技术领域
[0001] 本
发明涉及微
能量收集领域，更具体地说，涉及一种低功率启动并有电压监视功能的数控能量收集管理电路。
背景技术
[0002] 能量收集是实现无源
物联网等低功耗电路系统长期免维护运行的一项关键技术。通过捕获环境中的这些能量，如照明、温差、振动和
电磁波(射频能量)，可以让低功耗
电子器件正常工作。而在这些微功率
能源中，来自射频发射器的能量具有独特的优势，包括随距离变化可预测和一致的功率，能够使得无源物联网远离
电池和有线供电的束缚。
[0003] 环境射频能量如今可以从全球数百亿个无线发射器获得，而且发射器的数量还在不断增长，包括
移动电话、手持无线电设备、移动基站以及电视/无线广播台等，捕获这类能量有助于创建各种新的无源物联网设备。目前，专
门用于射频能量收集的
专用集成电路/模
块还比较少见，来自美国的Powercast、TI和比利时的E-Peas提供了目前为数不多的商业解决方案。
[0004] P2110B是Powercast最具代表性的射频能量收集模块，启动电压1.25V，启动
电流3.9μA，启动功率4.9μW，模块能够运行的最小射频输入功率-11dBm@915MHz。
[0005] TI公司的BQ25504和BQ25505是最具代表性的能量收集芯片，启动电压分别是0.33V和0.6V，启动电流分别是45μA和25μA，启动功率均为15μW。
[0006] AEM40940是E-Peas在2018年新推出的专用射频能量收集芯片，启动电压0.38V，启动电流7.9μA，启动功率仅为3μW。芯片能够运行的最小射频输入功率-19dBm@915MHz。
[0007] 同时，现有的微能量收集管理系统在进行工作时，系统负载芯片往往都是一直工作，在系统收集能量较慢时，很慢满足系统负载芯片的正常用电，从而导致系统工作异常。
发明内容
[0008] 由于启动功率直接关系到(射频)能量收集的灵敏度，从而影响射频能量收集的有效范围。根据上述背景介绍，目前启动功率最小的能量收集解决方案也需要3μW。针对这一问题以及保证系统负载芯片用电正常，本发明提出了启动功率更小的一套解决方案——低功率启动并有电压监视功能的数控能量收集管理电路，将能量收集启动功率降低到了0.14μW。
[0009] 根据本发明的第一方面，本发明解决其技术问题，所采用的低功率启动并有电压监视功能的数控能量收集管理电路包含：
[0010] 第一储能器件，第一储能器件的一端接地，另一端用于连接RF转DC模块的输出端，其中RF转DC模块的输入端连接射频能量收集天线，用于将射频能量转换为直流电进行输出；
[0011] 第一P型
开关管，S极连接所述第一储能器件的所述另一端；
[0012] 负载
电阻，负载电阻的两端之间并联第一去耦电容，并联后一端接地，另一端连接第一P型开关管的D极；
[0013] 第一上拉电阻，一端连接所述第一储能器件的所述另一端；
[0014]
二极管，
阳极连接第一上拉电阻的另一端，
阴极连接第一P型开关管的D极，同时二极管的阳极连接第一P型开关管的G极；
[0015] 第一电压监视芯片，具有输入端口以及指示输出端口，输入端口连接第一P型开关管的D极，指示输出端口连接第一上拉电阻的所述另一端，指示输出端口用于第一电压监视芯片正常工作时，在所述输入端口输入的电压大于电压
阈值VThreshold时，输出高电平，否则输出低电平，且在所述输入端口输入的电压小于第一电压监视芯片能够正常运行的最小工作电压时，处于高阻态；
[0016] 第二P型开关管，第二P型开关管的G极连接所述指示输出端口，S极连接所述第一储能器件的所述另一端；
[0017] 第一N型开关管，第一N型开关管的D极连接所述指示输出端口；
[0018] 输入电容，一端接地，另一端分别连接第二P型开关管的D极和第一N型开关管的S极；
[0019] DC/DC转换芯片，DC/DC转换芯片的两个电源输入端连接在输入电容的两端；DC/DC转换芯片的最小启动电压VIn_Startup小于或等于第一电压监视芯片的启动电压阈值VStartup；
[0020] 第二储能器件，一端接地，另一端连接DC/DC转换芯片的输出端；
[0021] 第二电压监视芯片，具有输入
端子以及指示输出端子，第二电压监视芯片的输入端子连接第二储能器件的所述另一端，指示输出端子用于第二电压监视芯片正常工作时，在所述输入端子输入的电压小于电压阈值Vth时，输出低电平，否则输出高电平，该高电平的电压等于输入端子上的输入电压，即第二储能器件的电压Vin；
[0022] 第三P型MOS管，第三P型MOS管的S极连接第二电压监视芯片的输入端子，D极用于连接系统负载芯片的电源输入端子，所述系统负载芯片具有第一高/低电平输出端和第二高/低电平输出端；
[0023] 第二上拉电阻，第二上拉电阻的一端连接第二电压监视芯片的输入端子，另一端连接第三P型MOS管的G极；
[0024] 第二N型MOS管，第二N型MOS管的D极连接第一P型MOS管的G极，S极接地；
[0025] 第一分压限流电阻，
串联在第二电压监视芯片的指示输出端子和第二N型MOS管的G极之间；
[0026] 第二分压限流电阻，串联在所述系统负载芯片的第二高/低电平输出端和第二N型MOS管的G极之间；
[0027] 第三上拉电阻，一端连接第三P型MOS管的D极，另一端连接第一N型开关管的G极，且第三上拉电阻的所述另一端用于连接所述第一高/低电平输出端；
[0028] 第一P型开关管和第二P型开关管为PMOS或者PNP晶体管；
[0029] 所述第一储能器件的
漏电流ILeakage_C、第一电压监视芯片的静态电流IMonitor和负载电阻的漏电流ILeakage_R满足：ILeakage_C+IMonitor_+ILeakage_R≤200nA；DC/DC转换芯片的最小启动电压VIn_Startup、第一电压监视芯片的启动电压阈值VStartup满足：VIn_Startup≤VStartup≤0.7V。
[0030] 根据本发明的另一方面，本发明为解决其技术问题，还提供了一种低功率启动并有电压监视功能的数控能量收集管理电路中，包含：
[0031] 第一储能器件，第一储能器件的一端接地，另一端用于连接RF转DC模块的输出端，其中RF转DC模块的输入端连接射频能量收集天线，用于将射频能量转换为直流电进行输出；
[0032] 第一P型开关管，S极连接所述第一储能器件的所述另一端；
[0033] 负载电阻，负载电阻的两端之间并联第一去耦电容，并联后一端接地，另一端连接第一P型开关管的D极；
[0034] 第一上拉电阻，一端连接所述第一储能器件的所述另一端；
[0035] 二极管，阳极连接第一上拉电阻的另一端，阴极连接第一P型开关管的D极，同时二极管的阳极连接第一P型开关管的G极；
[0036] 第一电压监视芯片，具有输入端口以及指示输出端口，输入端口连接第一P型开关管的D极，指示输出端口连接第一上拉电阻的所述另一端，指示输出端口用于第一电压监视芯片正常工作时，在所述输入端口输入的电压大于电压阈值VThreshold时，输出高电平，否则输出低电平，且在所述输入端口输入的电压小于第一电压监视芯片能够正常运行的最小工作电压时，处于高阻态；
[0037] 第二P型开关管，第二P型开关管的G极连接所述指示输出端口，S极连接所述第一储能器件的所述另一端；
[0038] 第一N型开关管，第一N型开关管的D极连接所述指示输出端口；
[0039] 输入电容，一端接地，另一端分别连接第二P型开关管的D极和第一N型开关管的S极；
[0040] DC/DC转换芯片，DC/DC转换芯片的两个电源输入端连接在输入电容的两端；DC/DC转换芯片的最小启动电压VIn_Startup小于或等于第一电压监视芯片的启动电压阈值VStartup；
[0041] 第二储能器件，一端接地，另一端连接DC/DC转换芯片的输出端；
[0042] 第三P型MOS管，第三P型MOS管的S极连接第二储能器件的所述另一端，D极用于连接系统负载芯片的电源输入端子；所述系统负载芯片(U4)具有第一高/低电平输出端(I/O1)和第二高/低电平输出端(I/O2)；
[0043] 第二电压监视芯片，具有输入端子以及指示输出端子，第二电压监视芯片的输入端子连接第三P型MOS管的S极，指示输出端子用于第二电压监视芯片正常工作时，在所述输入端子输入的电压小于电压阈值Vth时，输出低电平，否则输出高电平，该高电平的电压等于输入端子上的输入电压，该高电平即为第二储能器件的电压Vin；
[0044] 第二上拉电阻，第二上拉电阻的一端连接第二储能器件的所述另一端，另一端连接第三P型MOS管的G极；
[0045] 第二N型MOS管，第二N型MOS管的G极连接第二电压监视芯片的指示输出端子，D极连接第三P型MOS管的G极，S极接地；
[0046] 第三N型MOS管，第三N型MOS管的G极连接第三P型MOS管的D极，D极连接第三P型MOS管的G极，S极接地；
[0047] 第三上拉电阻，一端连接第三P型MOS管的D极，另一端连接第一N型开关管的G极，且第三上拉电阻的所述另一端用于连接所述第一高/低电平输出端；
[0048] 第一P型开关管和第二P型开关管为PMOS或者PNP晶体管；
[0049] 所述第一储能器件的漏电流ILeakage_C、第一电压监视芯片的静态电流IMonitor和负载电阻的漏电流ILeakage_R满足：ILeakage_C+IMonitor_+ILeakage_R≤200nA；DC/DC转换芯片的最小启动电压VIn_Startup、第一电压监视芯片的启动电压阈值VStartup满足：VIn_Startup≤VStartup≤0.7V。
[0050] 进一步地，在本发明的低功率启动并有电压监视功能的数控能量收集管理电路中，第一储能器件为钽电容，第一电压监视芯片为TPS3839，DC/DC转换芯片为TPS61098。
[0051] 进一步地，在本发明的低功率启动并有电压监视功能的数控能量收集管理电路中，系统负载芯片为MSP430FR5969，第二电压监视芯片为TPS3831、TPS3839、R3114或R3116。
[0052] 进一步地，在本发明的低功率启动并有电压监视功能的数控能量收集管理电路中，第一N型开关管NMOS，第一P型开关管的型号为SSM3J556MFV，第二P型开关管的型号为2SB815-7晶体管或者SSM3J46CTB，第一N型开关管的型号为SSM3K56MFV。
[0053] 进一步地，在本发明的低功率启动并有电压监视功能的数控能量收集管理电路中，负载电阻为10MΩ，第一去耦电容为0.1μF，第一上拉电阻大小为1.3MΩ，第三上拉电阻大小为1.3MΩ，输入电容为1μF，第一储能器件为0.1μF。
[0054] 进一步地，在本发明的低功率启动并有电压监视功能的数控能量收集管理电路中，
[0055] 当DC/DC转换芯片启动后，所述第一储能器件上的电压会开始下降，第二P型开关管由于自身G极和S极之间的VGS降低会开始逐渐断开，然后随着第二储能器件上电压的降低，后续的电路也会断开，此时一条由第三上拉电阻和第一N型开关管构成的反馈控制回路，将维持DC/DC转换芯片启动后储能器件与DC/DC转换芯片的导通状态；最后所述系统负载芯片启动运行并在完成一次任务后，控制所述第一高/低电平输出端口输出低电平，以将第一N型开关管由导通变为关断，从而DC/DC转换芯片关断，至此一个启动循环结束；能量收集过程继续进行，当第一储能器件的电压再次达到第一电压监视芯片的电压阈值时，启动下一个循环。
[0056] 进一步地，在本发明的低功率启动并有电压监视功能的数控能量收集管理电路中，
[0057] (1)当第二储能器件的电压Vin较低，未达到第二电压监视芯片的电压阈值Vth时，所述指示输出端子输出低电平，此时第二N型MOS管断开，第三P型MOS管在所述第二上拉电阻作用下断开，因此所述电源输入端子的输入电压为0V，系统负载芯片没有供电，未能启动；
[0058] (2)当Vin≥Vth时，所述指示输出端子的输出变为高电平，此时第二N型MOS管的G极电压升至 R4、R5以及 依次为第一分压限流电阻的大小、第二分压限流电阻的大小以及所述指示输出端子输出的电压大小，且R2和R3被设置为满足：所述指示输出端子的输出变为高电平时，R5*Vin/(R4+R5)超过第二N型MOS管的最小导通电压；此时，第二N型MOS管导通，然后第三P型MOS管，系统负载芯片得以上电启动，上电启动后，系统负载芯片的所述第二高/低电平输出端立即输出高电平；
[0059] (3)系统负载芯片上电启动后，系统负载芯片开始完成任务，待任务完成以后，系统负载芯片的所述第二高/低电平输出端输出低电平，从而关断第三P型MOS管和第二N型MOS管，实现自主控制关闭供电功能，至此一个启动循环结束；第二储能器件能量收集过程继续进行，启动下一个循环。
[0060] 进一步地，在本发明的低功率启动并有电压监视功能的数控能量收集管理电路中，R4＝R5＝10MΩ
[0061] 进一步地，在本发明的低功率启动并有电压监视功能的数控能量收集管理电路中，
[0062] (1)第二当储能器件的电压Vin较低，未达到第二电压监视芯片的电压阈值Vth时，所述指示输出端子输出低电平，此时第二N型MOS管断开且第三N型MOS管初始状态默认断开，第三P型MOS管在第二上拉电阻作用下断开，因此所述电源输入端子的输入电压为0V，系统负载芯片没有供电，未能启动；
[0063] (2)当Vin≥Vth时，所述指示输出端子的输出变为高电平，第二N型MOS管导通，然后第三P型MOS管导通，因此所述电源输入端子的输入电压为Vin，此时系统负载芯片得以上电启动，上电启动后，系统负载芯片的所述第二高/低电平输出端立即输出高电平，第三N型MOS管导通；
[0064] (3)系统负载芯片上电启动后，系统负载芯片开始完成任务，待任务完成以后，系统负载芯片控制所述第二高/低电平输出端输出低电平，从而关断第三P型MOS管和第三N型MOS管，实现自主控制关闭供电功能，至此一个启动循环结束；第二储能器件能量收集过程继续进行，启动下一个循环。
[0065] 实施本发明的低功率启动并有电压监视功能的数控能量收集管理电路，具有以下有益效果：本发明实现了将能量收集启动功率降低到了0.14μW，能够显著提高能量收集的灵敏度；本发明可用于微弱光照、低振动强度、微小温差等环境中的能量收集，而且本发明尤其适用于基于射频能量收集的场景中；经试验，本发明能够运行的最小射频输入功率-22dBm@915MHz，能够有效扩展射频能量收集的空间范围；同时，通过增加电压监视功能，保证系统的用电正常。
附图说明
[0066] 下面将结合附图及
实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0067] 图1是低功率启动并有电压监视功能的数控能量收集管理电路第一实施例的电路原理图。
[0068] 图2是低功率启动并有电压监视功能的数控能量收集管理电路第二实施例的电路原理图。
具体实施方式
[0069] 为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
[0070] 参考图1，其为低功率启动并有电压监视功能的数控能量收集管理电路第一实施例的电路原理图(Q5下方的十字交叉处未连接在一起)。本实施例的可在0.7V,200nA启动的有电压监视功能的微能量收集管理系统包含：第一储能器件C1、第一P型开关管Q1、负载电阻R1、第一去耦电容C2、第一上拉电阻R2、二极管D1、第一电压监视芯片U1、第二P型开关管Q2、N型开关管Q3、输入电容C3、DC/DC转换芯片U2、第二储能器件C4、第三P型MOS管Q4、第二电压监视芯片U3、第二上拉电阻R3、第二N型MOS管Q5、第一分压限流电阻R4、第二分压限流电阻R5、第一去耦电容C5以及第三上拉电阻R6。
[0071] 第一储能器件C1的下端接地，上端用于连接RF转DC模块RFDC的输出端(右端)，其中RF转DC模块RFDC的输入端连接射频能量收集天线TX，用于将射频能量转换为直流电进行输出。第一储能器件C1可以是电容、超级电容、电池等具有电荷存储功能的器件，且应当具有低漏电流、低自放电的特性。该第一储能器件C1的容量需根据系统负载芯片U4启动运行一次的耗电量决定。本发明以220μF钽电容为例，漏电流ILeakage_C1小于10nA。
[0072] 第一P型开关管Q1的S极连接所述储能器件C1的上端。
[0073] 负载电阻R1的上、下两端之间并联第一去耦电容C2，并联后下端接地，上端连接第一P型开关管Q1的D极。
[0074] 第一上拉电阻R2的上端连接储能器件C1的上端。
[0075] 二极管D1的阳极连接第一上拉电阻R2的下端，阴极连接第一P型开关管Q1的D极，同时二极管D1的阳极连接第一P型开关管Q1的G极。
[0076] 第一电压监视芯片U1具有输入端口VIN以及指示输出端口 输入端口VIN连接第一P型开关管Q1的D极，指示输出端口 连接第一上拉电阻R2的下端，指示输出端口用于第一电压监视芯片U1正常工作时，在所述输入端口VIN输入的电压大于电压阈值VThreshold时，输出高电平，否则输出低电平，且在所述输入端口输入的电压小于第一电压监视芯片U1能够正常运行的最小工作电压VStartup(即启动电压阈值VStartup)时，处于高阻态。
[0077] 在本实施例中，第一电压监视芯片U1由基准电压源、电阻分压网络和电压比较器组成，能够持续监测输入端口VIN的电压，当VIN达到预设的电压阈值VThreshold时，指示输出端口 能够输出高电平。此外由于第一电压监视芯片U1内部MOSFET的亚阈值特性，当0V＜VIN＜VStartup时，指示输出端口 为高阻态，而当VStartup＜VIN＜VThreshold时，指示输出端口 输出低电平。在本实施例中，VStartup＝0.4V。
[0078] 第二P型开关管Q2的G极连接所述指示输出端口 S极连接所述第一储能器件C1的上端。
[0079] 第一N型开关管Q3的D极连接第一电压监视芯片U1的指示输出端口
[0080] 输入电容C3的下端接地，上端分别连接第二P型开关管Q2的D极和第一N型开关管Q3的S极。
[0081] 需要注意的是，第一P型开关管Q1、第二P型开关管Q2应选择VGS尽量小的PMOS或VCE(sat)尽量低的NPN晶体管，本发明中第一P型开关管Q1选用了SSM3J556MFV，第二P型开关管Q2可选用SSM3J46CTB或2SB815-7。第一电压监视芯片U1应具有尽量低的静态电流，本发明以TPS3839系列电压监视芯片为例，静态电流IMonitor_U1典型值150nA。为了提高电压监视芯片U1的
稳定性，其VIN端口可添加负载电阻R1和第一去耦电容C2，本发明以R1＝10MΩ，C2＝0.1μF为例，此时负载电阻R1的漏电流ILeakage_R小于40nA。二极管D1起到单向微导通的作用，可选用1N4148或者参考本发明，直接依靠第一电压监视芯片U1内部ESD二极管即可达到相同效果。上拉电阻R2的取值会稍微影响
启动电路的电压阈值VStartup，本发明以R2＝1.3MΩ为例。
[0082] 基于上述特性，当0V＜VStorage＜某一电压值时(本实施例中约为0.7V，该值为电路的属性决定，非人为设定，后续以0.7V进行说明)，第一电压监视芯片U1的指示输出端口被第一上拉电阻R2上拉至高电平，且第一P型开关管Q1断开；此时由于二极管D1正向微导通，0V＜VIN＜0.4V。在本实施例中，当VStorage趋向于所述某一电压值0.7V时，此时二极管D1上流过的电流约为第一电压监视芯片U1的静态电流IMonitor和负载电阻R1的漏电流ILeakage_R之和，即190nA，第一上拉电阻R2上的电压190nA*R2≈0.25V，二极管D1两端的电压约为0.05V(二极管D1选用的
硅管)。
[0083] 而当VStorage≥0.7V的瞬间，VIN≥0.4V，指示输出端口 将输出低电平，第一P型开关管Q1将导通，第一电压监视芯片U1的VIN端口上的电压进一步升高。该正反馈过程导致第一电压监视芯片U1的指示输出端口 持续低电平，然后第二P型开关管Q2导通，DC/DC转换芯片U2开始启动，从而第二储能电容C4充电。
[0084] 本发明利用了电压监视芯片U1内部MOSFET的亚阈值特性(当0V＜VIN＜0.4V时，指示端口为高阻态，而当0.4V＜VIN＜VThreshold时，指示端口输出低电平)，设计了正反馈启动控制电路，用于
锁存第二P型开关管Q2栅极/基极的低电平状态。
[0085] DC/DC转换芯片U2的两个电源输入端VIN和GND连接在输入电容C3的两端；DC/DC转换芯片U2的最小启动电压VIn_Startup小于或等于电压监视芯片U1的启动电压阈值VStartup。DC/DC转换芯片U2具有DC转DC变换功能，可以是开关升/降压或LDO电路。需注意该DC/DC转换芯片U2的最小启动电压VIn_Startup应当小于等于第一电压监视芯片U1的启动电压VStartup，且尽量具有较宽的输入电压范围和较高的电源转化效率。这里以开关
升压电路TPS61098作为DC/DC转换芯片U2为例，最小启动电压可低于0.7V。此外，输入电容C3的取值也较为关键，太小会导致DC-DC不稳定，太大则会导致VStorage下降过快，使Q2由于VGS过小而提前断开，本发明以C3＝1μF为例。
[0086] 第二储能器件C4的一端接地，另一端连接DC/DC转换芯片U2的输出端。如此，可以通过两个电容对系统负载芯片U4进行供电。第二储能器件C4的下端接地，上端用于连接左端的DC/DC转换芯片U2，从而使得DC/DC转换芯片U2向第二储能器件C4充电，第二储能器件C4上的电压Vin逐渐升高，直至达到最大电压值，即DC/DC转换芯片U2输出的电压值。第二储能器件C4包括电容、电池以及超级电容。本实施例中，第二储能器件C4大于或者等于第一储能电容C1，在本发明的另一实施例中第二储能器件C4也可以小于第一储能电容C1。
[0087] 第二电压监视芯片U3的具有输入端子VIN以及指示输出端子 第二电压监视芯片U3的输入端子VIN连接第四P型MOS管Q5的S极，指示输出端子 用于第二电压监视芯片U3正常工作时，在所述输入端子输入的电压小于电压阈值Vth时，输出低电平，否则输出高电平，该高电平的电压等于输入端子VIN上的输入电压，在第四P型MOS管Q5导通时，该高电平即为第二储能器件C4的电压Vin。第二电压监视芯片U3可以采用TPS3831、TPS3839、R3114、R3116。
[0088] 第三P型MOS管Q4的S极连接第二电压监视芯片U3的输入端子，D极用于连接系统负载芯片U4的电源输入端子VCC；所述系统负载芯片U4具有第一高/低电平输出端I/O1和第二高/低电平输出端I/O2。
[0089] 第二上拉电阻R3的一端连接第二储能器件C4的所述另一端，另一端连接第三P型MOS管Q4的G极。
[0090] 第二N型MOS管Q6的D极连接第三P型MOS管Q4的G极，S极接地。
[0091] 第一分压限流电阻R4串联在第二电压监视芯片U3的指示输出端子 和第二N型MOS管Q6的G极之间。
[0092] 第二分压限流电阻R5串联在第三P型MOS管Q4的D极和第二N型MOS管Q6的G极之间。
[0093] 第三上拉电阻R6一端连接第三P型MOS管Q4的D极，另一端连接第一N型开关管Q3的G极，且第三上拉电阻R6的所述另一端用于连接所述高/低电平输出端第一高/低电平输出端I/O1。本实施例中，第三上拉电阻R6大小为1.3MΩ。
[0094] 第二去耦电容C5的下端接地，上端连接第三P型MOS管Q4的上端，且用于与系统负载芯片U4的电源输入端VCC和GND连接，第二去耦电容C5用于系统负载芯片U4的供电去耦，本发明以第二去耦电容C5＝0.22μF为例。
[0095] 第一P型开关管Q1和第二P型开关管Q2为PMOS或者PNP晶体管。
[0096] 所述第一储能器件C1的漏电流ILeakage_C、第一电压监视芯片U1的静态电流IMonitor和负载电阻R1的漏电流ILeakage_R满足：ILeakage_C+IMonitor_+ILeakage_R≤200nA；DC/DC转换芯片U2的最小启动电压VIn_Startup、第一电压监视芯片U1的启动电压阈值VStartup满足：VIn_Startup≤VStartup≤0.7V。
[0097] 当DC/DC转换芯片U2启动后，所述第一储能器件C1上的电压会开始下降，第二P型开关管Q2由于自身G极和S极之间的VGS降低会开始逐渐断开，然后随着第二储能器件C4上电压的降低，后续的电路也会断开(断开之前，电源具有电压监视功能，断开后不具有)，此时一条由第三上拉电阻R6和第一N型开关管Q3构成的反馈控制回路，将维持DC/DC转换芯片U2启动后储能器件与DC/DC转换芯片U2的导通状态；最后所述系统负载芯片U4启动运行并在完成一次任务后，控制所述第一高/低电平输出端口I/O1输出低电平，以将第一N型开关管Q3由导通变为关断，从而DC/DC转换芯片U2关断，至此一个启动循环结束；能量收集过程继续进行，当第一储能器件C1的电压再次达到第一电压监视芯片U1的电压阈值时，启动下一个循环。在本实施例中，系统负载芯片U4为MSP430FR5969，第一N型开关管Q3选用了VGS尽量低的场效应管SSM3K56MFV，第三上拉电阻R6＝1.3MΩ。
[0098] 电压监视部分的工作原理如下：
[0099] (1)当第二储能器件C2的电压Vin较低，未达到第二电压监视芯片U3的电压阈值Vth时，所述指示输出端子输出低电平，此时第二N型MOS管Q5断开，第三P型MOS管Q4在所述第二上拉电阻R3作用下断开，因此所述电源输入端子VCC的输入电压为0V，系统负载芯片U4没有供电，未能启动。
[0100] (2)当Vin≥Vth时，所述指示输出端子的输出变为高电平，此时第二N型MOS管Q5的G极电压升至 R4、R5以及 依次为第一分压限流电阻R4的大小、第二分压限流电阻R5的大小以及所述指示输出端子输出的电压大小，且R2和R3被设置为满足：所述指示输出端子的输出变为高电平时，R5*Vin/(R4+R5)超过第二N型MOS管Q5的最小导通电压；此时，第二N型MOS管Q5导通，然后第三P型MOS管Q4，系统负载芯片U4得以上电启动，上电启动后，系统负载芯片U4的所述第二高/低电平输出端I/O2立即输出高电平。
[0101] 上电启动后，系统负载芯片U3的所述第二高/低电平输出端I/O2立即输出高电平的原因在于：第二储能器件C4的能量累积过程一般较慢，而包括系统负载芯片U4在内的系统负载能量消耗较快，在系统负载芯片U4启动后，第二储能器件C4由于能量的消耗，Vin减小，可能导致Vin小于Vth，第二电压指示芯片(U3)指示输出端子 输出低电平，第二N型MOS管Q5被关断，然后第三P型MOS管Q4被关断，从而可能导致系统负载芯片U3在未完成任务就被断电，而上电启动后，系统负载芯片U4的所述第二高/低电平输出端I/O立即输出高电平，从而保证第二N型MOS管Q5导通和第三P型MOS管Q4导通，即使Vin减小，导致Vin小于Vth，指示输出端子 输出低电平时，第二N型MOS管Q5导通和第三P型MOS管Q4导通，包括系统负载芯片U4在内的系统负载依然能够继续上电，持续工作。
[0102] (3)系统负载芯片U4上电启动后，系统负载芯片U4开始完成任务，待任务完成以后，系统负载芯片U4的所述第二高/低电平输出端I/O2输出低电平，从而关断第三P型MOS管Q4和第二N型MOS管Q5，实现自主控制关闭供电功能，至此一个启动循环结束；第二储能器件C4能量收集过程继续进行，启动下一个循环。
[0103] 应当理解的是，系统负载芯片U4的所述第二高/低电平输出端I/O2输出低电平时，例如零电平时，电压监视芯片U3指示输出端子 既可能输出高电平，也可能输出低电平。当指示输出端子 既输出低电平时，第二N型MOS管Q5立刻被关断，然后导致第三P型MOS管Q4被关断。当指示输出端子 既输出高电平时，此时第二N型MOS管Q5的G极电压为第二N型MOS管Q5继续导通，第三P型MOS管Q4也
继续导通，包括系统负载芯片U4在内的系统负载继续保持上电状态，随着时间消耗，第二储能器件C4的电压最终会降到使指示输出端子 输出低电平时，指示输出端子 输出
低电平时，第二N型MOS管Q6立刻被关断，然后导致第三P型MOS管Q4被关断，此过程相当于会有延时关断。
[0104] 在本实施例中，电压监视部分启动后的电流消耗(不计算系统负载芯片以及其他系统负载)主要为：第二电压监视芯片U3所消耗的电流I_U3、VCC/R3以及VCC/(R4+R5)。在本实施例中，第二上拉电阻R3、第一分压限流电阻R4和第二分压限流电阻R5的电阻越大，他们者消耗的功率越小，因此在本实施例中第二上拉电阻R3、第一分压限流电阻R4和第二分压限流电阻R5应当取较大的值，本实施例中，R3、R4和R5的大小满足：R1＝R2＝R3＝10MΩ。
[0105] 本实施例电压监视部分(Vin至C5之间的电路)的电路特点是：电源
阀门位于VCC供电端，确保了系统地平面的完整性；采用电压监视器集成芯片，因此集成度高、电路组成简单、成本低，而且将该部分运行功耗由uA级降到了最低150nA(第二电压监视芯片的功耗，即I_U3)；在系统负载运行任务完成后，可通过I/O2端口自主控制关闭系统供电。
[0106] 参考图2，其为可在0.7V,200nA启动的有电压监视功能的微能量收集管理系统第二实施例的电路原理图。本实施例的可在0.7V,200nA启动的有电压监视功能的微能量收集管理系统包含：第一储能器件C1、第一P型开关管Q1、负载电阻R1、第一去耦电容C2、第一上拉电阻R2、二极管D1、电压监视芯片U1、第二P型开关管Q2、N型开关管Q3、输入电容C3、DC/DC转换芯片U2、第二储能器件C4、第三P型MOS管Q4、第四P型MOS管Q5、第二电压监视芯片U3、第二上拉电阻R3、第二N型MOS管Q6、第三N型MOS管Q7、第一去耦电容C5以及第三上拉电阻R4。
[0107] 第一储能器件C1的下端接地，上端用于连接RF转DC模块RFDC的输出端(右端)，其中RF转DC模块RFDC的输入端连接射频能量收集天线TX，用于将射频能量转换为直流电进行输出。第一储能器件C1可以是电容、超级电容、电池等具有电荷存储功能的器件，且应当具有低漏电流、低自放电的特性。该第一储能器件C1的容量需根据系统负载芯片U4启动运行一次的耗电量决定。本发明以220μF钽电容为例，漏电流ILeakage_C1小于10nA。
[0108] 第一P型开关管Q1的S极连接所述储能器件C1的上端。
[0109] 负载电阻R1的上、下两端之间并联第一去耦电容C2，并联后下端接地，上端连接第一P型开关管Q1的D极。
[0110] 第一上拉电阻R2的上端连接储能器件C1的上端。
[0111] 二极管D1的阳极连接第一上拉电阻R2的下端，阴极连接第一P型开关管Q1的D极，同时二极管D1的阳极连接第一P型开关管Q1的G极。
[0112] 第一电压监视芯片U1具有输入端口VIN以及指示输出端口 输入端口VIN连接第一P型开关管Q1的D极，指示输出端口 连接第一上拉电阻R2的下端，指示输出端口用于第一电压监视芯片U1正常工作时，在所述输入端口VIN输入的电压大于电压阈值VThreshold时，输出高电平，否则输出低电平，且在所述输入端口输入的电压小于第一电压监视芯片U1能够正常运行的最小工作电压VStartup(即启动电压阈值VStartup)时，处于高阻态。
[0113] 在本实施例中，第一电压监视芯片U1由基准电压源、电阻分压网络和电压比较器组成，能够持续监测输入端口VIN的电压，当VIN达到预设的电压阈值VThreshold时，指示输出端口 能够输出高电平。此外由于第一电压监视芯片U1内部MOSFET的亚阈值特性，当0V＜VIN＜VStartup时，指示输出端口 为高阻态，而当VStartup＜VIN＜VThreshold时，指示输出端口 输出低电平。在本实施例中，VStartup＝0.4V。
[0114] 第二P型开关管Q2，第二P型开关管Q2的G极连接所述指示输出端口 S极连接所述第一储能器件C1的上端。
[0115] 第一N型开关管Q3的D极连接第一电压监视芯片U1的指示输出端口
[0116] 输入电容C3的下端接地，上端分别连接第二P型开关管Q2的D极和第一N型开关管Q3的S极。
[0117] 需要注意的是，第一P型开关管Q1、第二P型开关管Q2应选择VGS尽量小的PMOS或VCE(sat)尽量低的NPN晶体管，本发明中第一P型开关管Q1选用了SSM3J556MFV，第二P型开关管Q2可选用SSM3J46CTB或2SB815-7。第一电压监视芯片U1应具有尽量低的静态电流，本发明以TPS3839系列电压监视芯片为例，静态电流IMonitor_U1典型值150nA。为了提高电压监视芯片U1的稳定性，其VIN端口可添加负载电阻R1和第一去耦电容C2，本发明以R1＝10MΩ，C2＝0.1μF为例，此时负载电阻R1的漏电流ILeakage_R小于40nA。二极管D1起到单向微导通的作用，可选用1N4148或者参考本发明，直接依靠第一电压监视芯片U1内部ESD二极管即可达到相同效果。上拉电阻R2的取值会稍微影响启动电路的电压阈值VStartup，本发明以R2＝1.3MΩ为例。
[0118] 基于上述特性，当0V＜VStorage＜某一电压值时(本实施例中约为0.7V，该值为电路的属性决定，非人为设定，后续以0.7V进行说明)，第一电压监视芯片U1的指示输出端口被第一上拉电阻R2上拉至高电平，且第一P型开关管Q1断开；此时由于二极管D1正向微导通，0V＜VIN＜0.4V。在本实施例中，当VStorage趋向于所述某一电压值0.7V时，此时二极管D1上流过的电流约为第一电压监视芯片U1的静态电流IMonitor和负载电阻R1的漏电流ILeakage_R之和，即190nA，第一上拉电阻R2上的电压190nA*R2≈0.25V，二极管D1两端的电压约为0.05V(二极管D1选用的硅管)。
[0119] 而当VStorage≥0.7V的瞬间，VIN≥0.4V，指示输出端口 将输出低电平，第一P型开关管Q1将导通，第一电压监视芯片U1的VIN端口上的电压进一步升高。该正反馈过程导致第一电压监视芯片U1的指示输出端口 持续低电平，然后第二P型开关管Q2导通，DC/DC转换芯片U2开始启动，从而第二储能电容C4充电。
[0120] 本发明利用了电压监视芯片U1内部MOSFET的亚阈值特性(当0V＜VIN＜0.4V时，指示端口为高阻态，而当0.4V＜VIN＜VThreshold时，指示端口输出低电平)，设计了正反馈启动控制电路，用于锁存第二P型开关管Q2栅极/基极的低电平状态。
[0121] DC/DC转换芯片U2的两个电源输入端VIN和GND连接在输入电容C3的两端；DC/DC转换芯片U2的最小启动电压VIn_Startup小于或等于电压监视芯片U1的启动电压阈值VStartup。DC/DC转换芯片U2具有DC转DC变换功能，可以是开关升/降压或LDO电路。需注意该DC/DC转换芯片U2的最小启动电压VIn_Startup应当小于等于第一电压监视芯片U1的启动电压VStartup，且尽量具有较宽的输入电压范围和较高的电源转化效率。这里以开关升压电路TPS61098作为DC/DC转换芯片U2为例，最小启动电压可低于0.7V。此外，输入电容C3的取值也较为关键，太小会导致DC-DC不稳定，太大则会导致VStorage下降过快，使Q2由于VGS过小而提前断开，本发明以C3＝1μF为例。
[0122] 第二储能器件C4，一端接地，另一端连接DC/DC转换芯片U2的输出端。如此，可以通过两个电容对系统负载芯片U4进行供电。第二储能器件C4的下端接地，上端用于连接左端的DC/DC转换芯片U2，从而使得DC/DC转换芯片U2向第二储能器件C4充电，第二储能器件C4上的电压Vin逐渐升高，直至达到最大电压值，即DC/DC转换芯片U2输出的电压值。第二储能器件C4包括电容、电池以及超级电容。本实施例中，第二储能器件C4大于或者等于第一储能电容C1，在本发明的另一实施例中第二储能器件C4也可以小于第一储能电容C1。
[0123] 第三P型MOS管Q4，第三P型MOS管Q4的S极连接第二储能器件C4的所述另一端，D极用于连接系统负载芯片U4的电源输入端子；所述系统负载芯片U4具有第一高/低电平输出端I/O1和第二高/低电平输出端I/O2。
[0124] 第二电压监视芯片U3的具有输入端子VIN以及指示输出端子 第二电压监视芯片U3的输入端子VIN连接第三P型MOS管(Q4)的S极，指示输出端子 用于第二电压监视芯片U3正常工作时，在所述输入端子VIN输入的电压小于电压阈值Vth时，输出低电平，否则输出高电平，该高电平的电压等于输入端子VIN上的输入电压，该高电平即为第二储能器件C4的电压Vin。第二电压监视芯片U3可以采用TPS3831、TPS3839、R3114、R3116。
[0125] 第二上拉电阻R3的一端连接第二储能器件C4的所述另一端，另一端连接第三P型MOS管Q4的G极。
[0126] 第二N型MOS管Q5的G极连接第二电压监视芯片U3的指示输出端子，D极连接第三P型MOS管Q4的G极，S极接地。
[0127] 第三N型MOS管Q6的G极连接第三P型MOS管Q4的D极，D极连接第三P型MOS管Q4的G极，S极接地。
[0128] 第三上拉电阻R6的一端连接第三P型MOS管Q4的D极，另一端连接第一N型开关管Q3的G极，且第三上拉电阻R6的所述另一端用于连接所述第一高/低电平输出端I/O1；本实施例中，第三上拉电阻R6大小为1.3MΩ。
[0129] 第一P型开关管Q1和第二P型开关管Q2为PMOS或者PNP晶体管。
[0130] 第二去耦电容C5的下端接地，上端连接第三P型MOS管Q4的上端，且用于与系统负载芯片U4的电源输入端VCC和GND连接，第二去耦电容C5用于系统负载芯片U4的供电去耦，本发明以第二去耦电容C5＝0.22μF为例。
[0131] 所述第一储能器件C1的漏电流ILeakage_C、第一电压监视芯片U1的静态电流IMonitor和负载电阻R1的漏电流ILeakage_R满足：ILeakage_C+IMonitor_+ILeakage_R≤200nA；DC/DC转换芯片U2的最小启动电压VIn_Startup、第一电压监视芯片U1的启动电压阈值VStartup满足：VIn_Startup≤VStartup≤0.7V。
[0132] 当DC/DC转换芯片U2启动后，所述第一储能器件C1上的电压会开始下降，第二P型开关管Q2由于自身G极和S极之间的VGS降低会开始逐渐断开，然后随着第二储能器件C4上电压的降低，后续的电路也会断开(断开之前，电源具有电压监视功能，断开后不具有)，此时一条由第三上拉电阻R4和第一N型开关管Q3构成的反馈控制回路，将维持DC/DC转换芯片U2启动后储能器件与DC/DC转换芯片U2的导通状态；最后所述系统负载芯片U4启动运行并在完成一次任务后，控制所述第一高/低电平输出端口I/O1输出低电平，以将第一N型开关管Q3由导通变为关断，从而DC/DC转换芯片U2关断，至此一个启动循环结束；能量收集过程继续进行，当第一储能器件C1的电压再次达到第一电压监视芯片U1的电压阈值时，启动下一个循环。在本实施例中，系统负载芯片为MSP430FR5969，第一N型开关管Q3选用了VGS尽量低的场效应管SSM3K56MFV，上拉电阻R6＝1.3MΩ。
[0133] 电压监视部分的工作原理如下：
[0134] (1)第二当储能器件C4的电压Vin较低，未达到第二电压监视芯片U3的电压阈值Vth时，所述指示输出端子 输出低电平，此时第二N型MOS管Q5断开且第三N型MOS管Q6初始状态默认断开，第三P型MOS管Q4在第二上拉电阻R3作用下断开，因此所述电源输入端子VCC的输入电压为0V，系统负载芯片U4没有供电，未能启动。
[0135] (2)当Vin≥Vth时，所述指示输出端子 的输出变为高电平，第二N型MOS管Q5导通，然后第三P型MOS管Q4导通，因此所述电源输入端子VCC的输入电压为Vin，此时系统负载芯片U4得以上电启动，上电启动后，系统负载芯片U4的所述第二高/低电平I/O2输出端立即输出高电平，第三N型MOS管Q6导通。
[0136] 上电启动后，系统负载芯片U4的所述第二高/低电平输出端I/O2立即输出高电平的原因在于：第二储能器件C4的能量累积过程一般较慢，而包括系统负载芯片U4在内的系统负载能量消耗较快，在系统负载芯片U4启动后，第二储能器件C4由于能量的消耗，Vin减小，可能导致Vin小于Vth，第二电压监视芯片U3的指示输出端子 输出低电平，第二N型MOS管Q5被关断，然后第三P型MOS管Q4被关断，从而可能导致系统负载芯片U4在未完成任务就被断电，而上电启动后，系统负载芯片U4的所述第二高/低电平I/O输出端立即输出高电平，从而保证第三N型MOS管Q6导通和第三P型MOS管Q4导通，即使Vin减小，导致Vin小于Vth，指示输出端子 输出低电平时，第二N型MOS管Q5被关断时，第三N型MOS管Q6和第三P型MOS管Q4依旧导通，包括系统负载芯片U4在内的系统负载依然能够继续上电，持续工作。
[0137] (3)系统负载芯片U4上电启动后，系统负载芯片U4开始完成任务，待任务完成以后，系统负载芯片U4控制所述第二高/低电平输出端I/O2输出低电平，从而关断第三P型MOS管Q4和第三N型MOS管Q5，实现自主控制关闭供电功能，至此一个启动循环结束；第二储能器件C4能量收集过程继续进行，启动下一个循环。
[0138] 应当理解的是，系统负载芯片U4的第二高/低电平输出端I/O2输出低电平时，例如零电平时，指示输出端子 既可能输出高电平，也可能输出低电平。当指示输出端子既输出低电平时，第二N型MOS管Q5因此被关断，此时第三N型MOS管Q6立即被关断，然后导致第三P型MOS管Q4被关断。当指示输出端子 既输出高电平时，此时第二N型MOS管Q5继续导通，第三P型MOS管Q4也继续导通，包括系统负载芯片U4在内的系统负载继续保持上电状态，随着时间消耗，第二储能器件C4的电压最终会降到使指示输出端子 输出低电平时，指示输出端子 输出低电平时，第三N型MOS管Q6会被关断，由于第二高/低电平输出端I/O2输出低电平，第三N型MOS管Q6也被关断，然后导致第三P型MOS管Q4被关断，此过程相当于会有延时关断。
[0139] 在本实施例中，电压监视部分启动后的电流消耗(不计算系统负载芯片以及其他系统负载)主要为：第二电压监视芯片U3所消耗的电流I_U3以及VCC/R3。在本实施例中，第二上拉电阻R3越大，消耗的功率越小，因此在本实施例中第二上拉电阻R3应当取较大的值，本实施例中，第二R3取值10MΩ。
[0140] 本实施例电压监视部分(Vin至C5之间的电路)的电路特点是：电源阀门位于VCC供电端，确保了系统地平面的完整性；采用电压监视器集成芯片，因此集成度高、电路组成简单、成本低，而且将该部分运行功耗由uA级降到了最低150nA(第二电压监视芯片的功耗，即I_U3)；在系统负载运行任务完成后，可通过I/O2端口自主控制关闭系统供电。
[0141] 上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和
权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
