一种适用于微能量收集的供电电路及微型工作装置

本发明属于微型器件供电电路设计，更具体地，涉及一种适用于微能量收集的供电电路及微型工作装置。

背景技术：

1、微型工作元件如微型传感器进行工作时离不开长期、方便的电源为它们供电。相较于外接电源供电和电池供电这两种供电方式而言，微能量收集供电通过采集环境中的能量作为微型工作元件的电源，无需外接电源线和更换电池，是实现微型工作元件永久供电、在任务生命周期内零电池更换的最有效的技术，具有巨大的应用潜力。然而，从环境中采集到的能量通常十分微弱，需要进行电能变换和管理，以实现微弱能量的最大化利用。

2、针对微能量收集供电，现也有一些相关的研究。例如，文献[1]设计了一个专门的能量收集天线及配套的能量管理电路，收集读取器发射的rf信号能量来为一个安装在耳朵内的无线免电池体温传感器供电。文献[2]为连接在承载不同超高电流的工业标准铜母线上的无线温度传感器设计了一个磁压电能量采集器，在电流260a和700a时均能实现电能采集。文献[3]为一个用于实时生理温度监测的0.065-mm3单片集成超声波无线传感器设计了一套微能量收集装置，配合超声波检测探头使用，采用压电换能器收集超声波能量，实现供电。

3、但是，在环境能量十分微弱时，必须先将收集的能量积攒于输入电容中，待输入电容电压达到工作阈值后，才能通过供电电路为微型工作元件供电。微型工作元件得电后将迅速消耗输入电容中的能量，此时供电电路还必须将供电电压维持一段时间，直到微型工作元件完成工作任务。因此，上述电路呈现间歇工作的特点。在上述需求下，已有的适用于微能量收集的供电电路不再适用，主要原因在于供电电路和微型工作元件始终与储能电容相连，处于待机状态，待机消耗的能量大于收集到的能量，使得储能电容电压无法到达工作阈值。因此，需要设计一种待机功耗更小的供电电路及微型工作装置，使得储能电容电压可以达到工作阈值，实现间歇工作。

4、[1]a.rigi,a.j.mugisha,a.arefian,s.r.khan and s.mitra,“wirelessbattery-free body temperature sensing device for key workers,”in ieee sensorsletters,vol.6,no.2,pp.1-4,feb.2022.

5、[2]p.-c.yeh,t.-h.chien,m.-s.hung,c.-p.chen and t.-k.chung,“attachablemagnetic-piezoelectric energy-harvester powered wireless temperature sensornodes for monitoring of high-power electrical facilities,”in ieee sensorsjournal,vol.21,no.9,pp.11140-11154,1may 1,2021.

6、[3]c.shi,t.costa,j.elloian,y.zhang and k.l.shepard,“a0.065-mm3monolithically-integrated ultrasonic wireless sensing mote for real-timephysiological temperature monitoring,”in ieee transactions on biomedicalconverters and systems,vol.14,no.3,pp.412-424,june 2020.

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于微能量收集的供电电路及微型工作装置，其目的在于通过简单的电路结构实现待机功耗最小化，避免电路在待机状态的能量消耗过大导致储能电容电压无法达到工作阈值，微型工作元件无法实现间歇工作。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种适用于微能量收集的供电电路，包括储能模块、升压模块、自启动模块、非线性反馈模块和驱动模块，其中，

3、储能模块包括电容c1，通过电容c1收集环境中的微弱能量；

4、升压模块用于对电容c1的电压vin进行升压后输出电压vout；

5、自启动模块包括二极管d2、二极管d3、电容c4和开关管q4，二极管d2的阳极接电容c1的正极，二极管d3的阳极接升压模块的输出端，二极管d2的阴极和二极管d3的阴极连接且其阴极连接端通过电容c4与开关管q4的输入端连接，开关管q4的输出端接地，开关管q4的控制端受控于阴极连接端的电压，阴极连接端的电压上升至门槛电压时，开关管q4导通；

6、非线性反馈模块包括串联于升压模块输出端和地之间的电阻r2、电阻r3和二极管d4；

7、驱动模块用于接收微控制器发送的驱动信号pwm1并调制成驱动信号pwm2后发送至升压模块以控制升压模块的升压幅度；

8、电容c4两端作为供电端用于为微控制器和微型工作元件供电，电阻r2和电阻r3之间引出采样端用于为微控制器提供采样电压vsample，微控制器用于输出驱动信号pwm1以使采样电压vsample与电压vout的比值趋近于预设比值。

9、在其中一个实施例中，升压模块包括电感l、开关管q3、二极管d1和电容c3，电感l的正极与电容c1的正极相连、负极与二极管d1的阳极以及开关管q3的输入端连接，二极管d1的阴极与电容c1的正极连接，电容c1的正极为升压模块输出端、负极接地，开关管q3的输出端接地、控制端用于接收驱动信号pwm2。

10、在其中一个实施例中，开关管q3为mos管。

11、在其中一个实施例中，驱动模块包括三极管q1和三极管q2，三极管q1的集电极接升压模块的输出端，三极管q2的集电极接地，三极管q1和三极管q2的基极相连并接入驱动信号pwm1，三极管q1和三极管q2的发射极相连并输出调制后的驱动信号pwm2。

12、在其中一个实施例中，驱动模块还包括电容c2和电阻r1，电容c2和电阻r1形成高通滤波器对驱动信号pwm1进行滤波后再输入三极管q1和三极管q2的基极。

13、在其中一个实施例中，开关管q4为mos管。

14、在其中一个实施例中，非线性反馈模块中，电阻r2、电阻r3和二极管d4依次串联于升压模块输出端和地之间。

15、在其中一个实施例中，自启动模块还包括电压监控芯片s1，电压监控芯片s1连接于阴极连接端与开关管q4的控制端之间，用于监控阴极连接端的电压，当阴极连接端的电压上升至门槛电压时，电压监控芯片s1控制开关管q4导通。

16、按照本发明的另一方面，提供了一种微型工作装置，包括微控制器、微型工作元件和上述的适用于微能量收集的供电电路，其中，

17、适用于微能量收集的供电电路的供电端为微控制器和微型工作元件供电，微控制器通过适用于微能量收集的供电电路的采样端获取采样电压vsample，并将采样电压vsample与电压vout的比值与预设比值进行比较后生成驱动信号pwm1并提供给适用于微能量收集的供电电路的驱动模块，通过驱动信号pwm1控制升压模块的升压幅度以使采样电压vsample与电压vout的比值趋近于预设比值。

18、在其中一个实施例中，所述微型工作装置为微型传感装置，所述微型工作元件为微型传感元件。

19、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

20、1、本发明所提的适用于微能量收集的供电电路，设计了特定的自启动模块。传统自启动电路通过控制微控制器的使能脚来启动微型工作元件，但微控制器仍连接在适用于微能量收集的供电电路上，处于待机状态下会不断消耗能量导致储能电容电压无法上升至阈值电压。而本发明设计的自启动模块，在储能电容电压未达到工作阈值时，将直接切断供电回路，使微控制器和微型工作元件处于完全关断状态，避免了待机功耗对储能过程的影响。

21、2、本发明中的自启动模块还具有自维持功能，微控制器启动后储能电容电压将不断下降，此时供电电路将实现升压功能，保证供电电压vout不变。此时由供电电压vout控制开关管q4，始终维持q4导通，微传感器处于得电状态。

22、3、本发明所提的适用于微能量收集的供电电路，还优化了采样结构。传统技术中，微控制器通过adc参考脚连接参考电压，基于参考电压反馈调节供电电压vout以维持电压vout稳定。然而，由于有些微控制器的adc参考脚和供电脚相同，因此adc转换结果无法反映供电电压vout的变化。本发明中，通过串联具有固定导通压降的二极管d4，形成非线性反馈模块，使得adc转换结果能反映供电电压vout的变化，从而能够实现闭环控制。

23、4、进一步地，考虑到直接切断供电回路会导致微控制器输出的驱动信号pwm1产生直流偏置，本发明在驱动模块中设置了由电容c2和电阻r1组成的高通滤波器，可以有效滤除驱动信号中的直流偏置，防止升压模块在供电回路断开时误工作。

24、5、本发明所提的微型工作装置，采用一个微控制器，该微控制器既实现对适用于微能量收集的供电电路的控制，还实现对环境采样信号的处理，提高了系统集成度，降低了电路损耗。