一种射频能量收集系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种射频能量收集系统及控制方法，其中射频能量收集系统包括射频天线、控制电路、匹配升压网络、RF‑DC整流器、自启动电路、迟滞电压比较器、VDD端能量存储单元、VL端能量存储单元、开关SL、电压检测电路、VST端备用能量存储单元、第一能量转换电路、第二能量转换电路、LDO稳压电路和基准电流源及参考电压产生电路。本发明专利技术改进了已有电路的结构，并对各电路模块进行性能优化和结构创新，提高了整个收集系统的灵敏度，同时能管理存储的能量。此外，本发明专利技术具有低功耗，完全自动化，电压波纹低等特点。

A Radio Frequency Energy Collection System and Control Method

The invention discloses a radio frequency energy collection system and a control method, in which the radio frequency energy collection system includes a radio frequency antenna, a control circuit, a matched boost network, a RF DC rectifier, a self-starting circuit, a hysteresis voltage comparator, a VDD terminal energy storage unit, a VL terminal energy storage unit, a switch SL, a voltage detection circuit, a VST terminal standby energy storage unit, and a first energy conversion unit. Switching circuit, second energy conversion circuit, LDO voltage stabilization circuit, reference current source and reference voltage generation circuit. The invention improves the structure of the existing circuit, optimizes the performance and innovates the structure of each circuit module, improves the sensitivity of the whole collection system, and manages the stored energy. In addition, the invention has the characteristics of low power consumption, complete automation and low voltage ripple.

【技术实现步骤摘要】
一种射频能量收集系统及控制方法
本专利技术涉及一种射频能量收集系统及控制方法，尤其涉及一种可对存储能量进行管理的射频能量收集系统，属于微能量收集

技术介绍
当前，越来越多的无线传感网络节点被应用于现实生活中，这些设备的主要能源供应是电池。但是，由电池供电的传感限制了传感器的使用寿命，同时定期更换电池的成本十分昂贵。而大自然中充满了大量的环境能量，如振动能、风能、太阳能、热能及射频能等，因此可以将环境中的能量转换为可持续的电能。其中射频能是一种广泛存在的能量形式，且几乎不受环境变化带来的影响，因此收集射频能量具有重要意义和广泛的应用前景。图1为一个典型的射频能量收集系统的结构框图，射频天线将射频能变换为交流能输入到匹配网络中，匹配网络将交流电传输给RF-DC整流器的输入端，RF-DC整流器将交流电能转换为直流能量并转移到能量存储单元中，该能量存储单元一般是外部大电容或电池设备，然后能量存储单元中的直流能量便是负载电路的电源。然而这种结构有两点不足之处：第一、能量存储单元端的电压纹波很大，直接作为负载电路的电源，必定会影响电路的性能；第二、当环境中存在丰富的射频能时，负载电路中的能量只能现存现用，过多的能量并没有被其他的能量存储单元及时存储，使得收集到的直流能量过于浪费。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种射频能量收集系统及控制方法，能够降低负载电路电源的电压波纹，同时也能够管理存储的能量。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种射频能量收集系统，包括射频天线、控制电路、匹配升压网络、RF-DC整流器、自启动电路、迟滞电压比较器、VDD端能量存储单元、VL端能量存储单元、开关SL、电压检测电路、VST端备用能量存储单元、第一能量转换电路、第二能量转换电路、LDO稳压电路和基准电流源及参考电压产生电路；所述射频天线将接收到的射频能转化为交流电VRF输入到匹配升压网络中，匹配升压网络的输出信号VM接RF-DC整流器的输入端，RF-DC整流器的输出信号VR接自启动电路的输入端和开关SL的一端，自启动电路的VDD电压输出端接VDD端能量存储单元和迟滞电压比较器的一个输入端，自启动电路的输出信号UVLO接入控制电路和第一能量转换电路；开关SL的另一端接VL端能量存储单元的输入端，VL端能量存储单元的电压输出端接第二能量转换电路的一个输入端和LDO稳压电路的输入端，电压检测电路对VL端能量存储单元输出的电压进行检测，电压检测电路的检测信号VDVL接入控制电路和第二能量转换电路的另一个输入端，第二能量转换电路的输出信号VST接VST端备用能量存储单元的输入端和迟滞电压比较器的另一个输入端，VST端备用能量存储单元的输出信号接入第一能量转换电路；迟滞电压比较器的输出信号VCM接入第一能量转换电路和控制电路，第一能量转换电路的输出信号接第一能量存储单元；基准电流源及参考电压产生电路向LDO稳压电路提供参考电压VREF，同时为各个电路提供偏置电流IREF；控制电路产生稳定的开关信号。具体的，所述RF-DC整流器包括第零NMOS管M0、第一～九PMOS管M1～M9和第零～九电容C0～C9；输入信号VM接C0、C2、C4、C6和C8的一端，输出信号VR接M9的漏极和C9的一端，M0～M9的衬底均与自身的漏极相连，M0的漏极和M1的栅极接地，M0的源极连接M1的源极、C0的另一端和M2的栅极，M1的漏极连接M0的栅极、电容C1的一端、M2的源极和M3的栅极，M2的漏极连接M3的源极、C2的另一端和M4的栅极，M3的漏极连接M4的源极、C3的一端和M5的栅极，M4的漏极连接M5的源极、C4的另一端和M6的栅极，M5的漏极连接M6的源极、C5的一端和M7的栅极，M6的漏极连接M7的源极、C6的另一端和M8的栅极，M7的漏极连接M8的源极和C7的一端，M8的漏极连接M9的源极和C8的另一端，M9的栅极连接自身的漏极，C1、C3、C5、C7、C9的另一端均接地。具体的，所述自启动电路包括最大电压选择电路、第十电容C10、第一反相器、第二反相器、第十～二十一PMOS管M10～M21、第二十二～二十六NMOS管M22～M26；输入信号VR连接M21的源极和最大电压选择电路的一端，输出电压VDD连接M26的源极和C10的一端，C10的另一端接地，M10～M17的衬底彼此相连后接入VDD电压，M10的源极接入VDD电压，M10的漏极连接M11的源极，M11的漏极连接M12的源极，M12的漏极连接M13的源极，M13的漏极连接M14的源极，M14的漏极连接M15的源极，M15的漏极连接M16的源极，M16的漏极连接M17的源极，M17的漏极接地，M10和M11的栅极与自身的漏极相连，M12的栅极连接M13的漏极，M13的栅极连接M14的栅极和漏极，M14的漏极连接M22～M25的栅极，M15～M17的栅极相连后接地，M20的栅极、衬底与源极接入VDD电压，M22～M25的衬底接地，M22的漏极连接M19的漏极、M20的漏极、M24的漏极和第一反相器的输入端，M22的源极连接M23的漏极，M24的源极连接M25的漏极，M23和M25的源极接地，第一反相器的输出端连接第二反相器的输入端，第二反相器的输出端连接M26的栅极，M21的栅漏极连接M26的漏极和最大电压选择电路的另一端，M21的衬底连接最大电压选择电路的输出端。具体的，所述迟滞电压比较器包括第二十七～第三十二NMOS管M27～M32、第三十三～第三十八PMOS管M33～M38；输入信号VDD与VST分别接入M31和M32的栅极，输出信号VCM连接M30和M37的漏极，M27的漏极连接基准电流源，M27～M30的源极接地，M27～M32的衬底接地，M28的栅极连接M27的栅极与漏极，M28的漏极连接M31和M32的源极，M31的漏极连接M33、M34的漏极以及M35的栅极，M32的漏极连接M35、M36的漏极以及M34的栅极，M33的栅极连接自身漏极以及M38的栅极，M36的栅极连接自身漏极以及M37的栅极，M33～M38的衬底以及源极连接到VL电压，M37的漏极连接M30的漏极，M30的栅极连接M29的栅极以及漏极，M29的栅漏极连接M38的漏极。具体的，所述LDO稳压电路包括第三十九～第四十六NMOS管M39～M46、第四十七～第五十三PMOS管M47～M53、第一R1、第二电阻R2和第十一电容C11；M39的漏极连接基准电流源，M40的栅极连接M39的漏极与栅极，M40的漏极连接M47的漏极与栅极，M47～M50的栅极互相连接，M51与M52的源极连接到M48的漏极，M51的栅极连接基准电路的参考电压，M51的漏极连接M41的栅漏极和M42的栅极，M52的漏极连接M42的漏极、M43的栅极和M46的源极，M52的栅极连接串联R1、R2的中间，M49的漏极连接M43的漏极、M53的栅极和C11的一端，C11的另一端连接M46的漏极，M39～M44的源极接地，M50的漏极连接M45的栅漏极和M46的栅极，M45的源极连接M44的栅漏极，M53的漏极连接电阻R1的一端和输出端VOUT，R2的另一端接地，M47～M53的衬底接VL，M本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种射频能量收集系统，其特征在于：包括射频天线、控制电路、匹配升压网络、RF‑DC整流器、自启动电路、迟滞电压比较器、VDD端能量存储单元、VL端能量存储单元、开关SL、电压检测电路、VST端备用能量存储单元、第一能量转换电路、第二能量转换电路、LDO稳压电路和基准电流源及参考电压产生电路；所述射频天线将接收到的射频能转化为交流电VRF输入到匹配升压网络中，匹配升压网络的输出信号VM接RF‑DC整流器的输入端，RF‑DC整流器的输出信号VR接自启动电路的输入端和开关SL的一端，自启动电路的VDD电压输出端接VDD端能量存储单元和迟滞电压比较器的一个输入端，自启动电路的输出信号UVLO接入控制电路和第一能量转换电路；开关SL的另一端接VL端能量存储单元的输入端，VL端能量存储单元的电压输出端接第二能量转换电路的一个输入端和LDO稳压电路的输入端，电压检测电路对VL端能量存储单元输出的电压进行检测，电压检测电路的检测信号VDVL接入控制电路和第二能量转换电路的另一个输入端，第二能量转换电路的输出信号VST接VST端备用能量存储单元的输入端和迟滞电压比较器的另一个输入端，VST端备用能量存储单元的输出信号接入第一能量转换电路；迟滞电压比较器的输出信号VCM接入第一能量转换电路和控制电路，第一能量转换电路的输出信号接第一能量存储单元；基准电流源及参考电压产生电路向LDO稳压电路提供参考电压VREF，同时为各个电路提供偏置电流IREF；控制电路产生稳定的开关信号。...

【技术特征摘要】
1.一种射频能量收集系统，其特征在于：包括射频天线、控制电路、匹配升压网络、RF-DC整流器、自启动电路、迟滞电压比较器、VDD端能量存储单元、VL端能量存储单元、开关SL、电压检测电路、VST端备用能量存储单元、第一能量转换电路、第二能量转换电路、LDO稳压电路和基准电流源及参考电压产生电路；所述射频天线将接收到的射频能转化为交流电VRF输入到匹配升压网络中，匹配升压网络的输出信号VM接RF-DC整流器的输入端，RF-DC整流器的输出信号VR接自启动电路的输入端和开关SL的一端，自启动电路的VDD电压输出端接VDD端能量存储单元和迟滞电压比较器的一个输入端，自启动电路的输出信号UVLO接入控制电路和第一能量转换电路；开关SL的另一端接VL端能量存储单元的输入端，VL端能量存储单元的电压输出端接第二能量转换电路的一个输入端和LDO稳压电路的输入端，电压检测电路对VL端能量存储单元输出的电压进行检测，电压检测电路的检测信号VDVL接入控制电路和第二能量转换电路的另一个输入端，第二能量转换电路的输出信号VST接VST端备用能量存储单元的输入端和迟滞电压比较器的另一个输入端，VST端备用能量存储单元的输出信号接入第一能量转换电路；迟滞电压比较器的输出信号VCM接入第一能量转换电路和控制电路，第一能量转换电路的输出信号接第一能量存储单元；基准电流源及参考电压产生电路向LDO稳压电路提供参考电压VREF，同时为各个电路提供偏置电流IREF；控制电路产生稳定的开关信号。2.根据权利要求1所述的射频能量收集系统，其特征在于：所述RF-DC整流器包括第零NMOS管M0、第一～九PMOS管M1～M9和第零～九电容C0～C9；输入信号VM接C0、C2、C4、C6和C8的一端，输出信号VR接M9的漏极和C9的一端，M0～M9的衬底均与自身的漏极相连，M0的漏极和M1的栅极接地，M0的源极连接M1的源极、C0的另一端和M2的栅极，M1的漏极连接M0的栅极、电容C1的一端、M2的源极和M3的栅极，M2的漏极连接M3的源极、C2的另一端和M4的栅极，M3的漏极连接M4的源极、C3的一端和M5的栅极，M4的漏极连接M5的源极、C4的另一端和M6的栅极，M5的漏极连接M6的源极、C5的一端和M7的栅极，M6的漏极连接M7的源极、C6的另一端和M8的栅极，M7的漏极连接M8的源极和C7的一端，M8的漏极连接M9的源极和C8的另一端，M9的栅极连接自身的漏极，C1、C3、C5、C7、C9的另一端均接地。3.根据权利要求1所述的射频能量收集系统，其特征在于：所述自启动电路包括最大电压选择电路、第十电容C10、第一反相器、第二反相器、第十～二十一PMOS管M10～M21、第二十二～二十六NMOS管M22～M26；输入信号VR连接M21的源极和最大电压选择电路的一端，输出电压VDD连接M26的源极和C10的一端，C10的另一端接地，M10～M17的衬底彼此相连后接入VDD电压，M10的源极接入VDD电压，M10的漏极连接M11的源极，M11的漏极连接M12的源极，M12的漏极连接M13的源极，M13的漏极连接M14的源极，M14的漏极连接M15的源极，M15的漏极连接M16的源极，M16的漏极连接M17的源极，M17的漏极接地，M10和M11的栅极与自身的漏极相连，M12的栅极连接M13的漏极，M13的栅极连接M14的栅极和漏极，M14的漏极连接M22～M25的栅极，M15～M17的栅极相连后接地，M20的栅...

【专利技术属性】
技术研发人员：张长春，崔青，郭宇锋，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32