一种应用于射频能量采集的高效率电源管理单元制造技术

本发明专利技术公开了一种应用于射频能量采集的高效率电源管理单元，包括Boost转换器、冷启动电路、MPPT电路、脉冲产生电路、基准电路、输入电压检测电路以及输出电压控制电路；Boost转换器用于抬升整流器电压；冷启动电路用于启动能量采集系统并为控制电路提供稳定电压；MPPT电路用于调节转换器阻抗实现最大功率追踪；脉冲产生电路用于产生不同模式所需的信号；基准电路用于对整个电路提供参考电压和参考电流；输入电压检测电路用于检测Boost转换器的输入电压；输出电压控制电路用于稳定输出电压，针对低输入功率提出Boost转换器损耗模型，既降低了系统功耗，也提高了在宽功率范围内的转换效率。效率。效率。

【技术实现步骤摘要】
一种应用于射频能量采集的高效率电源管理单元


[0001]本专利技术涉及数模混合集成电路
，特别是涉及一种应用于射频能量采集的高效率电源管理单元。

技术介绍

[0002]随着物联网智能节点的低功耗发展，使用能量采集技术实现物联网节点的自维持供电是未来的发展趋势，由于射频能量来源较为丰富，有关射频能量采集技术的研究逐渐成为了近年来的热点之一，但是射频能量的功率密度非常低，低功率下电源管理单元的性能会直接影响射频能量采集系统的效率，因此，研究低功率、高效率的电源管理单元，对于通过射频能量采集系统，实现物联网节点的自供电至关重要。
[0003]射频能量的功率密度非常低，因此电源管理单元需要在低功率条件下进行特殊设计，使能量采集系统能够在尽可能低的输入功率下开始工作，对周围的射频能量进行高效率采集，并存储到储能单元中，为了满足不同的电子设备的要求，针对低功耗、高效率的电源管理单元的改善技术被大量提出。
[0004]目前，超低功耗电源管理单元的基本结构主要分为两种，第一种是基于开关电容转换器的电源管理单元，该结构由于开关电容注重较小尺寸和全集成，使得负载能力较弱，从而导致效率较低；第二种是基于变压器的转换器单元，该结构虽然有较强的负载能力，但是采用分立器件会造成尺寸较大，且输出功率增加时效率会降低；所以现有电源管理单元具有功耗大、效率低以及灵敏度低的缺点。

技术实现思路

[0005]为了解决以上技术问题，本专利技术提供一种应用于射频能量采集的高效率电源管理单元，包括可变电压源V
REC
和可变电阻R
REC
，用于等效整流器的输出；Boost转换器，用于对输出电压进行转换，并且稳定到额定的电压；控制电路，用于产生各种控制信号来控制开关管的状态；控制电路还包括脉冲产生电路，包括脉冲产生Φ1电路和零电流检测Φ2电路，脉冲产生Φ1电路用于在冷启动模式时使得Boost转换器开始启动，且根据不同输入电压来调节Φ1的脉冲宽度；Boost转换器在启动完成后工作在非连续导通模式，零电流检测Φ2电路用于控制Φ2的脉冲宽度；冷启动电路，用于启动电源管理单元并为控制电路提供具有能量负载的稳定电压VCP，以及产生CS
CTRL
信号来控制开关管和零电流检测Φ2电路；基准电路，用于对整个电路提供参考电压VREF和参考电流IREF；振荡器，用于产生驱动脉冲产生Φ1电路的时钟信号CLK；MPPT电路，用于调节转换器的输入电压VIN，使该输入电压维持在最大功率点；还用于产生用于调节振荡器频率的控制信号f
CTRL
、用于判断MPPT电路采样信号是否有效的控
制信号MPP
SELN
和MPP
SEL
；输入电压检测电路，用于检测Boost转换器的输入电压VIN以对开关尺寸和导通时间进行调节；输出电压控制电路，用于稳定输出电压VOUT到所需要的电压范围。
[0006]本专利技术进一步限定的技术方案是：进一步的，Boost转换器包括开关S1、开关S2、开关S3、电感L、电容C
IN
、电容C
OUT
、开关管N型场效应晶体管N0、开关管P型场效应晶体管P0、开关管P型场效应晶体管P1以及开关管P型场效应晶体管P2；开关S1与开关S3串连，开关S3与电感L串联；电容C
IN
的正极连接于开关S3与电感L之间，负极接地；开关管N型场效应晶体管N0的漏极连接开关S1，栅极连接脉冲产生Φ1电路产生的Φ1(1:0)信号，源极接地；开关管P型场效应晶体管P0和开关管P型场效应晶体管P1的源极均与开关管N型场效应晶体管N0的漏极相连；开关管P型场效应晶体管P1的栅极接冷启动控制信号CS
CTRL
，漏极与P型场效应晶体管P2的源极相连；P型场效应晶体管P2的栅极与自身漏极相连后连接到开关管P型场效应晶体管P0的漏极，开关管P型场效应晶体管P0的栅极连接零电流检测Φ2电路产生的信号Φ2(1:0)，电容C
OUT
正极接开关S2和开关管P型场效应晶体管P0的漏极，负极接地；开关S3由NMOS管和PMOS管形成的传输门结构组成，其中NMOS管由控制信号MPP
SELN
控制，PMOS管由控制信号MPP
SEL
控制。
[0007]前所述的一种应用于射频能量采集的高效率电源管理单元，MPPT电路包括采样电路和功能电路，采样电路用于对整流器输出进行周期性的采样，以此来确定当前时刻整流器的最大输出功率点；功能电路用于在采样结束后对Boost转换器的输入阻抗进行调节，以此来确定转换器的工作频率。
[0008]前所述的一种应用于射频能量采集的高效率电源管理单元，基准电路包括亚阈值电压基准和电流基准，亚阈值电压基准用于给输入电压检测电路和输出电压控制电路提供参考电压，电流基准用于给振荡器和输出电压控制电路提供基准单流。
[0009]前所述的一种应用于射频能量采集的高效率电源管理单元，输入电压检测电路采用CMOS亚阈值电压检测电路，用于对Boost 转换器的输入电压进行检测，且产生用于对开关尺寸和导通时间进行调节控制信号VD<1:0>。
[0010]前所述的一种应用于射频能量采集的高效率电源管理单元，振荡器包括两个反相器和电流控制字B<5:0>，其中一反相器包括PMOS管MI1、NMOS管MI2以及负载电容C1，另一反相器包括PMOS管MI3、NMOS管MI4以及负载电容C2，电流控制字B<5:0>控制对负载电容C1和负载电容C2的充电电流，互补的时钟信号CLK和CLKN控制负载电容C1和负载电容C2的放电，由电流饥饿型的SR锁存器构成两相非交叠时钟并产生时钟信号。
[0011]前所述的一种应用于射频能量采集的高效率电源管理单元，输入电压检测电路包括PMOS管M1和NMOS管M2，PMOS管M1的栅极连接V
bias1
；NMOS管M2的栅极连接V
bias2
，漏极连接PMOS管M1的漏极；V
bias2
的值低于NMOS管M2的阈值电压，且两者差值在100~200mV之间。
[0012]本专利技术的有益效果是：本专利技术中，采用Boost转换器、冷启动电路、MPPT电路、脉冲产生电路、基准电路、输
入电压检测电路以及输出电压控制电路，射频能量信号通过天线接收，经过阻抗匹配和整流器后转换成直流电压，再由Boost转换器进行电压转换，将整流器的电压稳定到额定电压，控制电路通过冷启动模块在低电压下进行启动，保证能量采集系统的自主工作；在系统正常工作后，由MPPT电路对输入端能量源和输出端的存储单元的电压进行采样，以此来调节Boost转换器的工作状态，基准电路为其他模块提供基准电压和基准电流；在250mV的输入电压下实现整体电路的冷启动，输出电压稳定在1.1V，电路启动后，在空载情况下，维持电源管理单元工作时的功本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于射频能量采集的高效率电源管理单元，其特征在于：包括可变电压源V
REC
和可变电阻R
REC
，用于等效整流器的输出；Boost转换器，用于对输出电压进行转换，并且稳定到额定的电压；控制电路，用于产生各种控制信号来控制开关管的状态；控制电路还包括脉冲产生电路，包括脉冲产生Φ1电路和零电流检测Φ2电路，脉冲产生Φ1电路用于在冷启动模式时使得Boost转换器开始启动，且根据不同输入电压来调节Φ1的脉冲宽度；Boost转换器在启动完成后工作在非连续导通模式，零电流检测Φ2电路用于控制Φ2的脉冲宽度；冷启动电路，用于启动电源管理单元并为控制电路提供具有能量负载的稳定电压VCP，以及产生CS
CTRL
信号来控制开关管和零电流检测Φ2电路；基准电路，用于对整个电路提供参考电压VREF和参考电流IREF；振荡器，用于产生驱动脉冲产生Φ1电路的时钟信号CLK；MPPT电路，用于调节转换器的输入电压VIN，使该输入电压维持在最大功率点；还用于产生用于调节振荡器频率的控制信号f
CTRL
、用于判断MPPT电路采样信号是否有效的控制信号MPP
SELN
和MPP
SEL
；输入电压检测电路，用于检测Boost转换器的输入电压VIN以对开关尺寸和导通时间进行调节；输出电压控制电路，用于稳定输出电压VOUT到所需要的电压范围。2.根据权利要求1所述的一种应用于射频能量采集的高效率电源管理单元，其特征在于：所述Boost转换器包括开关S1、开关S2、开关S3、电感L、电容C
IN
、电容C
OUT
、开关管N型场效应晶体管N0、开关管P型场效应晶体管P0、开关管P型场效应晶体管P1以及开关管P型场效应晶体管P2；开关S1与开关S3串连，开关S3与电感L串联；电容C
IN
的正极连接于开关S3与电感L之间，负极接地；开关管N型场效应晶体管N0的漏极连接开关S1，栅极连接脉冲产生Φ1电路产生的Φ1(1:0)信号，源极接地；开关管P型场效应晶体管P0和开关管P型场效应晶体管P1的源极均与开关管N型场效应晶体管N0的漏极相连；开关管P型场效应晶体管P1的栅极接冷启动控制信号CS
CTRL
，漏极与P型场效应晶体管P2的源极相连；P型场效应晶体管P2的栅极与自身漏极相连后连接到开关管P型场...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢祖帅，王燕燕，周全才，王子轩，蔡志匡，郭静静，刘璐，郭宇锋，
申请(专利权)人：南京邮电大学南通研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：