CN116009644A - 一种无线能量收集最大功率跟踪电路 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种无线能量收集最大功率跟踪电路，包括：输入滤波电容；输出滤波电容；DC/DC阻抗变换器；DC/DC阻抗变换器包括电感和与电感连接的第一共源极NMOS晶体管和第二共源极NMOS晶体管以及与第二共源极NMOS晶体管并联的二极管，跟踪电路具有第二共源极NMOS晶体管导通，第一共源极NMOS晶体管关断的第一工作状态和第一共源极NMOS晶体管导通，第二共源极NMOS晶体管关断的第二工作状态以及第一共源极NMOS晶体管和第二共源极NMOS晶体管都关断的第三工作状态，跟踪电路处于第三工作状态，输出滤波电容向负载放电，二极管消除第一共源极NMOS晶体管和第二共源极NMOS晶体管都关断的瞬间产生的尖峰电压。
Description
技术领域
本申请涉及一种无线能量收集最大功率跟踪电路，属于集成电路技术领域。
背景技术
近年来，物联网迅猛发展，在个人生活、公共服务、工业制造等各个领域逐渐受到广泛关注。物联网方案逐渐在很多领域得到大规模验证，如交通、医疗、环保等，物联网相关新技术的不断发展，加速了物联网应用产品的智能化、便捷化、低功耗以及小型化，如芯片、智能识别、传感器、区块链等。智能节点是物联网的基础，其快速发展主要源于三个因素：硅工艺线宽的连续变窄使得智能节点的尺寸、供电电压和功耗降低。射频技术的发展使得物联网传输低功耗信息成为可能。然而，电池单位体积的能量密度增长速度放缓，限制了其发展，也限制了智能节点的寿命。此外，电池的供电系统需要定期进行电池更换，增加了人工成本。
相比之下，应用能量收集系统更能解决供电问题。它可以应用于物联网智能节点，替代电池作为低功耗系统的唯一电源。它还可以与电池互补，当主电源受到限制时，可作为备用解决方案，延长电池的使用寿命。能量收集系统能采集环境中的微小能量，如射频能量，振动能量，太阳能等，并转换为其他能量为后级电路供电。
无线能量收集系统通过天线接收射频信号，整流电路将其转换为直流输出。与其他能量收集系统相比，无线能量收集系统拥有更广泛的能源来源，甚至无处不在，如电视、广播、WiFi信号、移动通信信号等，因此这些特定频率通常用于远场无线能量收集。但在现有技术的远场无线能量收集电路的阻抗高，导致功耗大的问题，从而导致负载端所得到的电压小，不稳定，这为能量收集系统的设计带来了一系列的难题与挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无线能量收集最大功率跟踪电路，其阻抗低，功耗小，以使得负载可以获得最大输出功率。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种无线能量收集最大功率跟踪电路，包括：
输入滤波电容；
输出滤波电容；
DC/DC阻抗变换器，包括输入端和输出端，所述输入端与所述输入滤波电容连接，所述输出端与所述输出滤波电容连接；
其中，所述DC/DC阻抗变换器包括电感和与所述电感连接的第一共源极NMOS晶体管和第二共源极NMOS晶体管以及与所述第二共源极NMOS晶体管并联的二极管，所述跟踪电路具有所述第二共源极NMOS晶体管导通，所述第一共源极NMOS晶体管关断的第一工作状态和所述第一共源极NMOS晶体管导通，第二共源极NMOS晶体管关断的第二工作状态以及所述第一共源极NMOS晶体管和第二共源极NMOS晶体管都关断的第三工作状态，所述跟踪电路处于所述第一工作状态，所述电感向所述输出滤波电容和负载放电，所述跟踪电路处于所述第二工作状态，电源给所述输入滤波电容和所述电感充电，所述跟踪电路处于所述第三工作状态，所述输出滤波电容向负载放电，所述二极管消除所述第一共源极NMOS晶体管和所述第二共源极NMOS晶体管都关断的瞬间产生的尖峰电压。
可选地，上述的无线能量收集最大功率跟踪电路，所述电感具有第一端和第二端，所述电感的第一端与所述输入滤波电容连接，所述电感的第二端分别与所述第一共源极NMOS晶体管的漏极、所述第二共源极NMOS晶体管的漏极以及所述二极管的阳极连接。
可选地，上述的无线能量收集最大功率跟踪电路，所述跟踪电路还包括第一控制电源，所述第一控制电源具有第一端和第二端；
所述第一共源极NMOS晶体管的栅极与所述第一控制电源的第一端连接，所述第一共源极NMOS晶体管的源极和所述第一控制电源的第二端接地。
可选地，上述的无线能量收集最大功率跟踪电路，所述跟踪电路还包括第二控制电源，所述第二控制电源具有第一端和第二端，所述第二共源极NMOS晶体管的栅极与所述第二控制电源的第一端连接，所述第二共源极NMOS晶体管的源极分别与所述二极管的阴极和所述输出滤波电容连接，所述第二控制电源的第二端接地。
可选地，上述的无线能量收集最大功率跟踪电路，所述输入滤波电容具有第一端和第二端，所述输入滤波电容的第一端与所述电感的第一端连接，所述输入滤波电容的第二端接地。
可选地，上述的无线能量收集最大功率跟踪电路，所述输出滤波电容具有第一端和第二端，所述输出滤波电容的第一端分别与所述第二共源极NMOS晶体管的源极和所述二极管的阴极以及负载的一端连接，所述输出滤波电容的第二端接地。
可选地，上述的无线能量收集最大功率跟踪电路，所述第一控制电源和第二控制电源信号输出模式为PWM信号。
可选地，上述的无线能量收集最大功率跟踪电路，所述第一控制电源和所述第二控制电源的PWM信号占空比调节范围为1％-99％。
可选地，上述的无线能量收集最大功率跟踪电路，所述负载连接有单片机，所述负载输出电压为3.3V，所述单片机为所述负载供电以实现自供电。
本申请的有益效果在于：通过设置第一共源极NMOS晶体管和第二共源极NMOS晶体管，当跟踪电路处于所述第一工作状态，所述电感向所述输出滤波电容和负载放电，跟踪电路处于第二工作状态，电源给输入滤波电容和电感充电，跟踪电路处于第三工作状态，输出滤波电容向负载放电，二极管消除第一共源极NMOS晶体管和第二共源极NMOS晶体管都关断的瞬间产生的尖峰电压，以解决功耗大的问题，而通过控制两个晶体管的控制信号占空比从而实现跟踪电路的匹配功能，使得负载端的阻抗与电源的阻抗相等，使得负载获得最大输出功率，进而使得整个跟踪电路功耗小，电压稳定，功率高。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本申请的无线能量收集系统的示意框图；
图2为本申请的无线能量收集最大功率跟踪电路的电路图；
图3为图2中的无线能量收集最大功率跟踪电路的部分电路示意图
图4为现有技术中boost电路的第一阶段示意图；
图5为现有技术中boost电路的第二阶段示意图；
图6为现有技术中boost电路的第三阶段示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
在本申请中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本申请。
请参见图1-图6，本申请中的一较佳实施例所示的一种无线能量收集最大功率跟踪电路，其适于收集环境中的微小能量，如射频能量、振动能量和太阳能等转换为其他能量后为后级电路供电。
现有技术中，无线能量收集系统通常采用boost电路作为跟踪电路的开关结构，如图4-图6所示，boost电路通常包括有输入滤波电容、电感、MOS管以及二极管和输出滤波电容和负载，其中，MOS管和二极管作为上述开关结构，其打开与关断可将一个完整的周期分为三个阶段，该三个阶段分别被记载为第一阶段Ton、第二阶段Toff和第三阶段Twait。该工作原理为：在第一阶段时，MOS管导通，二极管关断，电源分别给输入滤波电容和电感充电，电感的电流增大；第二阶段，MOS管关断，二极管导通，电感向输出滤波电容和负载放电，电感电流减小；第三阶段，MOS管关断，二极管关断，输出滤波电容向负载放电，电感电流一直为0。而boost电路的等效阻抗为：
由上述公式可知，可通过调整L、f、D使得等效内阻与负载相等，从而实现整个跟踪电路的匹配。
为了解决上述问题，本申请中，无线能量收集最大功率跟踪电路包括电源V1、第一电阻R1、输入滤波电容C1、DC/DC阻抗变换器、输出滤波电容C2以及第二电阻R2。其中，第一电阻R1、第二电阻R2、输入滤波电容C1和输出滤波电容C2分别具有第一端和第二端，而DC/DC阻抗变换器具有输入端和输出端。电源V1的正极分别与输入滤波电容C1的第一端分别与DC/DC阻抗变换器的输入端和输入滤波电容C1的第一端连接，电源V1的负极与第一电阻R1的第一端连接，第一电阻R1的第二端与输入滤波电容C1的第二端连接后接地，DC/DC阻抗变换器的输出端与输出滤波电容C2的第一端和第二电阻R2的第一端连接，输出滤波电容C2的第二端与第二电阻R2的第二端连接后接地。其中，需要说明的是，本实施例中，第二电阻R2即为负载。
具体的，DC/DC阻抗变换器包括电感L1和与电感L1连接的第一共源极NMOS晶体管Q1和第二共源极NMOS晶体管Q2以及与第二共源极NMOS晶体管Q2并联的二极管D1。其中，跟踪电路具有第二共源极NMOS晶体管Q2导通，第一共源极NMOS晶体管Q1关断的第一工作状态和第一共源极NMOS晶体管Q1导通，第二共源极NMOS晶体管Q2关断的第二工作状态以及第一共源极NMOS晶体管Q1关断和第二共源极NMOS晶体管Q2都关断的第三工作状态，当跟踪电路处于第一工作状态，电感L1向输出滤波电容C2和第二电阻R2(负载)放电，跟踪电路处于第二工作状态，电源V1给输入滤波电容C1和电感L1充电，跟踪电路处于第三工作状态，输出滤波电容C2向负载放电，二极管D1消除第一共源极NMOS晶体管Q1和第二共源极NMOS晶体管Q2都关断的瞬间产生的尖峰电压，以防止尖峰电压击穿第一共源极NMOS晶体管Q1、第二共源极NMOS晶体管Q2等而引起器件损坏。
更具体的，电感L1具有第一端和第二端，电感L1的第一端与输入滤波电容C1连接，电感L1的第二端分别与第一共源极NMOS晶体管Q1的漏极、第二共源极NMOS晶体管Q2的漏极以及二极管D1的阳极连接。
本实施例中，跟踪电路还包括第一控制电源V2和第二控制电源V3，第一控制电源V2和第二控制电源V3分别具有第一端和第二端；
第一共源极NMOS晶体管Q1的栅极与第一控制电源V2的第一端连接，第一共源极NMOS晶体管Q1的源极和第一控制电源V2的第二端接地。第二共源极NMOS晶体管Q2的栅极与第二控制电源V3的第一端连接，第二共源极NMOS晶体管Q2的源极分别与二极管D1的阴极和输出滤波电容C2连接，第二控制电源V3的第二端接地。
输入滤波电容C1具有第一端和第二端，输入滤波电容C1的第一端与电感L1的第一端连接，输入滤波电容C1的第二端接地。
输出滤波电容C2具有第一端和第二端，输出滤波电容C2的第一端分别与第二共源极NMOS晶体管Q2的源极和二极管D1的阴极以及负载的一端连接，输出滤波电容C2的第二端接地。
本实施例中，第一控制电源V2和第二控制电源V3信号输出模式为PWM信号，且第一控制电源V2和第二控制电源V3的PWM信号占空比调节范围为1％-99％，以通过调制输出信号的占空比改变第一工作状态和第二工作状态的时间，即第一共源极NMOS晶体管Q1和第二共源极NMOS晶体管Q2开启的时间，从而改变DC/DC阻抗变换器的输出功率，使得负载端的阻抗与电源端阻抗相等，从而达到负载所需要的最大输出功率。
需要说明的是，本实施例中，第二电阻R2，即负载连接有单片机，且该负载的输出电压为3.3V，单片机为负载供电，以实现跟踪电路的自供电。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种无线能量收集最大功率跟踪电路，其特征在于，包括：
输入滤波电容；
输出滤波电容；
DC/DC阻抗变换器，包括输入端和输出端，所述输入端与所述输入滤波电容连接，所述输出端与所述输出滤波电容连接；
其中，所述DC/DC阻抗变换器包括电感和与所述电感连接的第一共源极NMOS晶体管和第二共源极NMOS晶体管以及与所述第二共源极NMOS晶体管并联的二极管，所述跟踪电路具有所述第二共源极NMOS晶体管导通，所述第一共源极NMOS晶体管关断的第一工作状态和所述第一共源极NMOS晶体管导通，第二共源极NMOS晶体管关断的第二工作状态以及所述第一共源极NMOS晶体管和第二共源极NMOS晶体管都关断的第三工作状态，所述跟踪电路处于所述第一工作状态，所述电感向所述输出滤波电容和负载放电，所述跟踪电路处于所述第二工作状态，电源给所述输入滤波电容和所述电感充电，所述跟踪电路处于所述第三工作状态，所述输出滤波电容向负载放电，所述二极管消除所述第一共源极NMOS晶体管和所述第二共源极NMOS晶体管都关断的瞬间产生的尖峰电压。
2.如权利要求1所述的无线能量收集最大功率跟踪电路，其特征在于，所述电感具有第一端和第二端，所述电感的第一端与所述输入滤波电容连接，所述电感的第二端分别与所述第一共源极NMOS晶体管的漏极、所述第二共源极NMOS晶体管的漏极以及所述二极管的阳极连接。
3.如权利要求2所述的无线能量收集最大功率跟踪电路，其特征在于，所述跟踪电路还包括第一控制电源，所述第一控制电源具有第一端和第二端；
所述第一共源极NMOS晶体管的栅极与所述第一控制电源的第一端连接，所述第一共源极NMOS晶体管的源极和所述第一控制电源的第二端接地。
4.如权利要求3所述的无线能量收集最大功率跟踪电路，其特征在于，所述跟踪电路还包括第二控制电源，所述第二控制电源具有第一端和第二端，所述第二共源极NMOS晶体管的栅极与所述第二控制电源的第一端连接，所述第二共源极NMOS晶体管的源极分别与所述二极管的阴极和所述输出滤波电容连接，所述第二控制电源的第二端接地。
5.如权利要求4所述的无线能量收集最大功率跟踪电路，其特征在于，所述输入滤波电容具有第一端和第二端，所述输入滤波电容的第一端与所述电感的第一端连接，所述输入滤波电容的第二端接地。
6.如权利要求4所述的无线能量收集最大功率跟踪电路，其特征在于，所述输出滤波电容具有第一端和第二端，所述输出滤波电容的第一端分别与所述第二共源极NMOS晶体管的源极和所述二极管的阴极以及负载的一端连接，所述输出滤波电容的第二端接地。
7.如权利要求3所述的无线能量收集最大功率跟踪电路，其特征在于，所述第一控制电源和第二控制电源信号输出模式为PWM信号。
8.如权利要求7所述的无线能量收集最大功率跟踪电路，其特征在于，所述第一控制电源和所述第二控制电源的PWM信号占空比调节范围为1％-99％。
9.如权利要求1所述的无线能量收集最大功率跟踪电路，其特征在于，所述负载连接有单片机，所述负载输出电压为3.3V，所述单片机为所述负载供电以实现自供电。
Priority Applications (1)
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| CN202310095766.1A CN116009644A (zh) | 2023-02-10 | 2023-02-10 | 一种无线能量收集最大功率跟踪电路 |
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|---|---|
| CN116009644A true CN116009644A (zh) | 2023-04-25 |
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| CN202310095766.1A Pending CN116009644A (zh) | 2023-02-10 | 2023-02-10 | 一种无线能量收集最大功率跟踪电路 |
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