采用直流压泵技术的无线能量接收机及其控制方法技术

本发明专利技术涉及一种采用直流压泵技术的无线能量接收机及其控制方法。为无线能量接收机加入直流压泵模块来实现能量接收灵敏度的改善。直流压泵模块，通常包含若干开关与电容CT。加入直流压泵模块之后，通过对开关的交替控制，使得电容CT上的电压交替叠加在整流器的起点电压上，抬高后续每一级的直流电位，从而在同样输入能量的情况下，所述无线能量接收机可获得更高的输出电压，提高了能量接收灵敏度。本发明专利技术还通过添加主控模块，提供了直流压泵模块电容CT的初始电压及开关控制信号，并维持了电路的运行稳定。

Wireless Energy Receiver Using DC Pressure Pump Technology and Its Control Method

【技术实现步骤摘要】
采用直流压泵技术的无线能量接收机及其控制方法
本专利技术属于模拟电路
，具体涉及一种采用直流压泵技术的无线能量接收机及其控制方法。
技术介绍
近年来，一些便携式电器如笔记本电脑、手机、音乐播放器、健康监测仪等电子设备都需要电池和充电。电源电线频繁地拔插，既不安全，也不美观可靠，且容易磨损。一些充电器、电线、插座标准也并不完全统一，这样既造成了浪费，也形成了对环境的污染。而在特殊场合下，譬如矿井和石油开采中，传统输电方式在安全上存在隐患。孤立的岛屿、工作于山头的基站，很难采用架设电线的传统配电方式。在上述情形下，无线输电便愈发显得重要和迫切，因而它被《技术评论》杂志评选为未来十大科研方向之一。在无线输电方面，我国目前的研究起步较晚，但发展较快。根据能量传输过程中中继能量形式的不同，无线能量接收机通常有几种类型：磁耦合式、电耦合式、电磁辐射式(如太阳辐射)、机械波耦合式(如超声)。其中，磁耦合式是目前(21世纪初)研究最为火热的一种无线电能传输方式，是将高频电源加载到发射线圈，使发射线圈在电源激励下产生高频磁场，接收线圈在此高频磁场作用下，耦合产生电流，实现无线电能传输。根据输入能量的大小不同，磁耦合式无线能量接收机又可分为强场无线能量接收机和弱场无线能量接收机。在现有的技术中，多数无线能量接收机实现1V电压输出时仍然需要-20dBm[1]至-32dBm[2]的输入能量。还有一些研究，在无线能量接收机后增加升压式直流-直流转换器，在相同输入能量下，可以获得更高的输出电压，即提高了灵敏度(约为-36dBm[3])；然而这些研究通常用到微亨级的电感，降低了能量接收的速度，增大了系统体积。[1]TLe，KMayaram，TFiez."用于被动供电传感器网络的高效远场射频能量收集，Efficientfar-fieldradiofrequencyenergyharvestingforpassivelypoweredsensornetworks[J]，"IEEEJ.Solid-StateCircuits(IEEE固态电路杂志)，43(5)，pp.1287-1302，May2008.[2]SOh，DDWentzloff."一种采用130nmCMOS工艺的、灵敏度为-32dBm的射频能量收集器，A-32dBmsensitivityRFpowerharvesterin130nmCMOS[C]，"IEEERadioFrequencyIntegratedCircuitsSymposium(IEEE射频集成电路研讨会)，July2012.[3]KRSadagopan，JKang，YRamadass等."一种用于WiFi供电传感器节点的具有纳瓦特升压转换器和天线-整流器谐振的厘米级2.4-GHz无线能量收集器，Acm-Scale2.4-GHzWirelessEnergyHarvesterWithNanoWattBoostConverterandAntenna-RectifierResonanceforWiFiPoweringofSensorNodes[J]，"IEEEJ.Solid-StateCircuits(IEEE固态电路杂志)，53(12)，pp.3396-3406，December2018.
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种采用直流压泵技术的无线能量接收机及其控制方法，直流压泵技术用以提高无线能量接收机的灵敏度。为了达到上述目的，本专利技术的一个技术方案是提供一种采用直流压泵技术的无线能量接收机，包含天线、无源增益模块、级联的若干个整流器、直流压泵模块、主控模块；各级整流器的耦合电容Cc一端连接无源增益模块获得交流信号Vrec，另一端分别连接本级中直流电位耦合管的源极、充电管的栅极和漏极；第一级整流器的直流电位耦合管的栅极和漏极相连后接地；其他各级整流器的直流电位耦合管的栅极和漏极相连后，与前一级整流器的充电管的源极连接；最后一级整流器的充电管的源极输出电压Vout，还通过电容CLOAD接地；除最后一级外的其他各级整流器的充电管的源极，经对应于本级的第一电容后，与直流压泵模块中对应于本级的第一开关、第二开关分别连接，通过第一开关接地，通过第二开关连接直流压泵模块的电容CT后接地；所述主控模块为电容CT提供初始及后续充电电流，并为直流压泵模块提供初始开关控制信号。可选地，任意一级整流器中的第一开关和第二开关，由相反的低频开关控制信号控制；任意一级整流器中的第一开关，和与之相邻一级整流器中的第二开关，由相同的低频开关控制信号控制而联动。可选地，所述直流压泵模块中各级的第一开关、第二开关交替控制，使得电容CT上的电压交替叠加在各整流器的起点电压上，抬高后续每一级的直流电位。可选地，所述主控模块包含镜像整流器、启动模块、开关控制电路；所述镜像整流器与所述无线能量接收机的最后一级整流器并联，为所述直流压泵模块的电容CT提供初始及后续充电电流，并为所述启动模块提供持续的能量来源；所述启动模块接收来自所述镜像整流器的能量，为所述直流压泵模块提供初始开关控制信号；所述开关控制电路设有迟滞比较器，控制电容的充放电时序(如控制电容CT、CLOAD、Cs、C3，下文详述)，使得电容CT的电位及所述直流压泵模块的开关控制信号均达到启动直流压泵模块的条件。可选地，所述开关控制电路设有四个迟滞比较器、或逻辑单元、与逻辑单元、开关S5～S14；所述启动模块包含第一振荡器、第二振荡器、电荷泵、电容Cs；所述镜像整流器的耦合电容Cc一端连接无源增益模块获得交流信号Vrec，另一端分别连接该镜像整流器的直流电位耦合管的源极、充电管的栅极和漏极；该镜像整流器的充电管的源极通过串联的开关S10、S8连接第一振荡器的输入端；第一振荡器的输出端连接电荷泵的输入端；电荷泵的输出端连接电容Cs后接地，还通过开关S14连接第二振荡器，由第二振荡器输出第一、第二低频开关控制信号；该镜像整流器的直流电位耦合管的栅极和漏极，还通过开关S9连接到无线能量接收机中最后一级整流器的直流电位耦合管的栅极和漏极；开关S6接入在电荷泵的输出端与第一迟滞比较器的输入端之间，开关S6的控制端与第四迟滞比较器的输出端连接；第一迟滞比较器的输出端连接或逻辑单元的一个输入端，还与或逻辑单元的输出端一起连接开关S7的控制端；开关S7接入在第二迟滞比较器的输入端与开关S10、S8的连接节点之间；或逻辑单元的输出端还分别连接开关S8的控制端、与逻辑单元的一个输入端；第四迟滞比较器的输出端还分别连接或逻辑单元的另一个输入端、开关S5的控制端；电荷泵的输出端还通过开关S5分别连接第三迟滞比较器的输入端、第四迟滞比较器的输入端，电荷泵的输出端还通过开关S5、S11连接至最后一级整流器的充电管的源极；最后一级整流器的充电管的源极通过开关S11、第二电容(C3)接地，还通过开关S12连接电容CLOAD和输出电压Vout；第三迟滞比较器的输出端分别连接开关S11、S12的控制端；第二迟滞比较器的输出端分别连接开关S10的控制端、开关S9的控制端、与逻辑单元的另一个输入端；与逻辑单元的输出端分别连接开关S14的控制端、开关S13的控制端；开关S13接入在直流压泵模块的各第二开关与电容CT之间；电容CT与开关本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采用直流压泵技术的无线能量接收机，其特征在于，包含天线、无源增益模块、级联的若干个整流器、直流压泵模块、主控模块；各级整流器的耦合电容Cc一端连接无源增益模块获得交流信号Vrec，另一端分别连接本级中直流电位耦合管的源极、充电管的栅极和漏极；第一级整流器的直流电位耦合管的栅极和漏极相连后接地；其他各级整流器的直流电位耦合管的栅极和漏极相连后，与前一级整流器的充电管的源极连接；最后一级整流器的充电管的源极输出电压Vout，还通过电容CLOAD接地；除最后一级外的其他各级整流器的充电管的源极，经对应于本级的第一电容后，与直流压泵模块中对应于本级的第一开关、第二开关分别连接，通过第一开关接地，通过第二开关连接直流压泵模块的电容CT后接地；所述主控模块为电容CT提供初始及后续充电电流，并为直流压泵模块提供初始开关控制信号。

【技术特征摘要】
1.一种采用直流压泵技术的无线能量接收机，其特征在于，包含天线、无源增益模块、级联的若干个整流器、直流压泵模块、主控模块；各级整流器的耦合电容Cc一端连接无源增益模块获得交流信号Vrec，另一端分别连接本级中直流电位耦合管的源极、充电管的栅极和漏极；第一级整流器的直流电位耦合管的栅极和漏极相连后接地；其他各级整流器的直流电位耦合管的栅极和漏极相连后，与前一级整流器的充电管的源极连接；最后一级整流器的充电管的源极输出电压Vout，还通过电容CLOAD接地；除最后一级外的其他各级整流器的充电管的源极，经对应于本级的第一电容后，与直流压泵模块中对应于本级的第一开关、第二开关分别连接，通过第一开关接地，通过第二开关连接直流压泵模块的电容CT后接地；所述主控模块为电容CT提供初始及后续充电电流，并为直流压泵模块提供初始开关控制信号。2.如权利要求1所述的无线能量接收机，其特征在于，任意一级整流器中的第一开关和第二开关，由相反的低频开关控制信号控制；任意一级整流器中的第一开关，和与之相邻一级整流器中的第二开关，由相同的低频开关控制信号控制而联动。3.如权利要求2所述的无线能量接收机，其特征在于，所述直流压泵模块中各级的第一开关、第二开关交替控制，使得电容CT上的电压交替叠加在各整流器的起点电压上，抬高后续每一级的直流电位。4.如权利要求1或3所述的无线能量接收机，其特征在于，所述主控模块包含镜像整流器、启动模块、开关控制电路；所述镜像整流器与所述无线能量接收机的最后一级整流器并联，为所述直流压泵模块的电容CT提供初始及后续充电电流，并为所述启动模块提供持续的能量来源；所述启动模块接收来自所述镜像整流器的能量，为所述直流压泵模块提供初始开关控制信号；所述开关控制电路设有迟滞比较器，控制电容CT、电容CLOAD、启动模块中的电容的充放电时序，使得电容CT的电位及所述直流压泵模块的开关控制信号均达到启动直流压泵模块的条件。5.如权利要求4所述的无线能量接收机，其特征在于，所述开关控制电路设有四个迟滞比较器、或逻辑单元、与逻辑单元、开关S5～S14；所述启动模块包含第一振荡器、第二振荡器、电荷泵、电容Cs；所述镜像整流器的耦合电容Cc一端连接无源增益模块获得交流信号Vrec，另一端分别连接该镜像整流器的直流电位耦合管的源极、充电管的栅极和漏极；该镜像整流器的充电管的源极通过串联的开关S10、S8连接第一振荡器的输入端；第一振荡器的输出端连接电荷泵的输入端；电荷泵的输出端连接电容Cs后接地，还通过开关S14连接第二振荡器，由第二振荡器输出第一、第二低频开关控制信号；该镜像整流器的直流电位耦合管的栅极和漏极，还通过开关S9连接到无线能量接收机中最后一级整流器的直流电位耦合管的栅极和漏极；开关S6接入在电荷泵的输出端与第一迟滞比较器的输入端之间，开关S6的控制端与第四迟滞比较器的输出端连接；第一迟滞比较器的输出端连接或逻辑单元的一个输入端，还与或逻辑单元的输出端一起连接开关S7的控制端；开关S7接入在第二迟滞比较器的输入端与开关S10、S8的连接节点之间；或逻辑单元的输出端还分别连接开关S8的控制端、与逻辑单元的一个输入端；第四迟滞比较器的输出端还分别连接或逻辑单元的另一个输入端、开关S5的控制端；电荷泵的输出端还通过开关S5分别连接第三迟滞比较器的输入端、第四迟滞比较器的输入端，电荷泵的输出端还通过开关S5、S11连接至最后一级整流器的充电管的源极；最后一级整流器的充电管的源极通过开关S11、第二电容(C3)接地，还通过开关S12连接电容CLOAD和输出电压Vout；第三迟滞比较器的输出端分别连接开关S11、S12的控制端；第二迟滞比较器的输出端分别连接开关S10的控制端、开关S9的控...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶大蔚，任贺宇，史传进，张怡云，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海,31