
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 BDA0002294394400000091
输入端口VIN连接第一储能器件C1的上端，指示输出端口
Figure BDA0002294394400000092
用于第一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，第一电压监视芯片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，由于第一电压监视芯片U1内部MOSFET的亚阈值特性，指示输出端口
Figure BDA0002294394400000101
虽然输出高电平，但指示输出端口
Figure BDA0002294394400000102
的输出电压
Figure BDA0002294394400000103
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，第一储能器件C1继续累积能量。其中VDDL是第一电压监视器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 BDA0002294394400000104
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 BDA0002294394400000105
输出高电平
Figure BDA0002294394400000106
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(即DC/DC转换芯片)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 BDA0002294394400000107
第一上拉电阻R1一端接第一N型开关管Q1的D极，一端连接第一储能器件C1的上端。
第一P型开关管Q2的G极连接第一N型开关管Q1的D极，S极连接第一储能器件C1上端。
第二N型开关管Q3的S极连接第一储能器件C1的上端。
输入电容C3的下端接地，上端分别连接第一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VIN和GND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。
第二储能器件C3的下端接地，上端连接DC/DC转换芯片U2的输出端；所述系统负载芯片U4具有高/低电平输出端I/O。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C3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C3充电，第二储能器件C3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C3包括电容、电池以及超级电容。本实施例中，第二储能器件C3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。
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 BDA0002294394400000111
第二电压监视芯片U3的输入端子VIN连接第二储能器件(C3)的所述另一端，指示输出端子
Figure BDA0002294394400000112
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，该高电平即为第二储能器件C3的电压Vin。第二电压监视芯片U3可以采用TPS3831、TPS3839、R3114、R3116。
第二P型MOS管Q4，第二P型MOS管Q4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具有第一高/低电平输出端I/O1和第二高/低电平输出端I/O2。
第二上拉电阻R2的一端连接第二电压监视芯片U3的输入端子VIN，另一端连接第二P型MOS管Q4的G极。
第三N型MOS管Q5的D极连接第二P型MOS管Q4的G极，S极接地。
第一分压限流电阻R3串联在第二电压监视芯片U3的指示输出端子
Figure BDA0002294394400000121
和第三N型MOS管Q5的G极之间。
第二分压限流电阻R4串联在系统负载芯片U4的第二高/低电平输出端I/O2的D极和第三N型MOS管Q5的G极之间。
第三上拉电阻R5的一端连接第二P型MOS管Q4的D极，另一端连接第二N型开关管Q3的G极，且第三上拉电阻R5的所述另一端用于连接所述第一高/低电平输出端I/O1。本实施例中，第三上拉电阻R6大小为1.3MΩ。
去耦电容C4的下端接地，上端连接第二P型MOS管Q4的上端，且用于与系统负载芯片U4的电源输入端VCC和GND连接，去耦电容C4用于系统负载芯片U4的供电去耦，本发明以第二去耦电容C5＝0.22μF为例。
第一N型开关管Q1为NMOS且满足：VDDL＜VGS(th)＜VThreshold，VGS(th)为第一N型开关管Q1的门限电压，VDDL是第一电压监视芯片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，第一电压监视芯片U1应具有尽量低的阈值电压VThreshold和静态电流IMonitor，本实施例中第一电压监视芯片U1为R3114Q071，VThreshold＝0.7V，IMonitor的典型值为350nA。
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U4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，第一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，第三上拉电阻R2大小为1.3MΩ。
当DC/DC转换芯片启动后，所述第一储能器件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(断开之前，电源具有电压监视功能，断开后不具有)，一条由第三上拉电阻R5和第二N型开关管Q3构成的反馈控制回路，将维持DC/DC转换芯片启动后第一储能器件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/O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。
所述电压监视部分的工作原理为：
(1)当第二储能器C3)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，此时第三N型MOS管Q5断开，第二P型MOS管Q4在所述第二上拉电阻R2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，此时第三N型MOS管Q5的G极电压升至
Figure BDA0002294394400000131
R3、R4以及
Figure BDA0002294394400000132
依次为第一分压限流电阻R3的大小、第二分压限流电阻R4的大小以及所述指示输出端子输出的电压大小，且R3和R4被设置为满足：所述指示输出端子的输出变为高电平时，R4*Vin/(R3+R4)超过第三N型MOS管Q5的最小导通电压；此时，第三N型MOS管Q5导通，然后第二P型MOS管Q4，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C3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C3由于能量的消耗，Vin减小，可能导致Vin小于Vth，第二电压监视芯片U3指示输出端子
Figure BDA0002294394400000141
输出低电平，第三N型MOS管Q5被关断，然后第二P型MOS管Q4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，从而保证第三N型MOS管Q5导通和第二P型MOS管Q4导通，即使Vin减小，导致Vin小于Vth，第二电压监视芯片U3的指示输出端子
Figure BDA0002294394400000142
输出低电平时，第三N型MOS管Q5导通和P型MOS管Q4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)，从而关断第二P型MOS管Q4和第三N型MOS管Q5，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C3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，第二电压指示芯片U3的指示输出端子
Figure BDA0002294394400000143
既可能输出高电平，也可能输出低电平。当第二电压指示芯片U3的指示输出端子
Figure BDA0002294394400000144
既输出低电平时，第三N型MOS管Q5立刻被关断，然后导致第二P型MOS管Q4被关断。当第二电压指示芯片U3的的指示输出端子
Figure BDA0002294394400000145
既输出高电平时，此时第三N型MOS管Q5的G极电压为
Figure BDA0002294394400000146
第三N型MOS管Q5继续导通，第二P型MOS管Q4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C3的电压最终会降到使指示输出端子
Figure BDA0002294394400000147
输出低电平时，指示输出端子
Figure BDA0002294394400000148
输出低电平时，第三N型MOS管Q5立刻被关断，然后导致第二P型MOS管Q4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C4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/R2以及VCC/(R3+R4)。在本实施例中，第二上拉电阻R2、第一分压限流电阻R3和第二分压限流电阻R4的电阻越大，他们者消耗的功率越小，因此在本实施例中第二上拉电阻R、第一分压限流电阻R3和第二分压限流电阻R4应当取较大的值，本实施例中，R2、R3和R4的大小满足：R1＝R2＝R3＝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是低电压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：第一储能器件C1、第一电压监视芯片U1、第一N型开关管Q1、第一上拉电阻R1、第一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、第二储能器件C3、第二电压监视芯片U3、第二P型MOS管Q4、第二上拉电阻R2、第三N型MOS管Q5、第四N型MOS管Q6、去耦电容C4以及第三上拉电阻R3。
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(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。第一储能器件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，该第一储能器件C1的容量需根据系统负载芯片U4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。
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 BDA0002294394400000161
输入端口VIN连接第一储能器件C1的上端，指示输出端口
Figure BDA0002294394400000162
用于第一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，第一电压监视芯片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，由于第一电压监视芯片U1内部MOSFET的亚阈值特性，指示输出端口
Figure BDA0002294394400000163
虽然输出高电平，但指示输出端口
Figure BDA0002294394400000164
的输出电压
Figure BDA0002294394400000165
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，第一储能器件C1继续累积能量。其中VDDL是第一电压监视器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 BDA0002294394400000166
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 BDA0002294394400000167
输出高电平
Figure BDA0002294394400000168
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(即DC/DC转换芯片)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 BDA0002294394400000169
第一上拉电阻R1一端接第一N型开关管Q1的D极，一端连接第一储能器件C1的上端。
第一P型开关管Q2的G极连接第一N型开关管Q1的D极，S极连接第一储能器件C1上端。
第二N型开关管Q3的S极连接第一储能器件C1的上端。
输入电容C3的下端接地，上端分别连接第一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VIN和GND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。
第二储能器件C3的下端接地，上端连接DC/DC转换芯片U2的输出端；所述系统负载芯片U4具有高/低电平输出端I/O。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C3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C3充电，第二储能器件C3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C3包括电容、电池以及超级电容。本实施例中，第二储能器件C3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。
第二电压监视芯片U3，具有输入端子以及指示输出端子，电第二电压监视芯片U3的输入端子连接第二储能器件C3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，在所述第二电压监视芯片U3的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第二电压监视芯片U3的输入端子上的输入电压，即第二储能器件C3的电压Vin。第二电压监视芯片U3可以采用TPS3831、TPS3839、R3114、R3116。
第二P型MOS管Q4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具有第一高/低电平输出端(I/O1)和第二高/低电平输出端I/O2。
第二上拉电阻R2的一端连接第二电压监视芯片U3的输入端子，另一端连接第二P型MOS管Q4的G极。
第三N型MOS管Q5的G极连接第二电压监视芯片U3的指示输出端子，D极连接第二P型MOS管Q4的G极，S极接地；
第四N型MOS管Q6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极连接第二P型MOS管Q4的G极，S极接地。
第三上拉电阻R3的一端连接第二P型MOS管Q4的D极，另一端连接第二N型开关管Q3的G极，且第三上拉电阻R3的所述另一端用于连接第一高/低电平输出端(I/O1)。本实施例中，第三上拉电阻R6大小为1.3MΩ。
去耦电容C4的下端接地，上端连接第二P型MOS管Q4的D极，且用于与系统负载芯片U4的电源输入端VCC和GND连接，去耦电容C4用于系统负载芯片U4的供电去耦，本发明以第二去耦电容C5＝0.22μF为例。
第一N型开关管Q1为NMOS且满足：VDDL＜VGS(th)＜VThreshold，VGS(th)为第一N型开关管Q1的门限电压，VDDL是第一电压监视芯片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，第一电压监视芯片U1应具有尽量低的阈值电压VThreshold和静态电流IMonitor，本实施例中第一电压监视芯片U1为R3114Q071，VThreshold＝0.7V，IMonitor的典型值为350nA。
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U4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，第一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，第三上拉电阻R2大小为1.3MΩ。
当DC/DC转换芯片启动后，所述第一储能器件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(断开之前，电源具有电压监视功能，断开后不具有)，一条由第三上拉电阻R5和第二N型开关管Q3构成的反馈控制回路，将维持DC/DC转换芯片启动后第一储能器件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/O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。
所述电压监视部分的工作原理为：
(1)当第二储能器件C3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，此时第三N型MOS管Q5断开且第四N型MOS管(Q初始状态默认断开，第二P型MOS管Q4在第二上拉电阻R2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，第三N型MOS管Q5导通，然后第二P型MOS管Q4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VCC的所述第二高/低电平输出端I/O2立即输出高电平，第四N型MOS管Q6。
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C3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C3由于能量的消耗，Vin减小，可能导致Vin小于Vth，第二电压指示芯片U3的指示输出端子
Figure BDA0002294394400000201
输出低电平，第三N型MOS管Q5被关断，然后第二P型MOS管Q4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，从而保证第四N型MOS管Q6导通和第二P型MOS管Q4导通，即使Vin减小，导致Vin小于Vth，指示输出端子
Figure BDA0002294394400000202
输出低电平时，第三N型MOS管Q5被关断时，第四N型MOS管Q6和第二P型MOS管Q4导依旧导通，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(例如零电平)，从而关断第二P型MOS管Q4和第四N型MOS管Q6，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C3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 BDA0002294394400000203
既可能输出高电平，也可能输出低电平。当指示输出端子
Figure BDA0002294394400000204
既输出低电平时，第三N型MOS管Q5因此被关断，此时第四N型MOS管Q6立即被关断，然后导致第二P型MOS管Q4被关断。当指示输出端子
Figure BDA0002294394400000205
既输出高电平时，此时第三N型MOS管Q5继续导通，第二P型MOS管Q4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C3的电压最终会降到使指示输出端子
Figure BDA0002294394400000206
输出低电平时，指示输出端子
Figure BDA0002294394400000207
输出低电平时，第四N型MOS管Q6会被关断，由于第二高/低电平输出端I/O2输出低电平，第四N型MOS管Q6也被关断，然后导致第二P型MOS管Q4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C4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/R2。在本实施例中，第二上拉电阻R2越大，消耗的功率越小，因此在本实施例中第二上拉电阻R2应当取较大的值，本实施例中，R2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)

1.一种低电压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；
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，指示输出端口用于第一电压监视芯片(U1)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(Q1)，S极接地，G极连接所述指示输出端口；
第一上拉电阻(R1)，一端接第一N型开关管(Q1)的D极，一端连接第一储能器件(C1)的所述另一端；
第一P型开关管(Q2)，G极连接第一N型开关管(Q1)的D极，S极连接第一储能器件(C1)的所述另一端；
第二N型开关管(Q3)，S极连接第一储能器件(C1)的所述另一端；
输入电容(C2)，一端接地，另一端分别连接第一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)的最小启动电压VIn_Startup小于或等于第一电压监视芯片(U1)的启动电压VThreshold；
第二储能器件(C3)，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，第二电压监视芯片的输入端子连接第二储能器件(C3)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第二电压监视芯片(U3)的输入端子上的输入电压，即第二储能器件(C3)的电压Vin；
第二P型MOS管(Q4)，第二P型MOS管(Q4)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)具有第一高/低电平输出端(I/O1)和第二高/低电平输出端(I/O2)；
第二上拉电阻(R2)，第二上拉电阻(R2)的一端连接第二电压监视芯片(U3)的输入端子，另一端连接第二P型MOS管(Q4)的G极；
第三N型MOS管(Q5)，第三N型MOS管(Q5)的D极连接第二P型MOS管(Q4)的G极，S极接地；
第一分压限流电阻(R3)，串联在第二电压监视芯片(U3)的指示输出端子和第三N型MOS管(Q5)的G极之间；
第二分压限流电阻(R4)，串联在所述系统负载芯片(U4)的第二高/低电平输出端(I/O2)和第三N型MOS管(Q5)的G极之间；
第三上拉电阻(R5)，一端连接第二P型MOS管(Q4)的D极，另一端连接第二N型开关管(Q3)的G极，且第三上拉电阻(R5)的所述另一端用于连接所述第一高/低电平输出端(I/O1)；
第一N型开关管(Q1)为NMOS且满足：VDDL＜VGS(th)＜VThreshold，VGS(th)为第一N型开关管(Q1)的门限电压，VDDL是第一电压监视芯片(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；
所述第一储能器件(C1)的漏电流ILeakage、第一电压监视芯片(U1)的静态电流IMonitor满足：ILeakage+IMonitor_≤360nA；VThreshold、VIn_Startup满足：VIn_Startup≤VThreshold≤0.7V。
2.一种低电压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；
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，指示输出端口用于第一电压监视芯片(U1)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(Q1)，S极接地，G极连接所述指示输出端口；
第一上拉电阻(R1)，一端接第一N型开关管(Q1)的D极，一端连接第一储能器件(C1)的所述另一端；
第一P型开关管(Q2)，G极连接第一N型开关管(Q1)的D极，S极连接第一储能器件(C1)的所述另一端；
第二N型开关管(Q3)，S极连接第一储能器件(C1)的所述另一端；
输入电容(C2)，一端接地，另一端分别连接第一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)的最小启动电压VIn_Startup小于或等于第一电压监视芯片(U1)的启动电压VThreshold；
第二储能器件(C3)，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，电第二电压监视芯片(U3)的输入端子连接第二储能器件(C3)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，在所述第二电压监视芯片(U3)的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第二电压监视芯片(U3)的输入端子上的输入电压，即第二储能器件(C3)的电压Vin；
第二P型MOS管(Q4)，第二P型MOS管(Q4)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，系统负载芯片(U4)具有第一高/低电平输出端(I/O1)和第二高/低电平输出端(I/O2)；
第二上拉电阻(R2)，第二上拉电阻(R2)的一端连接第二电压监视芯片(U3)的输入端子，另一端连接第二P型MOS管(Q4)的G极；
第三N型MOS管(Q5)，第三N型MOS管(Q5)的G极连接第二电压监视芯片(U3)的指示输出端子，D极连接第二P型MOS管(Q4)的G极，S极接地；
第四N型MOS管(Q6)，第四N型MOS管(Q6)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极连接第二P型MOS管(Q4)的G极，S极接地；
第三上拉电阻(R3)，一端连接第二P型MOS管(Q4)的D极，另一端连接第二N型开关管(Q3)的G极，且第三上拉电阻(R3)的所述另一端用于连接所述第一高/低电平输出端(I/O1)；
第一N型开关管(Q1)为NMOS且满足：VDDL＜VGS(th)＜VThreshold，VGS(th)为第一N型开关管(Q1)的门限电压，VDDL是第一电压监视芯片(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；
所述第一储能器件(C1)的漏电流ILeakage、第一电压监视芯片(U1)的静态电流IMonitor满足：ILeakage+IMonitor_≤360nA；VThreshold、VIn_Startup满足：VIn_Startup≤VThreshold≤0.7V。
3.根据权利要求1或2所述的低电压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R3114Q071，DC/DC转换芯片(U2)为TPS61098。
4.根据权利要求1或2所述的低电压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，第二电压监视芯片(U3)为TPS3831、TPS3839、R3114或R3116。
5.根据权利要求1或2所述的可在0.7V,360nA启动的有电压监视功能的微能量收集管理系统，其特征在于，第一N型开关管(Q1)的型号为SSM3K56MFV，第一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。
6.根据权利要求1或2所述的低电压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，第一上拉电阻(R1)大小为1.3MΩ，第三上拉电阻大小为1.3MΩ，输入电容(C2)为1μF，第一储能器件(C1)为0.1μF。
7.根据权利要求1或2所述的低电压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，
当DC/DC转换芯片(U2)启动后，所述第一储能器件(C1)上的电压会开始下降，第一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，一条由第三上拉电阻和第二N型开关管(Q3)构成的反馈控制回路，将维持DC/DC转换芯片(U2)启动后第一储能器件(C1)与DC/DC转换芯片(U2)的导通状态；最后所述系统负载芯片(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(I/O1)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所述的低电压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(C3)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，此时第三N型MOS管(Q5)断开，第二P型MOS管(Q4)在所述第二上拉电阻(R2)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，此时第三N型MOS管(Q5)的G极电压升至
Figure FDA0002294394390000061
R3、R4以及
Figure FDA0002294394390000062
依次为第一分压限流电阻(R3)的大小、第二分压限流电阻(R4)的大小以及所述指示输出端子输出的电压大小，且R3和R4被设置为满足：所述指示输出端子的输出变为高电平时，R4*Vin/(R3+R4)超过第三N型MOS管(Q5)的最小导通电压；此时，第三N型MOS管(Q5)导通，然后第二P型MOS管(Q4)，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，从而关断第二P型MOS管(Q4)和第三N型MOS管(Q5)，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(C3)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所述的低电压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，R4＝R3＝10MΩ。
10.根据权利要求2所述的低电压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(C3)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，此时第三N型MOS管(Q5)断开且第四N型MOS管(Q6)初始状态默认断开，第二P型MOS管(Q4)在第二上拉电阻(R2)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，第三N型MOS管(Q5)导通，然后第二P型MOS管(Q4)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(VCC)的所述第二高/低电平输出端(I/O2)立即输出高电平，第四N型MOS管(Q6)；
(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，从而关断第二P型MOS管(Q4)和第四N型MOS管(Q6)，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(C3)能量收集过程继续进行，启动下一个循环。
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103596293A (zh) * 2013-10-28 2014-02-19 天津大学 一种基于微型温差发电器的无线传感器节点稳定供电系统
CN105680499A (zh) * 2015-09-06 2016-06-15 王旭成 一种微能量采集电路和微能量采集方法
CN205405241U (zh) * 2016-02-29 2016-07-27 杭州电子科技大学 基于能量自收集wsn节点的温室大棚环境监控系统
CN105958670A (zh) * 2016-05-31 2016-09-21 宁波微能物联科技有限公司 为无线传感节点供电的射频能量采集装置及无线传感节点的工作方法
CN107394906A (zh) * 2017-08-23 2017-11-24 广东顺德中山大学卡内基梅隆大学国际联合研究院 一种传感器节点电源管理电路
US9973008B1 (en) * 2014-05-07 2018-05-15 Energous Corporation Wireless power receiver with boost converters directly coupled to a storage element
CN108448746A (zh) * 2018-03-14 2018-08-24 上海空间电源研究所 微波输能系统的微能量采集及最大功率输出装置及方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103596293A (zh) * 2013-10-28 2014-02-19 天津大学 一种基于微型温差发电器的无线传感器节点稳定供电系统
US9973008B1 (en) * 2014-05-07 2018-05-15 Energous Corporation Wireless power receiver with boost converters directly coupled to a storage element
CN105680499A (zh) * 2015-09-06 2016-06-15 王旭成 一种微能量采集电路和微能量采集方法
CN205405241U (zh) * 2016-02-29 2016-07-27 杭州电子科技大学 基于能量自收集wsn节点的温室大棚环境监控系统
CN105958670A (zh) * 2016-05-31 2016-09-21 宁波微能物联科技有限公司 为无线传感节点供电的射频能量采集装置及无线传感节点的工作方法
CN107394906A (zh) * 2017-08-23 2017-11-24 广东顺德中山大学卡内基梅隆大学国际联合研究院 一种传感器节点电源管理电路
CN108448746A (zh) * 2018-03-14 2018-08-24 上海空间电源研究所 微波输能系统的微能量采集及最大功率输出装置及方法

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