CN114256825B - 一种能量自治无线传感节点过压保护电路 - Google Patents

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    • G05F1/569—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for protection
    • G05F1/571—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for protection with overvoltage detector

Abstract

本发明公开了一种能量自治无线传感节点过压保护电路，包括：效率可控能量采集电路，用于在控制电压的控制下将外界环境能量采集后转换为直流电压，并将该直流电压提供给过压保护模块；过压保护模块，用于根据效率可控能量采集电路输出的直流电压得到直流输出电压，并根据所述直流输出电压生成控制电压，以在所述控制电压的控制下自动调节所述直流输出电压的大小，将所述直流输出电压提供给无线传感器节点电路芯片系统。

Description

一种能量自治无线传感节点过压保护电路
技术领域
本发明涉及一种过压保护电路，特别是涉及一种能量自治无线传感节点过压保护电路。
背景技术
任何电子器件都有其可以承受的最大额定工作电压，一旦超出最大的耐压范围，器件的寿命会受到很大的影响，甚至器件直接损坏。过压保护电路是用于防止输入电压过高而造成电路系统中器件的损害。一旦输入电压高于设定的电压，过压保护电压立即启动关闭或者降低输入至设定值。
随着集成电路技术的进步，无线传感节点功耗越来越低(最新的超低功耗无线传感节点功耗已经低至几微瓦)，使得从传感节点周围环境吸收能量实现能量自治无线传感节点成为了可能。由于从周围环境中采集的能量并不是一个稳定的能量源，能量采集的大小受到天气、温度、时间等自然现象影响，当系统采集能量大于系统所需能量就存在着过压的危险。为了防止这种现象的发生，现有的方法通常是在电源电压上并联接几个串联的二极管到电源地，如图1所示，其通过泄流的方式来降低电压，在正常工作的电压下，泄流电路本身并没有功耗。
上述方法在一定程度上会把电压控制在一定的范围内，但是由于受限于二极管器件的泄流能力，当接收到的能量太大时，导致器件的输入电压超过额定值而致使器件遭到破坏。对于此问题，也有人提出提升大尺寸器件的方法，然而提升大尺寸器件虽然能有效提升电路的保护能力，但会在电路正常工作电压下产生漏电流。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种能量自治无线传感节点过压保护电路，以解决现有技术的能量自治无线传感节点在系统采集能量大于系统所需能量时存在的过压危险的问题。
为达上述及其它目的，本发明提出一种能量自治无线传感节点过压保护电路，包括：
效率可控能量采集电路，用于在控制电压Vctrl的控制下将外界环境能量采集后转换为直流电压VDDH，并将该直流电压VDDH提供给过压保护模块；
过压保护模块，用于根据效率可控能量采集电路输出的直流电压VDDH得到直流输出电压VDD，并根据所述直流输出电压VDD生成控制电压Vctrl，以在所述控制电压Vctrl的控制下自动调节所述直流输出电压VDD的大小，将该直流输出电压VDD提供给无线传感器节点电路芯片系统。
优选地，所述过压保护模块包括：
并联泄流电路，并联在所述效率可控能量采集电路输出的直流电压VDDH和地间，用于在所述直流电压VDDH超过设定第一阈值时开启泄流通路以通过加大负载来降低直流电压VDDH；
控制电压生成电路，用于产生随所述直流输出电压VDD变化的控制电压Vctrl以在所述直流输出电压VDD超过设定第二阈值时启动所述效率可控能量采集电路降低采集效率以及启动所述并联泄流电路增加并联泄流能力以降低所述直流输出电压VDD。
优选地，所述过压保护模块还包括：
串联降压电路，串联在所述效率可控能量采集电路输出的直流电压VDDH和直流输出电压VDD间，用于在所述直流电压VDDH超过设定第一阈值时通过提高自身的等效电阻以降低所述直流输出电压VDD。
优选地，所述并联泄流电路包括一NMOS管，所述效率可控能量采集电路输出的直流电压VDDH连接至所述NMOS管的漏极，所述控制电压生成电路输出的控制电压Vctrl连接所述NMOS管的栅极，所述NMOS管源极接地。
优选地，所述串联降压电路包括PMOS管，所述效率可控能量采集电路输出的直流电压VDDH连接至所述PMOS管的源极，所述PMOS管PM1的漏极连接所述控制电压生成电路，并输出直流输出电压VDD，栅极连接所述控制电压生成电路输出的控制电压Vctrl。
优选地，所述控制电压生成电路包括取样电阻、第一二极管、第二二极管、第三二极管以及线性放大器，所述取样电阻的一端连接所述PMOS管漏极及所述线性放大器的同相输入端，所述取样电阻的另一端连接至所述线性放大器的反相输入和第一二极管的阳极，第一二极管的阴极连接第二二极管的阳极，第二二极管的阴极连接第三二极管的阳极，第三二极管的阴极接地，所述线性放大器的输出端输出所述控制电压Vctrl至所述NMOS管的栅极、PMOS管的栅极以及所述效率可控能量采集电路的控制输入端。
与现有技术相比，本发明一种能量自治无线传感节点过压保护电路通过效率可控能量采集电路在控制电压Vctrl的控制下将外界环境能量采集后转换为直流电压VDDH，并提供直流输出电压VDD给无线传感器节点电路芯片系统，利用过压保护模块根据所述直流输出电压VDD生成所述控制电压Vctrl，以在所述控制电压Vctrl的控制下自动调节所述直流输出电压VDD的大小，解决了现有技术的能量自治无线传感节点在系统采集能量大于系统所需能量时存在的过压危险的问题。
附图说明
图1为现有技术之一种能量自治无线传感节点过压保护电路的电路结构图；
图2为本发明一种能量自治无线传感节点过压保护电路之较佳实施例的电路结构图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图2为本发明一种能量自治无线传感节点过压保护电路之较佳实施例的电路结构图。如图2所示，在本发明较佳实施例中，一种能量自治无线传感节点过压保护电路，包括：效率可控能量采集电路10和过压保护模块20。
其中，效率可控能量采集电路10，用于在控制电压Vctrl的控制下将外界环境能量采集后转换为直流电压VDDH；过压保护模块20，由并联泄流电路201、串联降压电路202和控制电压Vctrl生成电路203组成，用于根据效率可控能量采集电路10输出的直流电压VDDH得到直流输出电压VDD，根据直流输出电压VDD生成控制电压Vctrl并在该控制电压的控制下自动调节直流输出电压VDD的大小。
具体地，过压保护模块20进一步包括：
并联泄流电路201由NMOS管NM1组成，其并联在效率可控能量采集电路10输出的直流电压VDDH和地间，用于在直流电压VDDH超过设定第一阈值(MOS管所能承受的最大电压)时开启泄流通路以通过加大负载来降低直流电压VDDH；
串联降压电路202由构成可变电阻的PMOS管PM1组成，其串联在效率可控能量采集电路10输出的直流电压VDDH和直流输出电压VDD间，用于利用PMOS管的等效可变电阻特性，在直流电压VDDH超过设定第一阈值时通过提高栅极电压(控制电压Vctrl)来增大其等效电阻以降低直流输出电压VDD；
控制电压Vctrl生成电路203由取样电阻R1、多个二极管D1-D3和线性放大器A1组成，用于产生随直流输出电压VDD变化的控制电压Vctrl以在直流输出电压VDD超过设定第二阈值时启动效率可控能量采集电路10降低采集效率、启动并联泄流电路201增加并联泄流能力和提高串联降压电路202的电压将来降低直流输出电压VDD。
无线传感节点电路芯片系统30在本发明中为直流输出电压VDD的用电负载，与效率可控能量采集电路10和过压保护模块20组成完整的芯片。
天线收集的能量连接至效率可控能量采集电路10的能量输入端，效率可控能量采集电路10输出的直流电压VDDH连接至NMOS管NM1的漏极和PMOS管PM1的源极，PMOS管PM1的漏极和取样电阻R1的一端以及线性放大器A1的同相输入端组成直流输出电压VDD并连接至无线传感节点电路芯片系统30电源输入正端，取样电阻R1的另一端连接至线性放大器A1的反相输入和第一二极管D1的阳极，第一二极管D1的阴极连接第二二极管D2的阳极，第二二极管D2的阴极连接第三二极管D3的阳极，第三二极管D3的阴极接地，线性放大器A1的输出端即控制电压Vctrl连接至NMOS管NM1的栅极、PMOS管PM1的栅极以及效率可控能量采集电路10的控制输入端，NMOS管NM1的源极和无线传感节点电路芯片系统30电源输入负端接地。
本发明的工作原理如下：
当效率可控能量采集电路10采集能量过多时，直流输出电压VDD升高，流过取样电阻R1、二极管D1/D2/D3的电流增大，从而取样电阻R1两端的电压增大，取样电阻R1两端电压通过线性放大器A1放大后控制可变电阻PMOS管PM1和效率可控能量采集电路10，从而达到降低直流输出电压VDD的作用。总体流程如下：直流输出电压VDD升高——>取样电阻R1两端电压升高——>线性放大器A1输出的控制电压Vctrl升高——>可变电阻PMOS管PM1压降增大、NMOS管NM1泄流能力增大、效率可控能量采集电路10的能量采集效率下降——>直流输出电压VDD降低。
综上所述，本发明一种能量自治无线传感节点过压保护电路通过效率可控能量采集电路在控制电压Vctrl的控制下将外界环境能量采集后转换为直流电压VDDH，并将直流电压VDDH提供给过压保护模块，利用过压保护模块根据所述直流输出电压VDD生成所述控制电压Vctrl，以在所述控制电压Vctrl的控制下自动调节所述直流输出电压VDD的大小，并将该直流输出电压VDD提供给无线传感器节点电路芯片系统，解决了现有技术的能量自治无线传感节点在系统采集能量大于系统所需能量时存在的过压危险的问题。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (5)

1.一种能量自治无线传感节点过压保护电路，包括：
效率可控能量采集电路，用于在控制电压Vctrl的控制下将外界环境能量采集后转换为直流电压VDDH，并将该直流电压VDDH提供给过压保护模块；
过压保护模块，用于根据效率可控能量采集电路输出的直流电压VDDH得到直流输出电压VDD，并根据所述直流输出电压VDD生成控制电压Vctrl，以在所述控制电压Vctrl的控制下自动调节所述直流输出电压VDD的大小，将所述直流输出电压VDD提供给无线传感器节点电路芯片系统，其中，
所述过压保护模块包括：
并联泄流电路，并联在所述效率可控能量采集电路输出的直流电压VDDH和地间，用于在所述直流电压VDDH超过设定第一阈值时开启泄流通路以通过加大负载来降低直流电压VDDH；
控制电压生成电路，用于产生随所述直流输出电压VDD变化的控制电压Vctrl以在所述直流输出电压VDD超过设定第二阈值时启动所述效率可控能量采集电路降低采集效率以及启动所述并联泄流电路增加并联泄流能力以降低所述直流输出电压VDD。
2.如权利要求1所述的一种能量自治无线传感节点过压保护电路，其特征在于，所述过压保护模块还包括：
串联降压电路，串联在所述效率可控能量采集电路输出的直流电压VDDH和直流输出电压VDD间，用于在所述直流电压VDDH超过设定第一阈值时通过提高自身的等效电阻以降低所述直流输出电压VDD。
3.如权利要求2所述的一种能量自治无线传感节点过压保护电路，其特征在于：所述并联泄流电路包括一NMOS管，所述效率可控能量采集电路输出的直流电压VDDH连接至所述NMOS管的漏极，所述控制电压生成电路输出的控制电压Vctrl连接所述NMOS管的栅极，所述NMOS管源极接地。
4.如权利要求3所述的一种能量自治无线传感节点过压保护电路，其特征在于：所述串联降压电路包括PMOS管，所述效率可控能量采集电路输出的直流电压VDDH连接至所述PMOS管的源极，所述PMOS管PM1的漏极连接所述控制电压生成电路，并输出直流输出电压VDD，栅极连接所述控制电压生成电路输出的控制电压Vctrl。
5.如权利要求4所述的一种能量自治无线传感节点过压保护电路，其特征在于：所述控制电压生成电路包括取样电阻、第一二极管、第二二极管、第三二极管以及线性放大器，所述取样电阻的一端连接所述PMOS管漏极及所述线性放大器的同相输入端，所述取样电阻的另一端连接至所述线性放大器的反相输入和第一二极管的阳极，第一二极管的阴极连接第二二极管的阳极，第二二极管的阴极连接第三二极管的阳极，第三二极管的阴极接地，所述线性放大器的输出端输出所述控制电压Vctrl至所述NMOS管的栅极、PMOS管的栅极以及所述效率可控能量采集电路的控制输入端。
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