CN219613239U - 一种收集环境射频能量无线充电的智能手环 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种收集环境射频能量无线充电的智能手环，本实用新型所述手环包括手环腕带、手环腕带与手环主体连接处和手环主体；手环腕带内嵌入高频带能量收集天线，手环腕带与手环主体连接处嵌入高频整流匹配组件，高频带能量收集天线将吸收到的射频辐射能量转换为交流电能，传输给高频整流匹配组件，转换为直流电能为手环主体供能充电；本实用新型手环无线充电作用距离远，不易受遮挡影响，通过射频能量的间歇性积累释放实现对手机的间歇性能量补充。

Description

一种收集环境射频能量无线充电的智能手环

技术领域

本实用新型涉及智能可穿戴设备技术领域，特别是涉及一种收集环境射频能量无线充电的智能手环。

背景技术

当前市面上智能手环的充电方式主要分为两种：1)电接触式有线充电2)线圈式无线充电。电接触式有线充电需要将电压适配器与手环连接，在使用时多有不便。线圈式无线充电基于电磁感应原理，在手环内和无线充电模块内各嵌入一个互感线圈，当无线充电模块通电，且手环与无线充电模块距离足够近，两线圈产生电磁感应时，实现无线电能传输。该种方式不再需要电接触，无线充电模块、手环可实现全封闭，防水防短路，可靠性提升，但是该种方式在充电时依旧需要一个无线充电模块与手环相接触，两者必须足够近以达到电磁感应效果，其使用效果与电接触式有线充电相差不大。

无线能量传输分为电磁耦合式、电磁感应式、激光传能和辐射式传能。电磁耦合式依赖大型线圈，电磁感应式传输距离过近，激光传能受遮挡影响且成本高昂。辐射式传能是近年来的研究热点，该方式不受环境变化影响和布线影响，且具有较远的能量传输距离。随着手机应用需求增加和互联网技术发展，无线通信设备逐年增加。据调查，中国四大运营商现阶段及未来即将部署的手机工作频段有825-960MHz(2G，3G，4G)，1.7G-2.7Ghz(2G，3G，4G)，3.3-4.2GHz(5G)，4.4-5.0Ghz(5G)，26GHz/28GHz/39GHz(5G)，国内路由器的工作频段为2.400Ghz—2.4835Ghz，5.18-5.32GHz，5.745-5.825GHz，这些无线终端设备在发射无线信号的同时将射频能量以辐射的方式传输到空间中。因此，环境中的射频能量分布广泛，基于辐射方式的射频能量收集受到越来越多的关注。构建一种可吸收环境射频能量的无线充电智能手环，对于延长智能手环待机时间，充分利用环境中不断耗散的射频能量，提升智能手环使用体验等具有重要意义，这种手环具有广阔的市场前景。

实用新型内容

为了解决现有无线充电手环充电距离过近的问题，充分利用环境中不断耗散的射频能量，本实用新型提供一种收集环境射频能量无线充电的智能手环，具体方案如下：

一种收集环境射频能量无线充电的智能手环，所述手环包括手环腕带、手环腕带与手环主体连接处和手环主体；手环腕带内嵌入高频带能量收集天线，手环腕带与手环主体连接处嵌入高频整流匹配组件，高频带能量收集天线将吸收到的射频辐射能量转换为交流电能，传输给高频整流匹配组件，转换为直流电能为手环主体供能充电；

手环主体包括：第一PMIC、储能电容C1、负载开关、第一防倒灌电路、锂电池充电组件、锂电池、第二PMIC、第二防倒灌电路和主控单元；

高频整流匹配组件连接第一PMIC，第一PMIC连接负载开关和储能电容C1，负载开关连接第一防倒灌电路，第一防倒灌电路分别连接锂电池充电组件和第二防倒灌电路，第二防倒灌电路连接外部充电头；

锂电池充电组件连接锂电池，锂电池连接第二PMIC，第二PMIC连接主控单元，主控单元上集成有主控芯片、屏幕、传感器和蓝牙芯片。

进一步地，第一防倒灌电路包括电阻R1、电阻R2和PMOS管Q1，PMOS管Q1的体二极管由一级开关指向锂电池充电组件，R1和R2组成分压电路，当PGOOD为高，分压输出为高，电阻R1和电阻R2分压使PMOS管Q1栅源电压达到导通阈值，Q1导通。

进一步地，第一防倒灌电路与第二防倒灌电路结构相同。

有益效果：

本实用新型手环无线充电作用距离远，不易受遮挡影响，通过射频能量的间歇性积累释放实现对手机的间歇性能量补充。

本实用新型提出的无线充电智能手环，支持两种能量补充方式，分别为射频能量补充和外部充电头能量补充，两种重点方式各有分立器件搭建的防倒灌电路，提升了系统可靠性。

本实用新型提出的无线充电智能手环，通过两级实现射频能量输出控制，负载开关具备低漏电流，用以提出电容储能效率，防倒灌电路防止两种能量输入互相倒灌。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种无线充电手环的结构框图；

图2为本实用新型提供的一种无线充电手环的主控单元结构图；

图3为本实用新型提供的一种无线充电手环的第一防倒灌电路结构图；

图4为本实用新型提供的一种无线充电手环的第二防倒灌电路结构图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

结合图1至图3所示，本实用新型提供一种收集环境射频能量无线充电的智能手环，所述手环包括手环腕带、手环腕带与手环主体连接处和手环主体；手环腕带内嵌入高频带能量收集天线，手环腕带与手环主体连接处嵌入高频整流匹配组件，高频带能量收集天线将吸收到的射频辐射能量转换为交流电能，传输给高频整流匹配组件，转换为直流电能为手环主体供能充电；

手环主体包括：第一PMIC、储能电容C1、负载开关、第一防倒灌电路、锂电池充电组件、锂电池、第二PMIC、第二防倒灌电路和主控单元；

高频整流匹配组件连接第一PMIC，第一PMIC连接负载开关和储能电容C1，负载开关连接第一防倒灌电路，第一防倒灌电路分别连接锂电池充电组件和第二防倒灌电路，第二防倒灌电路连接外部充电头；

锂电池充电组件连接锂电池，锂电池连接第二PMIC，第二PMIC连接主控单元，主控单元上集成有主控芯片、屏幕、传感器和蓝牙芯片，用以实现手环的主要功能。

第一PMIC实现射频直流能量电压抬升，并为储能电容存储能量，当能量充足，导通一级开关放电。这种工作方式可以防止手环主体耗电电流过大导致射频直流输出电平直接下降至后级无法工作的低压区间。一级开关后接由分立器件搭建的第一防倒灌电路。

手环主体可由两种能量输入充电，分别为射频能量及外部充电头引入的能量。射频能量相比外部充电头能量能量较弱且不稳定，作为一种实时无线能量补充，当用户佩戴的无线充电手环长期处于无线数据网络流量较小的区域，比如田间、山洞等，手环电量得不到有效补充，则需要通过外部充电头为手环补充能量。

射频能量直流能量与外部充电头提供的直流能量需要加入防倒灌电路，采用MOS管搭建防倒灌电路相比二极管形式可避免导通压降带来的额外能量损耗。常规的负载开关基本为非真关断负载开关，这种负载开关内的导通MOS的体二极管方向为负载开关输入端为阴极，负载开关输出端为阳极，若采用这种负载开关，虽然可以实现低漏电流储能和开关控制，但是无法实现防倒灌，而具备真关断的负载开关由于种类较少，价格昂贵，不适合使用。因此本实用新型采用分立器件搭建了防倒灌电路。在本实用新型中，负载开关选用关断漏电流极低的负载开关，可降低储能电容充电期间的后级漏电流，提升充电效率，第一防倒灌电路采用MOS管和电阻等多个分立器件搭建，可实现防倒灌效果。外部充电头直接连接第二防倒灌电路。第一防倒灌电路和第二防倒灌电路结构相同。

第一PMIC具有迟滞阈值控制功能，可通过PGOOD引脚实现高低压阈值分配，当第一PMIC输出电压，即储能电容电压达到高压阈值，PGOOD引脚输出高，当储能电容电压下降至低压阈值，PGOOD引脚输出低。

外部充电头能量和射频能量经过防倒灌电路后汇集一处，为锂电池充电组件供能。锂电池充电组件一般为3.7V聚合物锂电池的充电芯片及其外围电路，该类充电芯片的供电电压范围一般为4.2～5V或更高。单节聚合物锂电池的充电上限为4.2V，第一PMIC的阈值下限需要大于4.2V，阈值上限需要小于第一PMIC可设置的最高电压阈值。

在本实用新型中，锂电池充电组件、锂电池、第二PMIC、主控芯片、传感器、屏幕、蓝牙芯片等为常规智能手环具备的基础组件。第一PMIC、负载开关、储能电容、第一防倒灌电路、第二防倒灌电路为本手环中新增加的组件，本实用新型通过这些新增加的组件，结合手环腕带内嵌的宽频带能量收集天线，手环腕带与手环主体连接处内嵌的高频整流匹配组件，实现环境射频能量收集及为手机无线充电功能。

R1、R2、Q1组成第一防倒灌电路，其中，Q1为PMOS管，Q1的体二极管由一级开关指向锂电池充电组件，实现防倒灌功能。R1和R2组成分压电路，当PGOOD为高，R3和R4分压输出为高，R1和R2分压使Q1栅源电压达到导通阈值，Q1导通。R5、R6、Q3组成防倒灌电路，其中R5和R6组成分压电路，当外部充电头插电，R5和R6分压，使Q3栅源电压达到导通阈值，Q3导通。二级开关和防倒灌电路的搭建形式相比二极管方式可以降低防倒灌电路的导通压降，提升充电效率。

第一PMIC实现射频直流能量电压抬升，并为储能电容存储能量，当能量充足，导通负载开关放电。这种工作方式可以防止手环主体耗电电流过大导致射频直流输出电平直接下降至后级无法工作的低压区间。负载开关后接由分立器件搭建的集第一防倒灌电路。

当手环腕带上的宽频带能量收集天线接收到射频能量，将其转换为交流电能，并传输给手环腕带与手环主体连接处的高频整流匹配组件，整流匹配组件将交流电能转换为直流电能，并由第一PMIC升压存储于储能电容(图1中为C1)。当C1上电压达到高压放电阈值，PGOOD脚输出高电平，负载开关和Q1导通，为锂电池充电组件供电。锂电池充电组件将输入电压转换为锂电池的充电电压和第二PMIC的供电电压。储能电容上的电压随放电逐渐下降，当下降到低压放电阈值，PGOOD脚置低，负载开关关断，锂电池充电组件工作停止，第二PMIC由锂电池供电，直至储能电容充电至高电压阈值，进入下次放电工作。锂电池电压介于3.7-4.2V，第二PMIC转换该电平为主控芯片、传感器、屏幕、蓝牙芯片等的工作电压。

当外部充电头插电时，Q3导通，外部充电能量为锂电池充电组件供能，锂电池充电。若此时同时存在射频能量和外部充电头能量，根据PMIC放电阈值不同，存在多种情况。1)第一PMIC高压阈值超过5V，当第一PMIC放电时，由于Q1输出电压高于Q3，会存在短暂的Q1放电，之后储能电容电压，即Q1输出电压下降至5V，此后Q3输出电压与Q1相同，共同为锂电池充电组件供能。2)第一PMIC高压阈值小于等于5V，当第一PMIC放电时，由于Q1电压小于Q3，因此不会有电能由Q1释放，收集到的射频能量将在Q1前级耗散掉。第一PMIC的高低压阈值设置与PMIC芯片型号选择有关，不同型号所能够设置的高低压阈值范围不同。

以上对本实用新型所提供的一种收集环境射频能量无线充电的智能手环，进行了详细介绍，本实用新型应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (3)

1.一种收集环境射频能量无线充电的智能手环，其特征在于，所述手环包括手环腕带、手环腕带与手环主体连接处和手环主体；手环腕带内嵌入高频带能量收集天线，手环腕带与手环主体连接处嵌入高频整流匹配组件，高频带能量收集天线将吸收到的射频辐射能量转换为交流电能，传输给高频整流匹配组件，转换为直流电能为手环主体供能充电；

手环主体包括：第一PMIC、储能电容C1、负载开关、第一防倒灌电路、锂电池充电组件、锂电池、第二PMIC、第二防倒灌电路和主控单元；

高频整流匹配组件连接第一PMIC，第一PMIC连接负载开关和储能电容C1，负载开关连接第一防倒灌电路，第一防倒灌电路分别连接锂电池充电组件和第二防倒灌电路，第二防倒灌电路连接外部充电头；

锂电池充电组件连接锂电池，锂电池连接第二PMIC，第二PMIC连接主控单元，主控单元上集成有主控芯片、屏幕、传感器和蓝牙芯片。

2.根据权利要求1所述的一种收集环境射频能量无线充电的智能手环，其特征在于，第一防倒灌电路包括电阻R1、电阻R2和PMOS管Q1，PMOS管Q1的体二极管由一级开关指向锂电池充电组件，R1和R2组成分压电路，当PGOOD为高，分压输出为高，电阻R1和电阻R2分压使PMOS管Q1栅源电压达到导通阈值，Q1导通。

3.根据权利要求2所述的一种收集环境射频能量无线充电的智能手环，其特征在于，第一防倒灌电路与第二防倒灌电路结构相同。