一种多工况适应的射频能量管理电路

本发明属于无线传感，尤其涉及一种多工况适应的射频能量管理电路。特别是一种可吸收环境射频能量，实现多工况适应的射频能量管理电路。

背景技术：

1、射频能量收集是一种技术，用于从环境中的射频信号中捕获能量并将其转换为可用的电能。这种技术可以用于为低功耗设备、传感器和无线通信设备提供能源，减少或消除电池更换的需求，从而提高设备的可持续性和可靠性。

2、考虑到环境中射频能量密度分布不均匀，现存的射频能量收集器无法很好的处理不同位置的能量收集和管理的问题。同时，由于能量收集器的位置不同，接收到的射频能量的强度也有所不同，这就会导致能量转化时元器件的不合理工作状态引起的能量损耗，从而降低了整个能量收集器的工作效率。因此，需要合理的能量管理电路来根据射频信号强度和频率对电路进行调整。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有技术中的问题，提供了一种多工况适应的射频能量管理电路。本发明结合环境射频能量和能量管理技术，提供了一种吸收环境射频能量并实现了不同模式下驱动不同类型的负载，适应多工况的电路。

2、本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种多工况适应的射频能量管理电路，所述电路包括电源管理芯片、储能电容、负载开关1、降压转换器、负载开关2、迟滞比较器、低压差稳压器以及双刀双掷开关；

3、整流天线的输出连接电源管理芯片输入，电源管理芯片自带的阈值管理输出脚pgood连接负载开关1的使能脚，用以控制负载开关1通断；储能电容和负载开关1的输出端连接双刀双掷开关的公共两端口；双刀双掷开关的a侧两端口依次连接整流天线的输出和负载开关2，双刀双掷开关的b侧两端口依次连接电源管理芯片的输出端以及悬空；负载开关1输出同时还连接降压转换器和负载1；降压转换器输出端连接负载开关2和负载2；电源管理芯片通过双刀双掷开关连接到负载开关2，通过电平输出高低控制负载开关2通断；迟滞比较器收到经由负载开关2，从降压转换器来的电压，以此作为参考电压；同时，迟滞比较器的输入端电压来自整流天线输出端，迟滞比较器的输出连接到低压差稳压器的使能端，以此来控制低压差稳压器的工作状态；低压差稳压器的输入来自整流天线输出；负载3的输入来自低压差稳压器的输出端。

4、进一步地，迟滞比较器由运算放大器和6个电阻r1、r2、r3、r4、r5、r6组成；通过合理配置六个电阻的大小可以合理设置迟滞比较器的参考电压，以及输入电压，从而在输出端获得理想的使能信号；参考电压的设置由r3和r4的分压得到，输入电压由r1、r2、r5、r6分压得到；迟滞比较器依靠降压转换器和整流天线的输出来进行工作。

5、进一步地，双刀双掷开关拨到a侧时，电路工作在模式1，双刀双掷开关拨到b侧时，电路工作在模式2。

6、进一步地，所述模式1具体为：双刀双掷开关处于a侧时，储能电容直接接到整流天线的输出端，负载开关2接到负载开关1；电源管理芯片输入来自整流天线输出端，电源管理芯片输出端接到负载开关1；迟滞比较器的输入端电压来自整流天线输出端，迟滞比较器的参考电压来自降压转换器输出，迟滞比较器的输出连接到低压差稳压器的使能端，以此来控制低压差稳压器的工作状态；低压差稳压器的输入来自整流天线输出；低压差稳压器输出端接到负载3。

7、进一步地，所述电路工作在模式1的工作流程具体为：

8、s101：双刀双掷开关开关置于a侧时，整流天线吸收射频能量，为储能电容充能；

9、s102：当电源管理芯片将整流天线输出端电压进行升压后，控制负载开关1的状态，达到负载开关1导通阈值后，负载开关1闭合导通；

10、s103：降压转换器对电源管理芯片输出的电压进行降压，当电源管理芯片输出端达到负载开关2的导通阈值后，负载开关2闭合导通；

11、s104：降压转换器的输出端经负载开关2连接到迟滞比较器，作为参考电压，将参考电压与来自整流天线的输入在迟滞比较器处进行运算，输出使能信号，使能信号传递给低压差稳压器；

12、s105：使能信号为高电平的时候低压差稳压器开始工作，由整流天线提供输入，输出稳定低压电源供给给负载3。

13、进一步地，所述模式2具体为：双刀双掷开关处于b侧时，储能电容接到电源管理芯片的输出端，电源管理芯片输入来自整流天线输出端，电源管理芯片输出端同时还接到负载开关1，负载开关1输出连接到负载1和降压转换器输入端，降压转换器输出连接到负载2。

14、进一步地，所述电路工作在模式2的工作流程具体为：

15、s201：当双刀双掷开关置于位置2时，整流天线吸收射频能量，经由电源管理芯片升压后，为储能电容储能；

16、s202：储能电容电压达到高压放电阈值时，负载开关1导通放电，降压转换器和负载1得电；

17、s203：降压转换器在负载2端口输出合适的电压；

18、s204：当储能电容放电一定时间后，储能电容电势小于负载开关1阈值，负载开关1断开，回到s201。

19、进一步地，所述电路驱动三种不同类型的负载：在模式1下，驱动负载3，在模式2下，驱动负载1和负载2；其中，负载1用于进行无线传感节点工作，负载2是非实时性工作的小型电子设备，负载3是需实时性或非实时性工作的电子设备。

20、本发明具有的有益效果是：

21、(1)共享储能电容：引入共享储能电容有助于提高系统的集成度。共享储能电容允许多个组件之间共享存储能量。这降低了电路的复杂性，减小了整个电路的体积，并提高了能量的有效利用。

22、(2)多种切换和负载输出接口：通过引入两种切换模式和三种负载输出接口，系统提高了工况适应水平。在整个工作过程中，用户可以通过对双刀双掷开关的控制，实现根据不同的工作条件和需求，切换不同的模式和负载输出接口，从而最大程度地提高了能量捕获和供电的灵活性。

23、(3)合理的电源管理：在模式1下，系统使用电源管理芯片和降压稳压器来提供极低功耗的参考电压给迟滞比较器，从而使迟滞比较器和低压差稳压器构建超高效率的能量转换电路。这种设计使能量管理过程更加节能和可靠。

24、(4)机动的电路工作结构：通过双刀双掷开关切换模式，系统可以在不同工作模式之间切换。在模式1下，迟滞比较器和低压差稳压器工作，以最大程度地提高效率。同时，负载开关2关断，迟滞比较器和低压差稳压器失去电源，降低了系统的能量管理损耗，特别是在待机或低负载条件下。

25、本发明所述电路引入了多种创新性的功能，以优化射频能量的捕获、转换和供应。这些功能提高了系统的适应性和效率，减少了能量管理损耗，为各种射频能源的收集应用提供了更可靠的电源管理方案。这种电路的设计可以适用于各种需要长期运行或依赖环境射频能源的应用，如传感器网络、物联网设备和远程监测系统等。

技术特征：

1.一种多工况适应的射频能量管理电路，其特征在于，所述电路包括电源管理芯片、储能电容、负载开关1、降压转换器、负载开关2、迟滞比较器、低压差稳压器以及双刀双掷开关；

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：迟滞比较器由运算放大器和6个电阻r1、r2、r3、r4、r5、r6组成；通过合理配置六个电阻的大小可以合理设置迟滞比较器的参考电压，以及输入电压，从而在输出端获得理想的使能信号；参考电压的设置由r3和r4的分压得到，输入电压由r1、r2、r5、r6分压得到；迟滞比较器依靠降压转换器和整流天线的输出来进行工作。

3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于：双刀双掷开关拨到a侧时，电路工作在模式1，双刀双掷开关拨到b侧时，电路工作在模式2。

4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于：所述模式1具体为：双刀双掷开关处于a侧时，储能电容直接接到整流天线的输出端，负载开关2接到负载开关1；电源管理芯片输入来自整流天线输出端，电源管理芯片输出端接到负载开关1；迟滞比较器的输入端电压来自整流天线输出端，迟滞比较器的参考电压来自降压转换器输出，迟滞比较器的输出连接到低压差稳压器的使能端，以此来控制低压差稳压器的工作状态；低压差稳压器的输入来自整流天线输出；低压差稳压器输出端接到负载3。

5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于：所述电路工作在模式1的工作流程具体为：

6.根据权利要求3所述的电路，其特征在于：所述模式2具体为：双刀双掷开关处于b侧时，储能电容接到电源管理芯片的输出端，电源管理芯片输入来自整流天线输出端，电源管理芯片输出端同时还接到负载开关1，负载开关1输出连接到负载1和降压转换器输入端，降压转换器输出连接到负载2。

7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于：所述电路工作在模式2的工作流程具体为：

8.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：所述电路驱动三种不同类型的负载：在模式1下，驱动负载3，在模式2下，驱动负载1和负载2；其中，负载1用于进行无线传感节点工作，负载2是非实时性工作的小型电子设备，负载3是需实时性或非实时性工作的电子设备。

技术总结
本发明提出一种多工况适应的射频能量管理电路，所述电路包括电源管理芯片、储能电容、负载开关1、降压转换器、负载开关2、迟滞比较器、低压差稳压器以及双刀双掷开关。通过适当地控制双刀双掷开关，可以选择合适的工作模式，以最大程度地优化能量的捕获和利用效率。本发明通过整合多个电源管理组件和控制电路，捕获环境中的射频能量，并将其高效地转化为稳定的电源供应给负载，适用于许多应用领域，包括物联网、传感器网络、可穿戴技术和远程监测等，为未来能源自给自足和绿色能源应用提供了新的可能性。

技术研发人员：张宇峰,刘小强,胡艺凡,李明雪
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4