CN112910103A - 能量采集电路、对应的系统及操作方法 - Google Patents

Abstract

本公开的各实施例涉及能量采集电路、对应的系统及操作方法。第一RF到DC电路接收射频信号，并且产生传递到能量存储电路的第一经转换的信号。第二RF到DC电路是第一RF到DC电路的向下缩放的副本，它从指示第一RF到DC电路的开路电压的射频信号产生第二经转换的信号。第一RF到DC部分包括N个子级，其中子级的子集是可选择性地启用的。第二经转换的信号的窗口比较生成第一信号和第二信号，第一信号和第二信号指示第二经转换的信号是否在与电压参考信号成比例的值的范围内。当所执行的窗口比较分别地具有第一结果和第二结果时，分别地选择性地停用或启用子级的子集。

Description

能量采集电路、对应的系统及操作方法

优先权声明

本申请要求于2019年12月4日提交的意大利专利申请No.102019000022950的优先权，其内容在法律允许的最大范围内通过引用整体结合于此。

技术领域

该描述涉及能量采集。

一个或多个实施例可以在各种应用中找到用途，诸如在RF能量采集设备中，诸如用于无电池系统(诸如，无线电池充电器或无线传感器平台)的超低功率(纳米瓦)RF能量采集应用。

背景技术

在能量采集(或根据其它名称，功率采集或能量清除)中，来自一种或多种源(诸如，太阳能电池板、风力发电机、各种类型的热力发电机)的能量被存储用于在设备(诸如，无线便携式设备或无线传感器(例如，在无线感测平台应用中))中的可能的使用。

有效跟踪系统中可用(电)功率的能力可能有助于满足对不断增长的需求，例如，无线传感器网络(简称WSN)、通常位于难以到达和服务的位置的在无线操作中收集、处理和共享数据的平台。

特别地，用于通过物联网(IoT)网络无线地收集和共享数据的WSN可以包括位于难以到达和服务的位置的传感器。

因此，对于能量采集解决方案的需求日益增长，这些能量采集解决方案可以促进实现无电池和/或一劳永逸的传感器节点，从而又促进生产适用于几乎无处不在并且本质上无需维护的设备，例如用于IoT(物联网)应用。

无线电源传输(WPT)涉及处理非常不同的电源状况。实际上，根据功率发射器(PTX)与功率接收器(PRX)之间的距离、天线定向和传输信道，那些系统可以处理超低功率或相对较高的功率，并且通常具有可用输入功率的不可预测的变化。

如在图1中例示的，功率采集器的RF到DC转换器效率(例如以868MHz的频率操作，提供约2.3V的最大输出电压)可以在值的第一输入功率范围内从零增大到最大值，在值R₁的第二范围内的最大值附近保持大致恒定并且在值R₂的第三后续输入功率范围内从该最大值减小为零。

现有解决方案的主要目的是在给定的输入功率水平上(例如，在R₁的范围内)最大化电路效率，而忽略了根据输入功率变化问题而导致的功率转换器的退化，这可能会降低效率和输出功率水平。

忽略这种影响可能导致大量的能量损失，这可能对基于能量采集电路的应用程序的操作有害。

如Scorcioni，S等人所公开的方法：“A 868MHz CMOS RF-DC power converterwith-17dBm input power sensitivity and efficiency higher than 40％over 14dBinput power range”，欧洲固态电路会议(ESSCIRC)的2012论文集，IEEE，2012，第109-112页(以引用方式并入)，讨论了以868MHz操作的CMOS RF-DC转换器电路，用于RFID和远程供电应用，其中转换器的可重新配置架构促进了电路在非常宽的输入功率范围之上以非常高的效率操作。

然而，这种方法可能具有以下一个或多个缺点：重新配置可以单独地静态执行，例如，仅在输入功率恒定的时间周期期间执行；架构无法自动适应；并且在输入功率变化的时间周期内可能会降低效率。

无论采用哪种方法，提高功率传输的效率在任何工作条件下都是要实现的理想的目标。

在本领域中需要提供这种改进的解决方案。

发明内容

一个实施例包括能量采集电路，并且更具体地，包括自适应最大功率传输能量采集电路。

一个或多个实施例可以涉及对应的系统。

一个或多个实施例可以包括对应的方法。

一个或多个实施例可以包括被配置为以自适应最大功率传输方法操作的RF到DC变换器电路。

一个或多个实施例可以促进在宽范围的输入功率之上提供动态优化的能量效率。

一个或多个实施例可以有利地促进小型化，从而提供具有减小的尺寸的采集器电路/设备。例如，用于执行动态效率改善的部件可能仅占芯片总面积的2％。

一个或多个实施例可以改善能量采集系统的灵活性，例如在输入功率值的足够范围之上改善电路性能。

由于功耗水平可以忽略，所以一个或多个实施例可以适用于无电池系统。

一个或多个实施例可以促进在经由能量采集系统供电的无线传感器网络中增加数据更新速率。

一个或多个实施例可以促进使用(非实时)无电池传感器来近似实时系统性能，从而促进增加数据交换速率，例如用于蓝牙低能耗(BLE)无线电应用。

一个或多个实施例有利地并且创新地促进能量从能量采集器到RF到DC转换器的连续流动，避免了采集器的断开连接以测量开路电压(Voc)。

一个或多个实施例可以在无线传感器网络和IoT的背景下促进超低功率能量采集。

在一个或多个实施例中，根据本公开的能量采集器电路(以及对应的系统和方法)可以提供内置参考电压感测电路装置，该内置参考电压感测电路装置被配置为例如在超低功率应用中执行动态效率改善。

附图说明

现在将仅通过非限制性示例的方式，参考附图来描述一个或多个实施例，其中：

图1示出了用于功率采集器的RF到DC转换器效率；

图2是根据本公开的RF到DC转换器电路的示例性架构，

图3、4和5是示出根据本公开的解决方案基础的原理的图，

图6是根据本公开可以重新配置的RF到DC转换器电路的示例性架构，

图7是根据本公开的方法的示例性图，

图8是一个或多个实施例中可能的电压信号的示例性图，

图9是一个或多个实施例中可能的功率信号的示例性图。

具体实施方式

在随后的描述中，示出了一个或多个具体细节，旨在提供对本描述的实施例的示例的深入理解。可以在没有一个或多个特定细节的情况下，或者在其它方法、部件、材料等的情况下获取实施例。在其它情况下，未详细示出或描述已知的结构、材料或操作，从而不会模糊实施例的某些方面。

在本说明书的框架中对“实施例”或“一个实施例”的引用旨在指示相对于该实施例描述的特定配置、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，可以在本说明书的一个或多个点中出现的诸如“在实施例中”或“在一个实施例中”的短语不一定涉及一个实施例或相同的实施例。

此外，在一个或多个实施例中，可以以任何适当的方式组合特定的构造、结构或特性。

提供本文中使用的参考仅出于方便起见，因此不定义保护的程度或实施例的范围。

这些附图是简化的形式，并且没有精确的比例。为了简单起见，可以相对于附图使用方向性(向上/向下等)或运动性(向前/向后等)术语。术语“耦合”和类似的术语不一定表示直接和直接连接，而是还包括通过中间元件或设备的连接。

一个或多个实施例可以利用电磁波作为电源。例如，一个或多个实施例可以被施加到射频(简称RF)能量采集电路。

如本文例示的RF采集器可以依靠从集线器或基站发射的RF无线电波提取的功率，例如，由于转换器电路。因此，如本文例示的能量采集器可以用作所谓的射频到直流(简称，RF到DC)转换器。

以(非常)低功率水平工作的能力可以促进使用RF能量采集器，从而获取与功率发射源的高操作距离(r)。RF能量的传播可以通过Friis方程建模，这导致自由空间中的功率随着r²的减小而降低：

其中P_R是接收天线的输入端的可用功率，P_T是发射天线的输出功率，G_T和G_R分别是发射天线和接收天线的增益，而λ是波长。

允许电路将RF能量转换为DC的最低RF输入功率被称为灵敏度，这是这种电路的优点。

另一个性能参数是功率转换效率(PCE)或简称效率，它是将RF输入功率P_in转换为DC输出功率P_out的量度，即：

PCE＝P_out/P_in

因此，设计能量采集器可以涉及：提高灵敏度以增加操作距离；并且增加PCE，从而可以增加针对相同输入功率P_in的输出功率P_out。

在发电系统(诸如，RF能量采集器)中，RF到DC(转换)效率可能达到“最佳”能量传递点，从而导致最高(最大)发电点。

(快速且精确地)调节系统的电气操作点以最大化有效发电的能力可能会受到关注。

电路简单性可以是用于(超)低功率能量采集的电路的有利特征，从而可以将吸收的能量降低到足够低的水平，以在性能改善功能中实现节省的能量与消耗的能量之间的正平衡。

纵观附图，Vin表示能量采集器10的输入线，该能量采集器10适于从能量源(在图中不可见)接收输入电压V_in(t)。这种能量源可以是例如射频源，例如具有868MHz频率的射频(RF)信号，该射频信号可以经由接收天线RX来感测。

输入电压V_in(t)可以被表示为：

V_in(t)＝V_Asin(ωt)

其中V_A是ac输入信号的幅度，ω是由ω＝2πf给出的角频率，并且f是操作频率。

在图2中例示的一个或多个实施例中，匹配网络11可以促进将天线RX耦合到采集器电路10，从而有助于在能量采集器的输入节点Vin处提供感测的信号Vin。

如在图2中例示的，这种能量采集器电路10可以包括两个电路部分：功率转换器电路部分12，包括第一射频到直流(RF到DC)转换器电路12，耦合到输入节点Vin并且被配置为从其接收输入信号Vin，并且对其施加RF到DC转换处理，以在输出节点Vout处产生经转换的信号；以及能量存储电路部分C_s，耦合到第一RF到DC转换器电路12的输出节点Vout并且被配置为从其提供经转换的信号Vout，例如，电容器C_s被配置为存储由采集器电路10采集的能量；以及感测电路部分14，包括第二RF到DC转换器电路14，第二RF到DC转换器电路14包括第一电路部分12的缩小尺寸的副本，其中第二RF到DC转换器电路14被配置为在输入节点Vin处接收第一信号，并且在感测节点Vocs处产生指示第一RF到DC电路部分12的开路电压的缩放转换信号。

在第16/849,370号美国专利申请(基于2019年4月18日提交的意大利专利申请No.102019000006086)中讨论了这种能量采集电路10的一个或多个实施例，通过引用并入本文。

在一个或多个实施例中，Voc(开路电压)感测部分14可以对应于功率部分12的一种“小型化”的向下缩放的副本，并且在对应的输出节点Vocs处提供与开路电压Voc成比例的量度(例如，被称为Vocs)。

在一个或多个实施例中，功率部分12可以占据整个设备10的体积/面积的较高百分比，并且用作能量产生器。

例如，感测部分14可以是功率部分12的一种缩放版本，例如面积缩小，并且专用于测量开路电压Voc。

一个或多个实施例可以使用第二RF到DC部分14作为小的“虚拟”RF到DC单元，RF到DC单元被配置为再现“主”RF到DC系统的行为，而虚拟单元能够提供例如主系统的开路电压的测量，该测量又可以被用于执行动态系统效率改善功能。

因此，相对于电源部分12的体积/面积，感测部分14的体积/面积可以更小并且几乎可以忽略。

在电源部分12的尺寸被设置为提供1μA的情况下，可以导致面积比为1/10，即比例因子等于10。

在一个或多个实施例中，感测部分14的体积/面积与功率部分12的体积/面积之比将是该布置的功率效率低下的(唯一的)来源。

例如，通过设备10的适当设计，可以将这种低效率降低到最小，(远低于)常规解决方案的低效率水平。

能量效率的进一步的增加可以源自能量从设备10到转换器的连续的流动，例如，由于避免断开连接以测量Voc电压的可能性。

同样，就整个系统而言，减小系统尺寸的可能性(系统小型化)将具有协同作用，只要设备14所占用的附加的体积/面积将被(很大程度上)能量效率的提高所补偿即可。

在一个或多个实施例中，结果，相对于功率部分12的体积/面积比，第二部分14电路装置的体积/面积比可以低得多或更好地可以忽略。

如在图2中例示的一个或多个实施例中：功率部分12的第一RF到DC可以包括N个(电压)转换器电路子级的第一集合，例如N个乘法器级的集合，以提供第一(例如，最大)转换因子N，例如N＝4，其中第一转换器电路子级N中的多个级N可以被选择性地启用，例如以提供一定的转换因子，如在以下所讨论的；以及感测部分14中的第二RF到DC可以包括M个(电压)转换器电路子级的第二集合，例如M＝N/2个乘法器级的集合，以提供第二(例如，缩放的)转换因子M，例如，当N＝4时，M＝N/2＝2。

在一个或多个实施例中，第一乘法因子与第二乘法因子之间的比率可以有利地为二分之一，因此提供了开路电压Voc的一半的参考，例如，Vocs＝Voc/M＝Voc/2。

射频到直流(简称为RF到DC)能量转换器传递给一般负载的功率取决于其内部阻抗。特别地，如果RF到DC设备的内部电阻Rs与负载Rs之间存在匹配，则会发生最大功率传输。

RF到DC转换器电路将RF能量转换为与在天线处接收的(输入)功率成比例的DC电。例如，提供的(输出)功率可以被表示为：

Pout＝(-Vout²+Vout*Voc)/Rs

其中：Voc是RF到DC电路的开路输出电压，Rs是RF到DC内部电阻。由RF到DC电路提供的输出功率相对于输出电压是抛物线，其在输出电压Vout＝Voc/2处具有最大值，这又与通过使Rs＝RL获取的条件相同。

这在设计阶段期间提出了一个相关的问题。RF到DC内部阻抗Rs取决于接收的功率。因此，在设计阶段，可以仅针对单个预定义的接收功率和负载条件优化功率传输。

这种条件很难与现实生活相匹配：实际上，对于定义的发射功率和频率，在无线功率传输中，接收功率在很大程度上取决于环境条件以及功率接收器和发射器之间的距离。通常，不能将RF到DC电路输入端的接收功率视为固定的，并且在功率传输期间负载条件变化很大。

因此，当功率发射器与功率接收器之间的相对距离发生变化时或如果环境条件发生变化，系统可能会失去效率，这在实践中通常会发生。

图3包括如在图2中例示的能量采集电路10的实施例的原理的示意图。

在一个或多个实施例中，电路10的第一RF到DC部分12的开路电压Voc可以相对于经由至少一个天线RX感测的输入功率Pin以几乎线性增长的方式变化，如在图3的部分a)中例示所表示的。

例如，这种准线性曲线的趋势可以与第一RF到DC电路部分12中的N个子级成比例。

在这种考虑的示例中：当输入功率水平Pin具有第一功率值P1时，开路电压电平Voc具有第一电压值Voc1，其中这些值是如在图3的部分a)中例示的Voc-Pin图中的第一RF到DC电路部分的这种第一操作点的坐标值；并且当输入功率水平Pin具有高于第一功率值P1的第二功率值P2时，开路电压电平Voc具有高于第一电压值Voc1的第二电压值Voc2，其中这些值是如图3的部分a)中例示的Voc-Pin图中的第一RF到DC的这种操作点的坐标值。

如在图3的部分b)中例示的一个或多个实施例中，输出功率Pout与输出电压Vout的关系呈现出峰值位于Vout＝Voc/2处的基本的(倒置的；凹的、向下凹的)抛物线趋势，其中电路10被优化以在设计阶段中操作的操作电压值Vop在期望的工作条件下通常等于这种峰值Vout，例如Vout＝Voc1/2。

在所考虑的示例中，根据关于图3的部分a)的讨论，可以得出结论，如图3的部分b)中例示的：当输入功率水平Pin具有第一功率值P1时，峰值输出电压值等于操作电压Vop，并且电路具有第一效率值η1；并且当输入功率水平Pin具有高于第一功率值P1的第二功率值P2时，操作电压值可能会远离峰值输出电压值，如图3的部分b)中例示的，导致电路具有低于第一效率值η1的第二效率值η2。

根据本公开的解决方案，提供了一种重新配置转换子级的数目Ns的方法，转换子级可以被启用以操作第一RF到DC部分12中的RF到DC转换，以便解决效率损失的问题。这可以有助于避免浪费输入功率的正向变化，例如该正向变化可以通过减小RF能量源与感测天线RX之间的距离而引起。

这表明，为了有助于实现最佳的功率传输，应该期望对RF到DC单元进行调节，以便在被布置在Voc/2附近的电压范围内操作。因此有利于测量开路电压值Voc。

图4包括如在图2中例示的能量采集电路10的实施例的原理的示意图。

在下文中，除非另有说明，否则相似的参考可以被用于指示相似的元件。

如在图4中例示的一个或多个实施例中，可以看出可以利用电路10的第一RF到DC部分12的开路电压Voc与经由至少一个天线RX从电路10的第一RF到DC部分12的N个子级的集合中的启用的子级的数目Ns感测的输入功率Pin之间的曲线的趋势的依赖来提高系统效率。

例如，考虑以下情形：直到输入功率具有第一功率值P1为止，电路10的第一RF到DC部分12的所有N个子级都将接收的信号Vin转换为经转换的信号Vout，其中具有被启用的所有N个子级的电路部分12具有第一开路电压Voc1(由于第二RF到DC转换器14而可检测到)；并且当输入功率增加达到高于第一功率值P1的第二功率值P2时，第一RF到DC部分12的所有N个子级中的减少的数目Ns(例如，Ns＝N/2)的子级被选择性地启用，其中由于有源子级的数目为Ns，其中第二开路电压Voc2(由于第二RF到DC转换器14而可检测到)可以等于第一开路电压Voc1，如在图4的部分a)中例示的。

在这种考虑的示例中：当输入功率水平Pin具有第一功率值P1时，开路电压电平Voc具有第一电压值Voc1，其中这些值是如在图4的部分a)中例示的Voc-Pin图中的第一RF到DC电路部分12的这种第一操作点的坐标值；并且当输入功率水平Pin具有高于第一功率值P1的第二功率值P2时，开路电压电平Voc具有等于第一电压值Voc1的第二电压值Voc2，其中这些值是如图4的部分a)中例示的Voc-Pin图中的第一RF到DC电路部分12的这种第二操作点的坐标值。

如在图4的部分b)中例示的一个或多个实施例中，在不同的输入功率值范围内，Vout＝Voc/2处的峰值保持恒定，从而使电路10在设计阶段中被优化为在该电压下操作的操作电压值Vop仍然是设计预期的工作条件中的一个工作条件，例如，Vout＝Voc1/2＝Voc2/2＝Vop。

在所考虑的示例中，根据图4的部分a)所讨论的内容，可以得出如下结论，如图4的部分b)中例示的：当输入功率水平Pin具有第一功率值P1时，峰值输出电压值等于操作电压Vop，并且电路具有如图3的部分b)例示的第一效率值η1；并且当输入功率水平Pin具有高于第一功率值P1的第二功率值P2时，操作电压值保持接近或等于峰值输出电压值Vop。

结果，以这种方式操作的电路10显示出改进的性能、可调节性和灵活性，而没有在能量转换方面的效率损失。

图5是实施例基础的原理的进一步的示例性图，其中有源级的数目可以在多个操作条件下变化，例如：直到输入功率具有第一功率值P1为止，电路10的第一RF到DC部分12的所有N个子级都将接收的信号Vin转换为经转换的信号Vout，其中所有N个子级被启用的电路部分12具有第一开路电压Voc1(由于第二RF到DC转换器14而可检测到)；当输入功率增加达到高于第一功率值P1的第二功率值P2时，第一RF到DC部分12的所有N个子级中的减少的数目Ns(例如，Ns＝N/2)的子级被选择性地启用，其中由于有源子级的数目为Ns，其中第二开路电压Voc2(由于第二RF到DC转换器14而可检测到)因此可以等于第一开路电压Voc1；并且当输入功率进一步增加达到高于第一功率值P1和第二功率值P2两者的第三功率值P3时，第一RF到DC部分12的所有N个子级中的进一步减少的数目(例如，N/3)的子级被选择性地启用，其中由于有源子级的数目减少到N/3，第三开路电压Voc3＝Voc1＝Voc2(由于第二RF到DC转换器14而可检测到)可以等于第一开路电压Voc1。

如在图6中例示的一个或多个实施例中，根据本公开的可配置的能量采集电路100可以包括：如前所述的采集器电路10。电路100还包括耦合到所述第一RF到DC部分12和所述第二RF到DC部分14的驱动器电路装置20，驱动器电路装置包括电压参考(Vref)电路部分200，并且被配置为从所述第二RF到DC部分14接收所述感测信号Vocs，并且选择性地启用/停用第一RF到DC部分12的子级的集合中的Ns个子级。包括负载阻抗元件的负载级Z_L被耦合在第一RF到DC的第一电压节点Vout与接地GND之间。

在一个或多个实施例中，驱动器电路装置20可以包括：电压参考部分200，例如由电压参考发生器(例如，低压差(LDO)电压调节器)形成，发生器200被配置为在相应的电压参考节点Vop处提供电压操作电平(例如，在第一RF到DC的操作被设计为最佳地起作用处的电压操作电平)。驱动器电路装置20还包括窗口比较器级202、204，窗口比较器级202、204被配置为确定在第二RF到DC的感测节点Vocs处感测的开路电压Vocs是高于参考电压电平阈值还是低于电压参考电平阈值，其中比较器202、204被配置为在相应的第一节点Up处输出第一二进制信号Up并且在相应的第二节点Dn处输出第二二进制信号Dn，如果Vocs大于阈值(例如，Vocs>Vop)，则第一二进制信号Up可以具有第一值(例如，“逻辑高”或“1”)，如果Vocs小于或等于阈值(例如，Vocs≤Vop)，则第一二进制信号Up可以具有第二值(例如，“逻辑低”或“0”)，如果Vocs小于阈值(例如，Vocs<Vop)，则第二二进制信号Dn可以具有第一值(例如，“逻辑高”或“1”)，如果Vocs大于或等于阈值(例如，Vocs≥Vop)，则第二二进制信号Dn可以具有第二值(例如，“逻辑低”或“0”)。有限状态机(FSM)级21，优选地是异步FSM，被耦合到所述窗口比较器，并且被配置为接收第一二进制信号Up和第二二进制信号Dn，并且对这些信号进行FSM处理，从而产生可以被提供给第一RF到DC转换级的控制信号cbs(例如，控制位序列)，其中控制信号cbs被配置为选择性地启用/停用在第一RF到DC部分12的所有N个子级中的子级集合Ns。

在一个或多个实施例中，相对于采用同步FSM 21，采用异步FSM21可以促进减少功率损耗，采用异步FSM 21有利地避免了采用功耗时钟发生器。

在一个或多个实施例中，如下文所讨论的，控制信号cbs可以是两位(或n位)信号，其值可以是FSM级21的操作状态的函数和输入到其中的二进制信号Up、Dn的函数，例如cbs可以被计算为二进制信号Up、Dn的总和。

在一个或多个实施例中，窗口比较器202、204可以包括：i)第一“过电压”比较器电路202(例如，迟滞比较器)，具有耦合到第二RF到DC部分12的感测节点Vocs并且被配置为从其接收(缩放的)感测的开路电压电平Vocs的第一“正向”输入节点，第一比较器级202具有耦合到参考电压节点Vop并且被配置为从其接收电压参考电平Vop的第二“负向”输入节点；以及ii)第二“欠电压”比较器电路204(例如，迟滞比较器)，具有第一“负向”输入节点，该第一“负向”输入节点耦合到第二RF到DC部分12的感测节点Vocs并且被配置为从其接收(缩放的)感测的开路电压电平Vocs，第一比较器级202具有第二“正向”输入节点，该第二“正向”输入节点耦合到参考电压节点Vop并且被配置为从其接收电压参考电平Vop。第一比较器电路202和第二比较器电路204中的每个比较器电路检测公共输入电压Vocs相对于参考电压±Vocs作为上限和下限。

在一个或多个实施例中，驱动器电路装置21可以包括耦合到FSM电路21并且被配置为复位FSM的操作状态的上电复位(POR)电路部分207，如下文中所讨论的。

一个或多个实施例可以可选地包括进一步的比较器电路208，比较器电路208具有第一“正向”节点，该第一“正向”节点耦合到第一RF到DC部分12的输出节点并且被配置为从其接收第一输出电压Vout，并且具有第二“负向”输入节点，该第二“负向”输入节点耦合到参考发生器200并且被配置为从其接收电压参考电平Vop，进一步的比较器208被耦合到负载级Z_L并且被配置为控制负载Z_L，例如根据与操作电压Vop成正比的输出电压控制负载的启用状态。

在一个或多个实施例中，进一步的比较器208可以包括简单的(低成本)超低功率比较器，其可以调节存储在C_L处的电压，以便于在各种环境条件下使其平均值近似于操作电压值Vop电压，如在下文中所讨论的(例如，参见图8)。

图7是在一个或多个实施例中的FSM电路21的可能功能的示例性状态图。

考虑示例性情形，其中第一RF到DC部分12包括N＝6个子级并且其中第二RF到DC部分14包括M＝N/2＝3个子级，如在图7中例示的，例如：POR信号可以由POR级207发送到FSM级21，将其初始化为起始状态212。

在起始状态212中，只要在第二RF到DC部分14的感测节点Vocs处感测的开路电压Vocs在第一间隔±Vop内，这可以指示输入功率水平条件Pin＝P1，则控制信号cbs可以具有起始值，例如cbs＝“00”，其可以选择性地启用第一RF到DC部分12中的最大数目Ns的子级，例如Ns＝N＝6。

FSM 21可以设想从起始状态212到第一状态214的第一转变，其中第一转变可以由于在第二RF到DC部分14的感测节点Vocs处感测的开路电压Vocs的值的增加(例如，Vocs＝Voc2>Vop)而被触发，其中可以由于比较器212、214输出具有第一值的信号Up(例如，当Up＝“1”时)而检测这种增加条件，其可以指示输入功率水平条件Pin＝P2。在第一状态214中，控制信号cbs可以具有第一值(例如，cbs＝“01”)，并且作为结果，可以启用/停用减少的(例如，减半的)数目的子级，例如，Ns＝N/2＝3。

FSM 21可以进一步具有从第一状态214到第二状态216的第二转变，其中第二转变可以由于在第二RF到DC部分14的感测节点Vocs处感测的开路电压Vocs的值的进一步的增加(例如，Vocs＝Voc3>Vop)而被触发，其中可以由于当系统在第一状态214中时比较器212、214输出具有第一值的信号Up(例如，当Up＝“1”时)而检测这种增加条件，其可以指示输入功率水平条件Pin＝P3。在第二状态216中，控制信号cbs可以具有第二值(例如，cbs＝“10”)，并且作为结果，可以启用/停用减少的(例如，总数的三分之一的)数目Ns的子级，例如Ns＝N/3＝2。

FSM 21可以进一步从第二状态216转变到第三状态218，其中可以由于在第二RF到DC部分14的感测节点Vocs处感测的开路电压Vocs的值的另一增加而触发进一步的转变，其中可以由于当系统在第三状态216中时比较器212、214输出具有第一值的信号Up(例如，当Up＝“1”时)而检测这种增加条件，其可以指示输入功率水平条件Pin>P3。在第三状态218中，控制信号cbs可以具有第三值(例如，cbs＝“11”)，并且作为结果，可以启用/停用减少的(例如，总数的六分之一的)数目Ns的子级，例如，Ns＝N/6＝1。

在一个或多个实施例中，当在状态212、214、216、218中的任一个状态中时，由于比较器212、214输出具有第一值的信号Dn(例如，当Dn＝“1”时)，FSM 21可以设想以相对于上文讨论的相反的方向的相反的转变，当系统在状态212、214、216、218中的任一个状态中时，导致控制信号值发生变化，例如从cbs＝“11”变为cbs＝“10”，其可以指示输入功率水平条件Pin<＝P3。

如在图8中例示的一个或多个实施例中，例如在稳态条件中，由第一RF到DC部分12提供并且存储在元件C_L上的电压Vout可以在两个电压Vh与Vl之间切换。

例如，由于Vout达到(上限)电压Vh，因此可以朝向负载Z_L(参见图6的右侧)启用在16处存储的能量的传递机制，其本身可以与耦合到第三比较器208的输出节点18c的负载Z_L的实施例(例如，IoT节点)不同。

如在图2中例示的一个或多个实施例中，例如，可以经由通过第三比较器208输出的信号控制的DC-DC转换器(其本身可以是常规的、简化的设计)来实现朝向负载Z_L的能量传输。由于能量被传递到负载，电压Vout可能从上限值Vh(参见图8的示意图)下降到下限值Vl，而DC-DC转换器关闭(能量传输中断)，从而促进能量的重新存储，直到再次达到上限值Vh为止。

如所提到的，在一个或多个实施例中，可以限制从Vh到Vl的电压降，例如，以使得电压Vout的平均值可以接近“期望的”操作电压Vop的方式，有利地提供了动态改善的能量转换效率。

如图8中例示的，系统可以以与输入功率成比例的频率在充电阶段和放电阶段之间交替。例如，输入功率越高，充电相位周期越短，导致更高的换向频率。在无电池传感器应用(诸如，BLE无线电)中，每当开始放电阶段就发送数据，充电/放电阶段之间的换向频率越高，则可以有利地提高数据传输速率。

对于给定的输入功率量，一个或多个实施例可以有利地增加由根据本公开的采集器供电的传感器可以传输的数据量，从而促进近似实时系统数据速率。

例如，对于给定的电路10，可以选择Vh和Vl，使得Vh＝Voc/2+ΔV并且Vl＝Voc/2-ΔV，其中(Vh+Vl)/2＝Voc，其中以关于最大值的功率损耗被保持在期望的范围内(例如，90％)的方式选择ΔV。

如在图6中例示的一个或多个实施例中，FSM级21可以被耦合到电压参考源200，并且可以被配置为可控地改变其值，以便补偿在具有非常高的输入功率Pin的电路10的Pout-Vout曲线中可能出现的非线性。

图9是这种非线性的示例性图。

例如，当输入功率Pin远高于P3时，可以方便地提高或降低Vop的值，以促进选择可以导致保持可能的最高效率值的条件，例如，如果输入功率Pin分别为平均值或远高于P3，则可以分别为Ns’＝6、Ns”＝6设置第一Vop’，而不会改变参考电压发生器的电平。

例如，当输入功率Pin远高于P3时，可以方便地进一步向下缩放第一RF到DC转换器的向下尺寸版本14，以便促进选择可以导致保持可能的最高效率值的条件。

在一个或多个实施例中，可以设置有限范围的功率值以供系统在其中操作。例如，该范围可以包括上限值和下限值，其中可以根据子级的最大数目N确定下限值，这可以有助于提高设备灵敏度，同时可以根据可以在相同时间处启用的子级的“最小”数目来确定上限。

在一个或多个实施例中，一种电动系统，可选地无电池的电动系统(例如，包括至少一个RF感测天线RX的移动RF终端或无线传感器)可以包括如本文例示的能量采集器电路10，例如作为电力供应的来源。

如本文所例示的，能量采集器电路(例如，100)可以包括：第一射频到直流(RF到DC)电路部分(例如，12)，被配置为在第一节点处(例如，Vin)从至少一个射频感测天线(例如，RX)接收第一信号并且在第二节点处(例如，Vout)产生第一经转换的信号；能量存储电路部分(例如，C_s)，耦合到第一RF到DC部分并且从其提供经转换的信号；第二RF到DC电路部分(例如，14)，包括第一RF到DC部分的向下缩放的副本并且被配置为在所述输入节点处接收所述第一经转换的信号并且在感测节点处(例如，Vocs)产生第二经转换的信号，第二经转换的信号指示第一RF到DC电路部分的开路电压；驱动器电路装置(例如，20)，包括电压参考发生器(例如，200)，电压参考发生器被配置为提供电压参考信号(例如，Vop)并且耦合到所述第一RF到DC转换器电路和所述第二RF到DC转换器电路(例如，12、14)；其中所述第一RF到DC部分包括N个整数子级，所述N个整数子级中的整数子级中的至少一个子集是可选择性地停用/启用的(例如，Ns)。驱动器电路装置被配置为：i)在所述第二经转换的信号与所述电压参考信号之间执行比较(例如，212、214)，其中所述比较产生第一信号(例如，Up)和第二信号(例如，Dn)，当所述第二经转换的信号高于所述电压参考信号时第一信号(Up)具有第一值，并且当所述第二经转换的信号低于所述电压参考信号时第二信号具有第一值，以便检查第二经转换的信号是否在与所述电压参考信号成比例的值的范围内(例如，Up、Dn)，并且ii)当所执行的比较分别具有第一结果和第二结果时，分别地选择性地停用(例如，21，cbs)或启用所述第一RF到DC部分的所述N个整数子级中的整数(例如，Ns)个子级的子集。

如本文例示的，第一RF到DC电路部分可以包括第一电压倍增器，第一电压倍增器包括多个乘法子级(例如，Ns)，第一电压倍增器具有最小乘法因子1以及最大乘法因子N，其中乘法因子可以根据在1到N之间启用的整数个乘法子级而选择性地变化。

如本文例示的，第二RF到DC电路部分的第一RF到DC部分的所述向下缩放的副本可以具有等于2的缩放因子，从而提供了第一RF到DC部分的半比例的副本。

如本文例示的，驱动器电路装置可以包括窗口比较器(例如，212、214)，窗口比较器耦合到电压参考发生器和第二RF到DC电路部分，比较器对从发生器(200)接收的电压参考信号以及对来自第二RF到DC电路部分的第二信号敏感。

如本文例示的，比较器可以包括第一(例如，212)迟滞比较器和第二(例如，214)迟滞比较器，被配置为分别地改变围绕所述电压参考信号的迟滞间隔的上端和下端处的状态。

如本文例示的，所述驱动器电路装置可以包括被配置为接收所述第一信号和所述第二信号的有限状态机(FSM)电路(例如，21)，FSM电路被配置为产生控制信号(例如，cbs)并且将控制信号提供给所述第一RF到DC部分12，控制信号(例如。cbs)被配置为当所述执行的比较分别地具有第一结果和第二结果时，分别地选择性地启用或停用所述第一RF到DC部分的所述N个子级中的整数子级的所述子集，FSM电路优选地包括异步FSM电路。

如本文例示的，系统可以包括：至少一个射频天线(例如，RX)，被配置为感测RF信号(例如，Vin)；如本文例示的至少一个电路(例如，100)，该电路具有耦合(例如，11)到所述至少一个射频天线的所述第一RF到DC电路部分和所述第二RF到DC电路部分，以从其接收所述第一信号；以及电负载(例如，Z_L)，耦合到电路的输出节点(例如，10)以由其供电。

如本文例示的，系统可以包括匹配网络(例如，11)，被配置为将至少一个射频天线与所述第一RF到DC电路部分和所述第二RF到DC电路部分自适应地耦合。

如本文例示的，所述电负载可以是电动传感器设备。

如本文例示的，操作电路(100)的方法(例如，21)包括：在所述第二经转换的信号(例如，Vocs)与所述电压参考信号(例如，Vop)之间执行比较(例如，212、214)，其中所述比较产生第一信号(例如，Up)和第二信号(例如，Dn)，当所述第二经转换的信号高于所述电压参考信号时第一信号具有第一值，并且当所述第二经转换的信号低于所述电压参考信号时第二信号具有第一值，以便检查第二经转换的信号是否在与所述电压参考信号成比例的值(例如，Up、Dn)的范围内；并且当所述执行的比较分别具有第一结果和第二结果时，分别地选择性地停用(例如，21，cbs)或启用所述第一RF到DC部分的所述N个整数子级中的整数(例如，Ns)个子级的子集。

否则将理解，伴随本说明书在整个附图中例示的各种单独的实现选项不一定旨在以附图中例示的相同组合来采用。因此，一个或多个实施例可以相对于附图中例示的组合单独地和/或以不同的组合来采用这些(否则是非强制性的)选项。

权利要求是本文参考实施例提供的技术指导的组成部分。

在不损害基本原理的情况下，细节和实施例可以相对于仅通过示例的方式描述的内容进行(甚至显著的)变化，而不背离保护的范围。保护范围由所附权利要求限定。

Claims (20)

1.一种电路，包括：

第一射频到直流(RF到DC)电路，被配置为在第一节点处从至少一个射频感测天线接收第一信号，并且在第二节点处产生第一经转换的信号；

能量存储电路，耦合到所述第一RF到DC部分，并且被提供有所述第一经转换的信号；

第二RF到DC电路，其中所述第二RF到DC电路是按缩放因子向下缩放的所述第一RF到DC电路的副本，所述第二RF到DC电路被配置为在输入节点处接收所述第一信号，并且在感测节点处产生第二经转换的信号，所述第二经转换的信号指示在所述第一RF到DC电路的所述第二节点处的开路电压；

驱动器电路装置，包括电压参考发生器，所述电压参考发生器被配置为提供电压参考信号，并且耦合到所述第一RF到DC转换器电路和所述第二RF到DC转换器电路；

其中所述第一RF到DC部分包括整数N个子级，在所述N个子级中的子级的至少一个子集是可选择性地停用/启用的；

其中所述驱动器电路装置被配置为：

i)在所述第二经转换的信号与所述电压参考信号之间执行比较，其中所述比较产生第一信号和第二信号，当所述第二经转换的信号高于所述电压参考信号时，所述第一信号具有第一值，并且当所述第二经转换的信号低于所述电压参考信号时，所述第二信号具有第一值，以检查所述第二经转换的信号是否在与所述电压参考信号成比例的值的范围内；以及

ii)当所执行的比较具有第一结果时，选择性地停用所述第一RF到DC电路的所述N个子级中的子级的子集，或者当所执行的比较具有第二结果时，选择性地启用所述第一RF到DC电路的所述N个子级中的整数个子级的所述子集。

2.根据权利要求1所述的电路，其中所述第一RF到DC电路包括第一电压倍增器，所述第一电压倍增器包括多个乘法子级，所述第一电压倍增器具有最小乘法因子1和最大乘法因子N，其中所述乘法因子可以根据在1与N之间的范围内启用的整数个乘法子级而选择性地变化。

3.根据权利要求1所述的电路，其中所述缩放因子等于二。

4.根据权利要求1所述的电路，其中所述驱动器电路装置包括窗口比较器，所述窗口比较器耦合到所述电压参考发生器以及耦合到所述第二RF到DC电路，所述窗口比较器对从所述发生器接收的所述电压参考信号、以及对来自所述第二RF到DC电路部分的所述第二经转换的信号敏感。

5.根据权利要求3所述的电路，其中所述比较器包括第一迟滞比较器和第二迟滞比较器，所述第一迟滞比较器和所述第二迟滞比较器被配置为分别地改变围绕所述电压参考信号的迟滞间隔的上端和下端处的状态。

6.根据权利要求1所述的电路，其中所述驱动器电路装置包括被配置为接收所述第一信号和所述第二信号的有限状态机FSM电路，所述FSM电路被配置为产生控制信号，并且将所述控制信号提供给所述第一RF到DC电路，所述控制信号被配置为当所执行的比较具有所述第一结果时，选择性地启用在所述N个子级中的子级的所述子集，或者当所执行的比较具有所述第二结果时，选择性地停用在所述N个子级中的子级的所述子集。

7.根据权利要求1所述的电路，其中所述FSM电路是异步FSM电路。

8.根据权利要求1所述的电路，还包括耦合到所述第一RF到DC电路的所述输出节点的电负载。

9.根据权利要求8所述的电路，其中所述电负载是电动传感器设备。

10.根据权利要求1所述的电路，还包括匹配网络，所述匹配网络被配置为将所述至少一个射频天线自适应地耦合到所述第一RF到DC电路的所述第一输入，以及耦合到所述第二RF到DC电路的所述输入节点。

11.一种电路，包括：

第一射频到直流(RF到DC)电路，被配置为在第一节点处接收射频信号，并且在第二节点处产生第一经转换的信号；

能量存储电路，被耦合以从所述第二节点接收所述第一经转换的信号；

第二RF到DC电路，其中所述第二RF到DC电路是按缩放因子向下缩放的所述第一RF到DC电路的副本，所述第二RF到DC电路被配置为在输入节点处接收所述射频信号，并且在感测节点处产生第二经转换的信号，所述第二经转换的信号指示在所述第一RF到DC电路的所述第二节点处的开路电压；

其中所述第一RF到DC部分包括整数N个乘法级，并且其中所述乘法级的至少一个子集是可选择性地停用的；

控制电路，被配置为：

i)将所述第二经转换的信号与参考电压进行比较，并且当所述第二经转换的信号高于所述参考电压时断言控制信号；以及

ii)响应于控制信号的断言而选择性地停用所述乘法级的所述子集。

12.根据权利要求11所述的电路，其中所述缩放因子等于2。

13.根据权利要求11所述的电路，还包括耦合到所述第一RF到DC电路的所述输出节点的电负载。

14.根据权利要求13所述的电路，其中所述电负载是电动传感器设备。

15.根据权利要求11所述的电路，还包括匹配网络，所述匹配网络被配置为将所述至少一个射频天线自适应地耦合到所述第一RF到DC电路的所述第一输入，以及耦合到所述第二RF到DC电路的所述输入节点。

16.一种电路，包括：

第一射频到直流(RF到DC)电路，被配置为在第一节点处接收射频信号，并且在第二节点处产生第一经转换的信号；

能量存储电路，被耦合以从所述第二节点接收所述第一经转换的信号；

第二RF到DC电路，其中所述第二RF到DC电路是按缩放因子向下缩放的所述第一RF到DC电路的副本，所述第二RF到DC电路被配置为在输入节点处接收所述射频信号，并且在感测节点处产生第二经转换的信号，所述第二经转换的信号指示在所述第一RF到DC电路的所述第二节点处的开路电压；

其中所述第一RF到DC部分包括整数N个乘法级，并且其中所述乘法级的至少一个子集是可选择性地启用的；

控制电路，被配置为：

i)将所述第二经转换的信号与参考电压进行比较，并且当所述第二经转换的信号高于所述参考电压时断言控制信号；以及

ii)响应于控制信号的断言而选择性地启用所述乘法级的所述子集。

17.根据权利要求16所述的电路，其中所述缩放因子等于2。

18.根据权利要求16所述的电路，还包括耦合到所述第一RF到DC电路的所述输出节点的电负载。

19.根据权利要求18所述的电路，其中所述电负载是电动传感器设备。

20.根据权利要求16所述的电路，还包括匹配网络，所述匹配网络被配置为将所述至少一个射频天线自适应地耦合到所述第一RF到DC电路的所述第一输入，以及耦合到所述第二RF到DC电路的所述输入节点。

Images