CN113302816A - 多频段能量收集系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多频段能量收集系统。该系统包括：多个收集天线，其中，多个收集天线中的每个收集天线在特定频段下运行；以及多个收集单元，其中，多个收集单元中的每个收集单元均耦合到相应收集天线且适配于在相应收集天线的特定频段下收集能量。

Description

多频段能量收集系统
优先权文件
本申请要求申请日为2019年01月15日、申请号为62/792,581的美国临时申请的优先权权益，其全部内容通过引用归并本文。
技术领域
本公开总体上涉及能量收集，更具体地涉及物联网(IoT)传感器。
背景技术
物联网(IoT)是物理设备、交通工具、建筑物和其他嵌有电子器件、软件、传感器、执行器的物品的联网以及使得这些对象能够收集和交换数据的网络连接。IoT有望提供超越机器对机器(M2M)通信并涵盖各种协议、域和应用的设备、系统和服务的高级连接。
IoT可封装在各种各样的设备中，诸如：心脏监测植入物；耕畜身上的生物芯片应答器；带内置传感器的机动车；照明、供暖、通风、空调(HVAC)系统自动化；以及使用Wi-Fi进行远程监控的洗衣机/烘干机、吸尘机器人、空气净化器、烤箱或冰箱/冰柜等电器。通常，IoT设备封装无线传感器或此类传感器的网络。
大多数IoT设备是收集数据并将此类数据传送到中央控制器的无线设备。必须满足一些要求才能广泛部署IoT设备。这类要求包括可靠的通信链路、低能耗和低维护成本。
一种使用电池的替选方案是可以从诸如光、运动和电磁功率(如现有的射频传输)等来源收集的电力供应。收集到的电力存储在电容器或可充电电池中，并通常由电力管理单元(PMU)管理。PMU是执行一般电路电力相关操作的电路，诸如供电调节、电压电流基准、上电指示、掉电指示、电力模式控制、电力存储单元管理等。
具体而言，在电力收集系统中，PMU基于对存储电容器上电压的测量来提供能量存储和电压阈交指示。
图1示出一种常规的基于收集器110的收集器系统100的示意图。收集器110耦合到包括施密特触发器122的PMU 120。收集器110接收由外来资源发射的RF信号。接收到的RF信号的能量对电容器112充电，在此借助电压倍增器114执行能量到电流的转换。电压倍增器是一种将交流电力转换为直流电压并将其直流输出级联以倍增输出电压电平的电路，通常使用到电容器和二极管或开关的网络。这种倍增器的实例为Dickson倍增器。
PMU 120确定电容器112处的电压电平何时足以使得收集器系统100能够运行计算任务，并发射和/或接收信号。例如，将基准电压阈值(Vref)与电容器112处的电压电平(Vin)进行比较。一旦电压电平Vin超过阈值(Vref)，施密特触发器122从0切换到1，用信号通知收集器110设备具有足够的电力。
施密特触发器122是一种比较器电路，其具有通过将正反馈施加到比较器或差分放大器的非反相输入端来实施的迟滞124。这里，施密特触发器是经由比较器将模拟输入信号转换为数字输出信号并具有迟滞的有源电路。如此，操作施密特触发器122需要电力。由收集器110提供电力。
从IoT设备中省除电池的关注点是，它们的成本、尺寸、因环境影响(例如水、湿度)缺乏耐用性以及使用寿命短，这就需要易于更换。相关技术中公开的收集器设计的问题在于，这种收集器仅提供了单一的能量资源。当在单个收集器的天线调谐到的频率下未接收到信号时，通常根本无法收集到能量。为了优化性能，收集器和天线应在高品质因数谐振下运行。因此，宽频段天线可能并不适用。
有鉴于此，有利地提供一种从IoT设备中的多个来源收集能量的解决方案。
发明内容
本公开的若干示例性实施例概述如下。本概述的目的是方便读者获得对此类实施例的基本理解，而不完全限定本公开的范围。发明内容并非对所有预期实施例的综述，既非确定所有实施例的重要或关键元素，亦非说明任何或所有方面的范围。本发明的目的在于以简化形式呈现一种或多种实施例的某些构思，以作后文具体实施方式的引言。为方便起见，本文可以使用术语“一些实施例”或“某些实施例”来指代本公开的单个实施例或多个实施例。
本公开某些实施例包括一种多频段能量收集系统。该系统包括：多个收集天线，其中，多个收集天线中的每个收集天线在特定频段下运行；以及多个收集单元，其中，多个收集单元中的每个收集单元均耦合到相应收集天线且适配于在相应收集天线的特定频段下收集能量。
本公开某些实施例包括一种免电池无线设备，包括：多频段能量收集系统，其适配于从不同频段中发射的空中信号中收集能量；以及传感器，其由收集到的能量供电。
附图说明
本文具体指出本公开的主题，并在说明书随附的权利要求书中显式地要求保护本公开的主题。结合附图，本公开的上述及其他特征和优点参阅下述具体实施方式将更为清楚明了，图中：
图1是常规收集系统的示图；
图2是根据一些实施例的多频段能量收集器的框图；
图3是根据一些实施例的具有多频段能量收集器的无线IoT芯片的框图；
图4是根据某一实施例设计的多频段能量收集器的示图；以及
图5是根据另一实施例设计的多频段能量收集器的示图。
具体实施方式
重点应当指出，本公开实施例仅为本文创新教导的许多有利用途的实例。一般而言，本申请说明书中作出的陈述未必限制要求保护的各种实施例中的任一实施例。此外，某些陈述可适于某些发明特征，但不适于其他特征。一般而言，单数元素可为复数且反之亦然，不失一般性，除非另作指明。在附图中，各图相同的数字表示相同的部件。
一些实施例在同一系统中使用标准无线电传输。在一示例性实施例中，蓝牙低能耗可以与能量收集同时传输。在另一实例中，一些实施例可以作为占空比系统的一部分操作，从而传输和其他操作不依赖于同时收集。例如，天线可在一部分时间调谐用于接收/发射，而天线可在另一部分时间调谐用于收集能量。
图2示出根据一些实施例公开的多频段能量收集器200的示例性框图。收集器200包括多个特定于频段的收集单元210-1至210-N(其中N为大于1的整数)。各个收集单元210-1至210-N分别耦合到天线220-1至220-N。为简明起见，特定于频段的收集单元210-1至210-N单独称为收集单元210或统称为多个收集单元210。另外，为简明起见，天线220-1至220-N可单独称为天线220或统称为多个天线220。由收集单元210收集的能量可以存储于蓄能单元，诸如电容器230。
可从收集器200环境中存在的现有无线信号中获得电磁能。此类无线信号可以符合公知无线标准，诸如在2.4GHz和5-6GHz频段下运行的Wi-Fi(IEEE802.11)、在2.400-2.4835GHz频段下运行的BLE协议、在60GHz频段下运行且符合蜂窝标准的Wi-Gig(如2G、3G、LTE、4G、5G、5G毫米波等)以及工业、科学和医疗(ISM)频段。
每种无线标准在其分配的频段内以不同的频率和不同的频道运行，因此每个天线220设计为在特定频段下接收信号。例如，天线220-1可以设计为在BLE频段(2.400-2.4835GHz)下接收信号，并且天线220-N可以设计为在Wi-Fi 2.4GHz频段下接收信号。类似地，天线220-1可以设计为在蜂窝1.7-2GHz频段下接收信号。
在一些实施例中，数个天线220可以设计为在相同的频段下接收信号。例如，天线220-1和220-N可以在2.4GHz下运行。
应当指出，虽天线220设计到特定频段，但相应的收集单元210应调谐到接收信号的中心频率。为了优化性能，收集单元210和相应的天线220应在谐振下运行。为此，在一些实施例中，收集器200中包括调谐机构(图中未示出)。
调谐机构可用于将每个或一些收集单元210调谐为在与接收到的收集信号的频率谐振下运行。在一实施例中，调谐机构设计为以极低的能级激活，从而可以立即启动调谐。
收集器200可以集成在IoT传感器或无线IoT芯片(图中未示出)中。具体而言，天线是在承载无线IoT芯片的同一基板(嵌体)上制作或印刷而成。无线IoT芯片通常例如使用BLE通信标准来接收和发射无线信号。在此配置中，天线220之一可以用作无线IoT芯片的发射/接收天线。为此，实现收集与接收/发射之间的占空比。亦即，发射和接收可以发生在非收集时段。
在一些实施例中，可以根据所分配的占空比来接收和/或发射不同的信号。例如，BLE可以在不同时刻或蜂窝通信中打开和关闭。在一个实例中，可以使用Wi-Fi来进行能量收集，否则可以使用或激活BLE。占空比分配可以是基于与BLE传输源的接近度。占空比百分数目标可以采用如本文所述的任意多种方式来分配。
在某些配置中，将专用天线用作发射/接收天线。因此，每个天线220均用于能量收集。图3中提出了这种使用收集器200和专用发射/接收天线实施的无线IoT芯片的实例。
在一些实施例中，每个收集单元210包括电压倍增器(图中未示出)，其可以直接耦合到相应的天线220和蓄能器230。电压倍增器是将交流电力转换为直流电压并将其直流输出级联以倍增输出电压电平的电路，通常使用到电容器和二极管/开关的网络。在一示例性实施例中，电压倍增器为Dickson倍增器。
图3示出根据一实施例实施多频段能量收集器200的无线IoT芯片300的示例性框图。在本实施例中，无线IoT芯片300包括不用于能量收集的发射/接收天线310。
收集器200连接到电力管理单元(PMU)320，该电力管理单元(PMU)320耦合到无线IoT芯片300的逻辑电路330。PMU 320是执行一般电路电力相关操作的电路，诸如供电调节、电压电流基准、上电指示、掉电指示、电力模式控制、电力存储单元管理等。PMU 320基于对蓄能器(例如，电容器)340上电压的测量而提供电压阈交指示。
在一实施例中，PMU 320向逻辑电路330提供多级电压电平指示。这些指示允许逻辑电路330在蓄能器340充电或放电时的任何给定时刻确定电压电源的状态。
在一实施例中，PMU 320包括由控制器(图中未示出)控制的检测电路(图中未示出)。检测电路包括不同的电压基准阈值检测器，其中在任何给定时间，只有这些检测器的子集为有源以执行检测。由控制器确定在任何给定时刻激活的检测器子集。采用提供多级电压指示设计的PMU 320的具体描述可参阅转让给共同受让人的美国专利申请US16/176,460，其通过引用归并本文。
多频段能量收集器200包括耦合到多个收集单元的多个天线，如上参照图2详述。
根据某一实施例，多频段能量收集器200配置为包括两个连接到天线的收集单元，这些天线可从以BLE广播信道2.426GHz信道38和2.48GHz信道39接收到的信号中收集能量。也可以使用2.402GHz、2.426GHz和2.428GHz的任何子集。可以使用1至X个信道、信号和收集输入的任何组合。例如，所有BLE广播信道皆可用于收集能量。此外，一个或多个Wi-Fi信道可以与BLE信道结合接收。可以使用主要和次要BLE广播信道来收集能量。
根据某一实施例，多频段能量收集器200配置为包括三个连接到天线的收集单元，这些天线可以从以BLE频段2.4GHz、Wi-Fi频段2.4GHz和Wi-Fi频段5GHz接收到的信号中收集能量。在另一实施例中，可以收集来自由BLE 5.0发射出的信号的能量，包括一个或多个广播信道。在又一实施例中，除一个或多个Wi-Fi频段之外，还可以收集BLE 5.0信号以及一个或多个蜂窝频段。BLE 5.0是BLE无线通信的最新版本。
在另一实施例中，多频段能量收集器200可以配置为包括发射/接收天线、2.4GHz天线、1.8GHz(PCS蜂窝频段)天线和超短程2.4GHz收集天线，这可用于制造高功耗NVM烧录。
应当指出，本文论述的无线IoT芯片可以包括一个或多个传感器。此类传感器的实例包括但不限于温度、湿度、重量、O2、CO2、压力、位置、生物反馈、水、声、光等。在某些配置中，IoT芯片可以不包括传感器。
图4是示出根据某一实施例设计的多频段能量收集器的天线的例图400。具体而言，图4示出3个天线402、404和406。在示例性布置中，天线402是以2.44GHz为中心的发射天线。天线406是以2.402GHz中心的天线。类似地，天线404是5.2Ghz的Wi-Fi天线。因此，在图4所示的布置中，天线404和406用于能量收集，而天线402用于接收和发射信号。
图5示出根据另一实施例设计的多频段能量收集器的例图500。如图5所示，该设计包括天线502、504、506和508。天线502是环绕紧凑结构其余部分的不足千兆赫(sub-GHz)环形天线以及其他更高频率的环形天线。在一实施例中，天线502在710MHz的蜂窝频段下运行并用于能量收集。应当指出，天线502可设计为在另一蜂窝频段或RFID频率下运行。
天线506也在1850MHz蜂窝频段下运行并用于能量收集。天线504是用作接收/发射天线的2450MHz环形天线。天线508是用于能量收集的2450MHz环形天线，专用于非易失性存储器(闪存)编程期间使用的高传入RF功率电平。天线504和508在ISM频段中运行。图5进一步示出IoT芯片510的电子电路。应当指出，非易失性存储器编程的能量可通过其他频率收集，而不仅在2450MHz频段中。
每个收集和/或发射/接收天线(例如参照图4至图5论述的天线)的尺寸以天线的中心频率与IoT芯片的电子电路谐振的方式确定。在一实施例中，每个天线以天线的电感元件与芯片的电容元件一起谐振的方式设计。具体而言，在一实施例中，使用电小环天线作为天线元件。这些天线类型承袭了电感输入阻抗。电容元件还包含电路的寄生电容。电小环天线可以包括电小天线和电大天线。通常，电小天线的总周长接近波长/5或更小，而电大环天线则是周长约为自由空间波长的那些。
本文引用的所有实例和条件语言旨在教导目的，以助读者理解本公开实施例的原理和发明人促进本领域所贡献的构思，应解释为不限于这些具体引用的实例和条件。而且，本文言及本公开实施例的原理、观点和实施例及其具体实例的所有陈述旨在涵盖其结构和功能的等效方案。此外，还旨在包含目前公知的等效方案及未来开发的等效方案，即无论结构如何，包含所开发的执行相同功能的任何元素。
如本文所用，短语“至少一个”后跟项列是指可单独使用所列项目中的任一项，或可使用所列项目中两项或更多项的任意组合。例如，如果系统描述为包括“A、B和C中至少一个”，则该系统可包括单独A；单独B；单独C；2A；2B；2C；3A；A和B组合；B和C组合；A和C组合；A、B和C组合；2A和C组合；A、3B和2C组合；等等。
应当理解，本文使用诸如“第一”、“第二”等命名对元素的任何引用一般不限制这些元素的数量或顺序。确切而言，这些命名在本文中通常用作区分两个或更多个元素或元素实例的简易方法。因此，引用第一元素和第二元素并非意指此处仅可采用两个元素或者第一元素必须以某种方式在第二元素之前。此外，一组元素包含一个或多个元素，除非另作声明。

Claims (20)

1.一种多频段能量收集系统，包括：
多个收集天线，其中，所述多个收集天线中的每个收集天线在特定频段下运行；以及
多个收集单元，其中，所述多个收集单元中的每个收集单元均耦合到相应收集天线且适配于在相应收集天线的特定频段下收集能量。
2.根据权利要求1所述的多频段能量收集系统，进一步包括：
电力管理电路；以及
电容器，用于存储收集到的能量。
3.根据权利要求1所述的多频段能量收集系统，其中，所述电力管理电路进一步包括：
多个检测器，其中，所述多个检测器中的每个检测器配置有不同的基准阈值电压电平；以及
控制器，其耦合到所述多个检测器且配置为在任何给定时间激活所述多个检测器的子集，其中，所述多个检测器的子集当被激活时配置为在电压供应状态下提供多级电压电平指示。
4.根据权利要求1所述的多频段能量收集系统，其中，收集到的能量用于为无线芯片供电。
5.根据权利要求1所述的多频段能量收集系统，其中，所述多个收集天线中的天线为环形天线。
6.根据权利要求1所述的多频段能量收集系统，其中，所述多个收集天线中的天线为中心天线。
7.根据权利要求1所述的多频段能量收集系统，其中，所述多个天线中的每个天线的特定频段是以下任一频段：蓝牙低功耗(BLE)广播信道频段；工业、科学和医疗(ISM)频段；蜂窝通信频段；Wi-Fi频段；以及Wi-Gig频段。
8.根据权利要求1所述的多频段能量收集系统，其中，所述多个收集天线至少包括：在Wi-Fi频段下运行的第一收集天线，以及在BLE频段下运行的第二收集天线。
9.根据权利要求1所述的多频段能量收集系统，其中，所述多个收集天线至少包括：在Wi-Fi频段下运行的第一收集天线，以及在BLE频段下运行的第二收集天线。
10.根据权利要求1所述的多频段能量收集系统，其中，所述多个收集天线至少包括：在第一蜂窝通信频段下运行的第一收集天线，在第二蜂窝通信频段下运行的第二收集天线，以及在2.4GHz的ISM频段下运行的第三收集天线。
11.根据权利要求1所述的多频段能量收集系统，其中，所述收集天线之一配置为发射和接收通信信号。
12.根据权利要求1所述的多频段能量收集系统，其中，每个所述收集单元包括电压倍增器，所述电压倍压器耦合到相应的收集天线且配置为从空中信号收集能量。
13.一种免电池无线设备，包括：
多频段能量收集系统，其适配于从不同频段下发射的空中信号中收集能量；以及
传感器，其由收集到的能量来供电。
14.根据权利要求13所述的免电池无线设备，其中，所述多频段能量收集系统进一步包括：
多个收集天线，其中，所述多个收集天线中的每个收集天线在特定频段下运行；
多个收集单元，其中，所述多个收集单元中的每个收集单元均耦合到相应收集天线且适配于在相应收集天线的特定频段下收集能量；
电力管理电路；以及
电容器，用于存储收集到的能量。
15.根据权利要求14所述的免电池无线设备，其中，所述多个收集天线中的天线是以下任一天线：环形天性，以及中心天线。
16.根据权利要求14所述的免电池无线设备，其中，所述多个天线中的每个天线的特定频段是以下任一频段：蓝牙低功耗(BLE)广播信道频段；工业、科学和医疗(ISM)频段；蜂窝通信频段；Wi-Fi频段；以及Wi-Gig频段。
17.根据权利要求14所述的免电池无线设备，其中，所述多个收集天线至少包括：在Wi-Fi频段下运行的第一收集天线，以及在BLE频段下运行的第二收集天线。
18.根据权利要求14所述的免电池无线设备，其中，每个所述收集单元包括电压倍增器，所述电压倍压器耦合到相应的收集天线且配置为从空中信号收集能量。
19.根据权利要求14所述的免电池无线设备，其中，所述多个收集电线是在承载所述免电池无线设备的同一基板上制作而成。
20.根据权利要求14所述的免电池无线设备，其中，所述多个收集天线用于非易失性存储器编程。
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