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一种射频能量收集系统的双输出整流稳压RF-DC转换器

申请号 CN202410041892.3 申请日 2024-01-11 公开(公告)号 CN117955353A 公开(公告)日 2024-04-30
申请人 复旦大学; 发明人 陈之原; 李霞光; 韩军; 曾晓洋;
摘要 本 发明 属于集成 电路 技术领域,具体为一种用于射频 能量 收集系统的双输出整流稳压RF‑DC转换器。本发明RF‑DC转换器在对射频能量整流的 基础 上,不增加额外的直流转换模 块 的前提下,同时增加稳压功能,输出两路独立的直流 信号 ;包括第一级 整流器 、第二级整流器、辅助整流器、两级动态稳压电路、动态双边自 偏置电路 、比较器电路、 输出 电压 采样 电路。本发明引入自偏置电路模块,提高整流器电路在较低输入功率下灵敏度,提升其高效率的输入功率范围;引入动态稳压模块,在不需要额外增加直流转换的前提下,可输出稳定直流电压,提升系统整体效率。系统逻辑控制所需的偏置电压均由系统内部自产生,减少外部偏置的接入,系统集成度较高。
权利要求

1.一种用于射频能量收集系统的双输出整流稳压RF‑DC转换器电路,其特征在于,在对射频能量整流的基础上,在不增加额外的直流转换模的前提下,同时增加稳压功能,输出两路独立的直流信号,包括第一级整流器、第二级整流器、辅助整流器、两级动态稳压电路、动态双边自偏置电路、比较器电路、输出电压采样电路;其中:第一级整流器、第二级整流器和辅助整流器串联;第一级整流器和第二级整流器为主整流器电路,两级整流电路分别给出一个直流输出,第三级为辅助整流器,其输出电压给系统中电路提供直流偏置;且射频输入端均接到信号源的差分信号输出端;动态双边自偏置电路分别接到主整流器的输入和输出侧流管,用于增大正向电流和减小反向泄露电流;比较器电路通过检测输出电压和参考电压的相对大小,给出两级动态稳压电路的控制信号;动态稳压电路根据比较器输出信号的大小来禁用或使能整流器主整流管,达到稳压的目的。
2.根据权利要求1所述的双输出整流稳压RF‑DC转换器电路,其特征在于,单级的整流器电路分为输入侧和输出侧两部分;
在输入侧,分为主整流管和组成自偏置电路的辅助晶体管两部分,主整流管为MN1和MN2,栅极分别与耦合电容C1、C3相连,漏极和源极分别与耦合电容C2、C4以及大地相连;辅助晶体管MB1,MB2为二极管连接法,栅极与漏极短接并与其连接的主整流管MN1、MN2的栅极相连,源极与地相连;辅助晶体管与主整流管在不同的半周期导通,为主整流管MN1、MN2的导通提供偏置电压,使其能够在输入电压低于阈值电压时导通,使得整流器在较低输入功率下有较高的转换效率,提升其灵敏度;
在输出侧,同样分为主整流管和组成自偏置电路的辅助晶体管两部分,主整流管为MP1和MP2,主流管的栅极分别接到信号VBP和VBN,整流器的稳压功能是通过控制输出侧整流管的通断来实现;当整流器输出电压小于参考电压时,整流管接入整流桥,为负载电容充电,此时VBP通过动态稳压电路与VAN相连,VBN通过动态稳压电路与VAP相连,整流器正常工作;当整流器输出电压大于或者等于参考电压时候,整流器禁用,以维持输出电压大小,达到稳压功能;此时VBP和VBN均接到高电平VDD,此时PMOS主整流管MP1和MP2被禁用;对于辅助晶体管,为自级联的MB3、MB4和MB5、MB6,级联后栅极与漏极短接并与主整流管MP1、MP2的栅极相连,源极与负载电容相连;输出侧的主整流管与其相连的辅助晶体管在相同的半周期导通,为主整流管提供偏置电压,减小反向泄露电流的产生,进而增强整流器在较高输入功率时的转换效率,拓宽高效率的输入功率范围。
3.根据权利要求2所述的双输出整流稳压RF‑DC转换器电路,其特征在于,动态稳压电路由一对互补的NMOS和PMOS开关管MSN、MSP组成;对于每一级的整流电路而言,两组互补开关分别控制两个PMOS整流管的导通和关断;其中NMOS开关MSN的栅极接到比较器电路的输出,用来控制开关的通断,漏极接到整流器主整流管的栅极VBP或VBN,源极接到VAP或VAN端,当整流器输出电压小于参考电压的时候,MSN导通,将主整流管的栅极VBP或VBN接入到整流桥VAP或VAN;PMOS的开关MSP的栅极也接到比较器电路的输出,用来控制开关的通断;漏极与MSN的漏极短接后同时接到整流器主整流管的栅极VBP或VBN,源极接到第三级整流器的输出VDD端,当整流器输出电压大于或者等于参考电压时,此MSP导通,将主整流管的栅极接到高电位VDD,进而禁用PMOS主整流管,达到稳压的目的。
4.根据权利要求3所述的双输出整流稳压RF‑DC转换器电路,其特征在于,动态自偏置电路分为两种方式,分别针对输入侧NMOS整流管和输出侧PMOS整流管;对于输入侧NMOS整流管MN的自偏置电路,辅助晶体管MB是由一个二极管连接的PMOS管MNB组成,其栅极和漏极短接后与主整流管MN的栅极相连,其源极与主流管的漏极相连,其漏极与整流器的输入端相连;对于输出侧PMOS整流管MP的自偏置电路,由两个自级联的PMOS管MPB1和MPB2组成,MPB1和MPB2的栅极相连后与MPB1的漏极短接并与主整流管MP的栅极相连,MPB1的源极和MPB2的漏极相连,MPB2的源极与整流器输出端相连。

说明书全文

一种射频能量收集系统的双输出整流稳压RF‑DC转换器

技术领域

[0001] 本发明属于集成电路技术领域,具体涉及适用于射频能量收集系统的RF‑DC转换器。

背景技术

[0002] 随着万物互联时代的到来,无线通信、物联网、智能家居等领域的蓬勃发展使得人们的生活朝着更加智能化、信息化的方向不断迈进。随之带来的无线传感技术也越来越成熟,在军事、医疗、自然环境检测等方面得到了广泛的应用。无线传感网络朝着微型化、自主化的方向发展,也对其供电方式提出了新的要求,如何实现高效、微型、可靠地对这些多节点电子设备的高效供电是当今研究的热话题。绿色化、节能化也要求能源供应朝着循环回收的方向发展。基于此,以能量收集为供电手段的低功耗电子设备受到了广泛的研究和关注,对于环境中射频能量收集作为远场无线供电的一种方式,在为低功耗电子设备供能方面具有很大的优势。
[0003] 对于射频能量收集系统而言,RF‑DC整流电路起到将射频信号转换为直流电能的作用,为射频能量收集系统的重要组成部分。传统的研究中,RF‑DC整流电路主要存在着灵敏度较差、高效率的输入功率范围较窄的问题。同时,为了获取稳定的输出电压,传统结构的做法是在RF‑DC整流电路后再加一级DC‑DC转换器,这会进一步降低了系统整体的转换效率[1]。
[0004] 综上所述,对于现有的远场的射频能量收集系统的应用场景能量密度较低,能量波动范围较大的问题。迫切地需要一种新型的RF‑DC整流器,在实现高的转换效率和灵敏度的同时,能够较好地拓宽高效率的输入功率范围,进而拓展其应用场景,同时也需要加入稳压功能以获取持续稳定的直流电能。这些功能的实现可以使得被收集的射频能量源可以来源于WIFI信号、无线通信网络等,并且不受时间、空间的限制,实现对低功耗电子设备长时间、全方位、持续稳定供电,可以被广泛运用到可穿戴医疗电子设备、环境监测设备等诸多领域,有较大的市场应用价值和发展前景[2]。
[0005] 参考文献
[0006] [1]J.Lin,C.Zhan and Y.Lu,"A 6.78‑MHz single‑stage wireless power receiver with ultrafast transient response using hysteretic control and multilevel current‑wave modulation",IEEE Trans.Power Electron.,vol.36,no.9,pp.9918‑9926,Sep.2021.[2]Stoopman M,Keyrouz S,Visser H J,et al.A self‑calibrating RF energy harvester generating 1V at‑26.3dBm[C].Symposium on VlSI Circuits,2013:C226‑C227。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于基于上述需求,提出一种适用于射频能量收集系统的双输出且同时具备稳压和整流功能的RF‑DC转换器。
[0008] 本发明提供的双输出整流稳压RF‑DC转换器电路,在对射频能量整流的基础上,在不增加额外的直流转换模的前提下,同时增加稳压功能,可输出两路独立的直流信号,为后续系统提供持续稳定的供电。
[0009] 本发明提出的适用于射频能量收集系统的双输出且同时具备稳压和整流功能的RF‑DC转换器,其电路结构参见图1所示,包括第一级整流器、第二级整流器、辅助整流器、两级动态稳压电路、动态双边自偏置电路、比较器电路、输出电压采样电路;其中,第一级整流器、第二级整流器和辅助整流器串联;第一级整流器和第二级整流器为主整流器电路,两级整流电路分别给出一个直流输出,第三级为辅助整流器,其输出电压给系统中电路提供直流偏置。且射频输入端均接到信号源的差分信号输出端;动态双边自偏置电路分别接到主整流器的输入和输出侧流管,用于增大正向电流和减小反向泄露电流;比较器电路通过检测输出电压和参考电压的相对大小,给出两级动态稳压电路的控制信号;动态稳压电路根据比较器输出信号的大小来禁用或使能整流器主整流管,达到稳压的目的。
[0010] 本发明中,系统输入的射频能量的频率为900MHz。
[0011] 本发明中,单级的整流器电路如图2所示。分为输入侧和输出侧两部分,在输入侧,分为主整流管和组成自偏置电路的辅助晶体管两部分,主整流管为MN1和MN2,栅极分别与耦合电容C1、C3相连,漏极和源极分别与耦合电容C2、C4以及大地相连。辅助晶体管MB1,MB2为二极管连接法,栅极与漏极短接并与其连接的主整流管MN1、MN2的栅极相连,源极与地相连;辅助晶体管与主整流管在不同的半周期导通,为主整流管MN1、MN2的导通提供偏置电压,使其能够在输入电压低于阈值电压时导通,使得整流器在较低输入功率下有较高的转换效率,提升其灵敏度。在输出侧,同样分为主整流管和组成自偏置电路的辅助晶体管两部分,主整流管为MP1和MP2,主流管的栅极分别接到信号VBP和VBN,整流器的稳压功能是通过控制输出侧整流管的通断来实现,当整流器输出电压小于参考电压时,整流管需要接入整流桥,为负载电容充电,此时VBP通过动态稳压电路与VAN相连,VBN通过动态稳压电路与VAP相连,整流器正常工作。当整流器输出电压大于或者等于参考电压时候,整流器需要禁用,以维持输出电压大小,达到稳压功能,此时VBP和VBN均接到高电平VDD,此时PMOS主整流管MP1和MP2被禁用。对于辅助晶体管,为自级联的MB3、MB4和MB5、MB6,级联后栅极与漏极短接并与主整流管MP1、MP2的栅极相连,源极与负载电容相连。输出侧的主整流管与其相连的辅助晶体管在相同的半周期导通,为主整流管提供必要的偏置电压,减小反向泄露电流的产生,进而增强整流器在较高输入功率时的转换效率,拓宽高效率的输入功率范围。
[0012] 本发明中,动态稳压电路和动态自偏置电路如图3所示。动态稳压电路如图3(a)所示,由一对互补的NMOS和PMOS开关管MSN、MSP组成;对于每一级的整流电路而言,需要两组互补开关,分别控制两个PMOS整流管的导通和关断。其中NMOS开关MSN的栅极接到比较器电路的输出,用来控制开关的通断,漏极接到整流器主整流管的栅极(VBP或VBN),源极接到VAP或VAN端,当整流器输出电压小于参考电压的时候,需要MSN导通,将主整流管的栅极(VBP或VBN)接入到整流桥(VAP或VAN)。PMOS的开关MSP的栅极也接到比较器电路的输出,用来控制开关的通断。漏极与MSN的漏极短接后同时接到整流器主整流管的栅极(VBP或VBN),源极接到第三级整流器的输出VDD端,当整流器输出电压大于或者等于参考电压时,需要此MSP导通,将主整流管的栅极接到高电位VDD,进而禁用PMOS主整流管,达到稳压的目的。
[0013] 本发明中,动态自偏置电路分为两种方式,分别针对输入侧NMOS整流管和输出侧PMOS整流管。对于输入侧NMOS整流管MN的自偏置电路如图3(b)所示,辅助晶体管MB是由一个二极管连接的PMOS管MNB组成,其栅极和漏极短接后与主整流管MN的栅极相连,其源极与主流管的漏极相连,其漏极与整流器的输入端相连。对于输出侧PMOS整流管MP的自偏置电路如图3(c)所示,是由两个自级联的PMOS管MPB1和MPB2组成,MPB1和MPB2的栅极相连后与MPB1的漏极短接并与主整流管MP的栅极相连,MPB1的源极和MPB2的漏极相连,MPB2的源极与整流器输出端相连。
[0014] 本发明所提出的应用于射频能量收集系统的双输出整流稳压RF‑DC转换器具有如下创新和有益效果:
[0015] (1)该电路引入自偏置电路模块,提升整流器电路在较低输入功率下灵敏度的前提下也减少在较高输入功率下的反向泄露电流,提升其高效率的输入功率范围,拓宽应用场景。
[0016] (2)该电路在传统整流电路的基础上,引入动态稳压模块,在不需要额外增加直流转换模块的前提下,可输出稳定直流电压,提升系统整体效率。
[0017] (3)对于系统逻辑控制模块所需的偏置电压均由系统内部自产生,减少外部偏置的接入,系统集成度较高。
[0018] (4)辅助电路模块结构简单,功耗较小。附图说明
[0019] 图1为本发明的双输出稳压整流RF‑DC转换器电路结构图示。
[0020] 图2为本发明中的单级RF‑DC整流器结构图示。
[0021] 图3为本发明中的动态自偏置电路和动态稳压电路结构图示。
[0022] 图4为双输出的稳压整流电路的输出电压结果示意图。
[0023] 图5为本发明所提出的稳压整流电路的转换效率随负载电流变化的趋势图。

具体实施方式

[0024] 为了更清楚的说明本发明的技术方案,下面结合具体电路,并结合附图对本发明作进一步说明。
[0025] 图1为本发明的系统框图,此系统输入的射频能量的频率为900MHz。在初始阶段,第一级和第二级整流器以及辅助整流器的输出电压均为零。此时电路处于冷启动阶段,通过MOS管衬底的寄生二极管导通来给负载电容充电。当VDD逐渐升高,动态稳压电路开始工作。此时,第一级和第二级整流器的输出均小于参考电压,此时比较器输出高电平,动态稳压电路中的NMOS开关管导通,将整流器中PMOS整流管的栅极接入到整流桥中,整流器开始正常工作。随着输出电压不断升高,当输出电压大于或等于预设的参考电压时,比较器输出低电平,动态稳压电路中的PMOS开关管导通,将整流器中PMOS整流管的栅极接入到高电平,使得PMOS整流管关断,防止输出电压的进一步上升。在本发明中,第一级整流器输出电压VOUT1和第二级整流器输出电压VOUT2的预设的参考电压值分别为1V和2V。分别由两路独立的动态稳压电路来控制。
[0026] 图2为本发明的单级整流器的结构图,基于传统的交叉耦合结构,并且引入自偏置电路增加转换效率的同时减小在高输入功率下的漏电流。在初始阶段,由于动态稳压电路尚未启动,PMOS整流管的栅极处于悬空状态。此时,PMOS和NMOS整流管的衬底二极管导通给负载电容充电,起到冷启动的作用。随着输出电压的升高,动态稳压电路开始工作,PMOS整流管的栅极VBP和VBN分别被接入到VAN和VAP。此时,整流器正常工作,输出电压逐渐升高。当大于或等于预设的参考电压时,VBP和VBN被接到高电平VDD,防止输出电压的进一步上升,起到稳压的作用。
[0027] 图3为动态稳压电路和输入侧与输出侧的自偏置电路。在动态稳压电路中,互补的NMOS(MSN)和PMOS(MSP)开关管分别在整流器输出电压低于和高于参考电压时导通,达到使能和禁用整流器的目的。在输入侧的自偏置电路中,由二极管连接法构成的自偏置电路与主整流管在正弦信号不同的半个周期导通,自偏置电路在主整流管不工作的半个周期导通给主整流管栅极进行预充电,使得主整流管能在较低的输入功率下工作。在输出侧的自偏置电路中,由两个自级联的二极管连接法组成的自偏置电路与主整流管在正弦信号的相同的半个周期导通,当反向泄露电流发生时,抬升PMOS整流管的栅极电压,达到减小反向泄漏电流的目的。
[0028] 图4为此双输出的稳压整流电路的输出电压结果图。两级整流器分别给出两路输出VOUT1和VOUT2,从图中可以看出,在初始阶段,整流器分别为两路输出的负载充电,两路输出电压逐渐增大,在25μs左右,两路输出均达到稳态。VOUT1和VOUT2分别输出1V和2V的稳定直流电压,且纹波较小。
[0029] 图5为此双输出的稳压整流电路的转换效率随负载电流变化的趋势图。可以看出,当输出2即VOUT2的负载电流固定在0.8mA时,此双输出稳压整流电路的转换效率随着输出1即VOUT1的负载电流的增大而增大。当输出1的负载电流为0.33mA时,系统整体效率达62.5%。当输出1的负载电流在0.1mA到0.33mA变化时,系统整体效率均在50%以上。
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