射頻供能可攜式設備的電源管理模塊的製作方法
2023-05-03 10:05:26
專利名稱：射頻供能可攜式設備的電源管理模塊的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種射頻供能可攜式設備的電源管理模塊，尤其涉及一種利用射頻電能傳輸來提供電源的可攜式電子設備的電源管理模塊。
背景技術：
近來，無線電能傳輸技術的發展提供給了可攜式設備新的電源的來源，其比靠普通電池供電的方案節省成本，也更方便和環保。可攜式電子設備消費類如射頻識別卡 (RFID tag),無線滑鼠，醫療類如無線心電圖監測器(wireless ECG monitor),人工耳蝸都已經達到了低功耗的設計，而這些低功耗的可攜式電子設備為更多的射頻供電的應用提供了廣闊的空間。對可攜式電子設備射頻電能傳輸可以分為高頻模式，超高頻模式，和微波模式。高頻模式是基於高頻無線信號電能傳輸(如13. 56MHz的信號頻率)的技術，即利用一對耦合的電感線圈(coil)通過電感耦合來傳輸能量，工作距離通常是5CM-10CM。超高頻模式是基於超高頻無線信號電能傳輸(如869MHz的信號頻率)的技術，即利用天線(如dipole antenna),通過電磁福射場傳輸能量。微波模式是基於微波無線信號電能傳輸(如2. 45GHz的信號頻率)的技術,也是利用天線的電磁輻射場來傳輸能量，超高頻和微波模式可以實現幾米的工作距離。對可攜式電子設備的無線供電，把高頻模式，超高頻模式，和微波模式結合起來實現寬頻率範圍的多頻帶射頻電能傳輸即可以達到最靈活的距離方案，也可以實現最優的射頻供能的方式。因此，射頻供能可攜式電子設備的一個發展趨勢便是要集成高頻接收模式， 超高頻接收模式，和微波接收模式。要實現寬頻率範圍的多頻帶的射頻電能接收能力，其技術難點是可攜式設備的電源管理模塊要能實時的在上述三種模式中判斷出最佳的電能接收模式，達到最優化的供電效率。比如，當可攜式設備和對應的電能發射端很近時，電源管理模塊會自動判斷並選擇高頻電能接收模式。當可攜式電子設備和電能發射端有一定距離時，電源管理模塊便會自動判斷並選擇超高頻或微波電能接收模式。這就需要在電源管理模塊內部設計一個智能的模式選擇器，其功能是實時的檢測出上述三種接收模式中哪一種能產生最大的電流來驅動負載，並選擇該模式來對可攜式設備的負載電路供電。傳統的用二級管設計的電壓選擇器無法勝任上述模式選擇器的工作，因為每一個二級管都有一個PN結正嚮導通電壓(O. 7V)，而注意到超高頻接收模式和微波接收模式在天線端接收到的電能通常都比較小，即使經後級倍壓整流後的輸出電壓還是在相對小的幅度，再通過模式選擇器的電流通路上如果還要減去一個PN結導通電壓，將很可能導致電源管理模塊無法提供可攜式設備所需的正常工作電壓，同時也會引入額外功耗的浪費。
發明內容
本發明提供了一種射頻供能可攜式設備的電源管理模塊，在電源管理模塊內部設計一個模式選擇器，其功能是實時的檢測出上述三種接收模式中哪一種能產生最大的電流來驅動負載，並選擇該模式來對可攜式設備的負載電路供電。本發明的技術方案是一種射頻供能可攜式設備的電源管理模塊，包括向負載電路提供電能的寬頻率範圍的多頻帶射頻電能接收電路，所述的接收電路包括高頻接收電路，用於接收高頻無線信號電能；超高頻接收電路，用於接收超高頻無線信號電能；微波接收電路，用於接收微波無線信號電能；所述的電源管理模塊中還包括模式選擇器，所述的模式選擇器的三個輸入端分別連接所述的高頻接收電路、超高頻接收電路、微波接收電路的輸出端，所述模式選擇器的輸出端與負載電路連接，用於擇一的將所述的高頻無線信號電能、超高頻無線信號電能或微波無線信號電能傳送到負載電路。所說的擇一，通常是指由模式選擇器在接收到的三個直流電壓中，通過電壓比較器選出最高的電壓，並僅選擇該最高電壓的接收模式來驅動負載電路，實現最佳的供電效率。作為優選，所述的高頻接收電路包括線圈電感，與所述的線圈電感連接的整流器，所述整流器的正端作為輸出端；所述的超聞頻接收電路包括第一天線，與所述第一天線相連的第一倍壓整流器，所述第一倍壓整流器的正端作為輸出端；所述的微波接收電路包括第二天線，與所述第二天線相連的第二倍壓整流器，所述第二倍壓整流器的正端作為輸出端。所述的模式選擇器包括第一可控電路，其輸入端連接所述的整流器的輸出端；第二可控電路，其輸入端連接所述的第一倍壓整流器的輸出端；第三可控電路，其輸入端連接所述的第二倍壓整流器的輸出端；第一傳感電阻，其一端連接所述的第一可控電路的輸出端，其另一端連接所述的負載電路；第二傳感電阻，其一端連接所述的第二可控電路的輸出端，其另一端連接所述的負載電路；第三傳感電組，其一端連接所述的第三可控電路的輸出端，其另一端連接所述的負載電路；控制單元，其三個輸入端分別連接所述的第一可控電路、第二可控電路、第三可控電路的輸出端，其三個輸出端分別連接所述的第一可控電路、第二可控電路、第三可控電路的控制端。更進一步的，所述的第一可控電路，第二可控電路，第三可控電路均由第一 PMOS 電晶體、第二 PMOS電晶體、第一 NMOS電晶體組成，所述的第一 PMOS電晶體的源極作為該可控電路的輸入端，柵極接第二 PMOS電晶體的漏極和第一 NMOS電晶體的漏極，漏極連接第二 PMOS電晶體的源極，並作為該可控電路的輸出端，所述的第一 NMOS電晶體的柵極連接第二PMOS電晶體的柵極並作為該可控電路的控制端，所述的第一 NMOS電晶體的源極接地。上述技術方案可以用CMOS工藝設計實現，該技術方案的特點是，根據所述的第一可控電路、第二可控電路或第三可控電路的控制端電平的高低來切換第一 PMOS電晶體作為MOS 二級管導通還是作為MOS開關管導通，此電路的另一個特點是作為輔助MOS開關的第二 PMOS電晶體和第一 NMOS電晶體都不在該可控電路從輸入到輸出的電流通路上，所以其線性區的導通電阻不用很小，因此第二 PMOS電晶體和第一 NMOS電晶體都可以用相對小的電晶體尺寸比例來設計，可以省相應的集成電路版圖面積。作為優選，所述的整流器為橋式全波整流器。更進一步的，所述的橋式全波整流器，包括交叉耦合的PMOS電晶體P41、PM0S電晶體P42，以MOS 二極體方式連接的PMOS電晶體P43、PMOS電晶體P44。輸入的射頻交流信號的輸入波形的正、負兩部份可以轉換為同一極性，在其輸出濾波電容上產生一個直流電壓，該整流器可以很好的工作在高頻無線信號頻率。作為優選，所述的第一倍壓整流器或第二倍壓整流器包括至少兩個全波整流器，至少所述的一個全波整流器其輸入端與所述相應的第一天線連接或第二天線連接，至少所述的一個全波整流器的輸入帶有兩個倍壓電容與所述相應的第一天線連接或第二天線連接，至少所述的兩個全波整流器的輸出端串聯後作為本級電路的輸出端。更進一步的，所述的全波整流器包括交叉耦合的PMOS電晶體P51、PMOS電晶體P52，交叉耦合的NMOS電晶體N51、NMOS 電晶體N52組成了差分驅動的全波整流器。該電路組成了差分驅動的一級全波整流器，通過級連幾級該全波整流器和加入倍壓電容，就可以實現類似電荷泵的倍壓功能，輸入的射頻交流信號經交流到直流轉換和倍壓可以在其輸出濾波電容的正級產生一個直流電壓，這種倍壓整流器通常工作在超高頻或微波無線信號頻率。作為另一種優選方案，所述的整流器的輸出端與模式選擇器的輸入端之間串聯第一開關電路、第二開關電路，所述的第一開關電路和第二開關電路的連接端經充電電池接地，所述的第一開關電路、第二開關電路的控制端分別接所述模式選擇器的兩個輸出端。通過該方案，由模式選擇器中的控制單元根據實時的環境，確定第一開關電路、第二開關電路的工作狀態，如果打開第一開關電路，關閉第二開關電路則僅對充電電池充電， 如果同時打開第一開關電路和第二開關電路，則高頻接收電路的整流器即可對充電電池充電，也可對負載電路供電，這取決於負載電路的需求和接收到的電能的能量，如果接收到的電能的能量較弱，而充電電池的電量較足，則可關閉第一開關電路，打開第二開關電路，同理模式選擇器還可根據超高頻接收電路接收到的超高頻無線信號電能，以及微波接收電路接收到的微波無線信號電能來實時確定最佳的向負載電路供電的方式。這樣便可大大延長可攜式設備靠充電電池維持的待機時間，從而延長該設備的整體工作時間。本發明一種射頻供能可攜式設備的電源管理模塊，具有使得可攜式電子設備具備了寬頻率範圍的多頻帶射頻電能接收能力，達到了最靈活的射頻供能的距離方案。其電源管理模塊能自己優選出最佳的電能接收模式來給所帶負載供電，實現最優的供電效率的有益效果。更重要的是該電源管理模塊中的模式選擇器避免了選擇通路上的電壓損耗，使得 超高頻電能接收或微波電能接收模式在低壓能得以正常工作，還避免了功耗的浪費。同時， 對於內置充電電池的可攜式電子設備，應用本發明也能提高其待機時間，從而大大延長該 電子設備的整體工作時間。
圖1為本發明射頻供能可攜式設備的電源管理模塊的電原理框圖。圖2為本發明包括具體接收電路的電原理框圖。圖3為本發明模式選擇器的電原理框圖。圖4為本發明橋式全波整流器的電原理圖。圖5為本發明倍壓整流器的電原理圖。圖6為本發明含充電電池的電原理框圖。
具體實施例方式現結合附圖對本發明作進一步的說明如圖1所示，本發明射頻供能可攜式設備的電源管理模塊包括高頻接收電路11、 超高頻接收電路12、微波接收電路13、模式選擇器2、負載電路3，高頻接收電路11、超高頻 接收電路12、微波接收電路13的輸出端分別連接模式選擇器2的輸入端，模式選擇器2的 輸出端連接負載電路3，模式選擇器2具有擇一的選通高頻接收電路11、超高頻接收電路12 或微波接收電路13中的任一電路。如圖2所示，高頻接收電路11包括線圈電感111，與線圈電感111連接的整流器， 整流器的正端作為輸出端，負端接地；超高頻接收電路12包括第一天線121，與第一天線 121相連的第一倍壓整流器，第一倍壓整流器的正端作為輸出端，負端接地；微波接收電路 13包括第二天線131，與第二天線131相連的第二倍壓整流器，第二倍壓整流器的正端作 為輸出端，負端接地，其它同圖1。如圖3所示，模式選擇器2包括第一可控電路21，其輸入端IN21連接整流器的輸 出端；第二可控電路22，其輸入端IN22連接第一倍壓整流器的輸出端；第三可控電路23， 其輸入端IN23連接第二倍壓整流器的輸出端；第一傳感電阻R21,其一端連接第一可控電 路21的輸出端，其另一端連接負載電路3 ;第二傳感電阻R22，其一端連接第二可控電路22 的輸出端，其另一端連接負載電路3 ;第三傳感電組R23，其一端連接第三可控電路23的輸 出端，其另一端連接負載電路3;控制單元，其三個輸入端分別連接第一可控電路21、第二 可控電路22、第三可控電路23的輸出端，其三個輸出端分別連接所述的第一可控電路21、 第二可控電路22、第三可控電路23的控制端S1、控制端S2、控制端S3。第一可控電路21， 第二可控電路22，第三可控電路23電路原理相同，現以第一可控電路21為例，由第一 PM0S 電晶體P1、第二 PM0S電晶體P2、第一 NM0S電晶體N1組成。第一 PM0S電晶體P1的源極作 為該可控電路的輸入端IN21，柵極接第二 PM0S電晶體P2的漏極和第一 NM0S電晶體N1的 漏極，漏極連接第二 PM0S電晶體P2的源極，並作為該可控電路的輸出端，第一 NM0S電晶體 N1的柵極連接第二 PM0S電晶體P2的柵極並作為該可控電路的控制端，第一 NM0S電晶體 N1的源極接地。
第二可控電路22中，用第一 PMOS電晶體P21代替第一 PMOS電晶體P1，第二 PMOS 電晶體P22代替第二 PMOS電晶體P2，第一 NMOS電晶體N21代替第一 NMOS電晶體NI即可， 其他電路原理相同。第三可控電路23中，用第一 PMOS電晶體P31代替第一 PMOS電晶體P1，第二 PMOS 電晶體P32代替第二 PMOS電晶體P2，第一 NMOS電晶體N31代替第一 NMOS電晶體NI即可， 其他電路原理相同。在初始狀態，控制單元輸出SI、S2、S3均為「O」，所以第一可控電路21，第二可控電路22，和第三可控電路23中的第二 PMOS電晶體P2，P22，P32都導通，第一 NMOS電晶體NI， N21，N31都截止，此時第一 PMOS電晶體Pl，P21，P31都工作於MOS 二極體狀態，這時就等效為三個輸入並聯，輸出都相連的二級管。三個可控電路輸入直流電壓中最大的一個會以 MOS 二極體正嚮導通的方式快速導通該可控電路，其驅動負載電路的電流最大，該可控電路的導通，會把模式選擇器的輸出鉗位在所述最大輸入直流電壓減去一個MOS 二級管正嚮導通壓降(約為上述第一 PMOS電晶體的閾值電壓)的幅值，這樣其餘兩個可控電路則沒有足夠的正向偏置電壓來使其MOS 二級管正嚮導通，其驅動負載電路的電流相對很小。在所述初始狀態，模式選擇器選出了帶負載能力最強的輸入直流電壓來驅動負載電路，也就是選定了產生該直流電壓的電能接收電路。在接下來的第二狀態，傳感電阻R21，傳感電阻R22，傳感電阻R23兩端的壓差傳輸給控制單元。三個傳感電阻的阻值可以很小但必須相同，壓差的大小可以被控制單元非常容易的識別，比如通過簡單的比較電路。所述傳感電阻兩端壓差最大的來自於上述以MOS 二級管正嚮導通的可控電路，因為其輸出的電流最大。這樣，控制單元便可將產生最大壓差的可控電路的控制端設為「1」，使該可控電路中的第二 PMOS電晶體截止，第一 NMOS電晶體導通，此時第一 PMOS電晶體工作為MOS開關的線性導通狀態，而初始狀態產生的MOS 二級管正嚮導通壓降便可被去除，該可控電路輸入到其輸出的電流通路便實現了微壓降損耗的通路，也具備了更高效的驅動負載電路的效果。而其餘兩個可控電路的控制端保持為「0」， 其仍然保持在MOS 二級管的工作狀態。在所述第二狀態，模式選擇器去除了其輸入到輸出電流通路上的MOS 二級管正嚮導通壓降，增強了選定的電能接收電路對負載電路的驅動能力。綜上可見，通過第一可控電路21、第二可控電路22、第三可控電路23和其後級傳感電阻R21，傳感電阻R22，傳感電阻R23，配以一個簡單的控制單元，就可以自動在高頻電能接收模式、超高頻電能接收模式和微波電能接收模式中選擇出最高效接收模式的來對負載電路3供電。更重要的是，當電源管理模塊選擇超高頻頻接收電路或微波接收電路接收模式為有效接收模式時，其相關的第一倍壓整流器，第二倍壓整流器的輸出直流電壓比較小，上述可控電路的輸入到其輸出的電流通路微壓降損耗的特點可以保證在低電壓狀況下對負載電路的正常供壓驅動。同理，第一可控電路21、第二可控電路22、第三可控電路23和其後級傳感電阻 R21，傳感電阻R22，傳感電阻R23中的任意一個或兩個都可以按照上述的工作原理來工作， 只需在控制單元中作小小的改動便可。如圖4所示，高頻接收電路11中整流器採用橋式全波整流器，其包括交叉耦合的 PMOS電晶體P41、PM0S電晶體P42，以MOS 二極體方式連接的PMOS電晶體P43、PM0S電晶體P44，輸出端0ut4+，0ut4-的兩端接濾波電容C4，輸入端為In4+，In4_，和電感線圈111連接。如圖5所示，第一倍壓整流器和第二倍壓整流器電原理相同，以其中的一個倍壓整流器為例，其由電路結構基本相同的全波整流器1221和全波整流器1222串聯組成，全波整流器1221包括交叉耦合的PMOS電晶體P51、PMOS電晶體P52，交叉耦合的NMOS電晶體N51、NM0S電晶體N52組成了差分驅動的全波整流器。全波整流器1222包括交叉耦合的 PMOS電晶體P511、PMOS電晶體P521，交叉耦合的NMOS電晶體N511、NMOS電晶體N521，及兩個電容C511和電容C521組成了差分驅動的全波整流器。全波整流器1221其差分輸入端In5+，In5-與第一天線121連接，全波整流器1222其差分輸入端In5+，In5_經倍壓電容C511和倍壓電容C521與第一天線121連接，兩個全波整流器的輸出端串聯後作為本級電路的輸出端0ut5+，0ut5-，輸出端的兩端接濾波電容C5。如圖6所示，整流器的輸出端與模式選擇器的輸入端之間串聯第一開關電路K61、 第二開關電路K62，第一開關電路K61和第二開關電路K62的連接端經充電電池E63接地， 第一開關電路K61、第二開關電路K62的控制端分別接模式選擇器3的兩個輸出端，其它同圖2。該電路可以滿足了一些要求靠充電電池維持較長的待機時間的可攜式設備(如無線滑鼠)。
權利要求
1.一種射頻供能可攜式設備的電源管理模塊，包括向負載電路提供電能的寬頻率範圍的多頻帶射頻電能接收電路，其特徵是，所述的接收電路包括高頻接收電路，用於接收高頻無線信號電能；超高頻接收電路，用於接收超高頻無線信號電能；微波接收電路，用於接收微波無線信號電能；所述的電源管理模塊中還包括模式選擇器，所述的模式選擇器的三個輸入端分別連接所述的高頻接收電路、超高頻接收電路、微波接收電路的輸出端，所述模式選擇器的輸出端與負載電路連接，用於擇一的將所述的高頻無線信號電能、超高頻無線信號電能或微波無線信號電能傳送到負載電路。
2.如權利要求I所述的射頻供能可攜式設備的電源管理模塊，其特徵是所述的高頻接收電路包括線圈電感，與所述的線圈電感連接的整流器，所述整流器的正端作為輸出端；所述的超聞頻接收電路包括第一天線，與所述第一天線相連的第一倍壓整流器，所述第一倍壓整流器的正端作為輸出端；所述的微波接收電路包括第二天線，與所述第二天線相連的第二倍壓整流器，所述第二倍壓整流器的正端作為輸出端。
3.如權利要求2所述的射頻供能可攜式設備的電源管理模塊，其特徵是，所述的模式選擇器包括第一可控電路，其輸入端連接所述的整流器的輸出端；第二可控電路，其輸入端連接所述的第一倍壓整流器的輸出端；第三可控電路，其輸入端連接所述的第二倍壓整流器的輸出端；第一傳感電阻，其一端連接所述的第一可控電路的輸出端，其另一端連接所述的負載電路；第二傳感電阻，其一端連接所述的第二可控電路的輸出端，其另一端連接所述的負載電路；第三傳感電組，其一端連接所述的第三可控電路的輸出端，其另一端連接所述的負載電路；控制單元，其三個輸入端分別連接所述的第一可控電路、第二可控電路、第三可控電路的輸出端，其三個輸出端分別連接所述的第一可控電路、第二可控電路、第三可控電路的控制端；其中，所述的第一可控電路，第二可控電路，第三可控電路均由第一 PMOS電晶體、第二 PMOS電晶體、第一 NMOS電晶體組成，所述的第一 PMOS電晶體的源極作為該可控電路的輸入端，柵極接第二 PMOS電晶體的漏極和第一 NMOS電晶體的漏極，漏極連接第二 PMOS電晶體的源極，並作為該可控電路的輸出端，所述的第一 NMOS電晶體的柵極連接第二 PMOS電晶體的柵極並作為該可控電路的控制端，所述的第一 NMOS電晶體的源極接地。
4.如權利要求2或3所述的射頻供能可攜式設備的電源管理模塊，其特徵是，所述的整流器為橋式全波整流器。
5.如權利要求4所述的射頻供能可攜式設備的電源管理模塊，其特徵是，所述的橋式全波整流器，包括交叉耦合的PMOS電晶體P41、PM0S電晶體P42，以MOS 二極體方式連接的PMOS電晶體 P43、PM0S 電晶體 P44。
6.如權利要求2或3所述的射頻供能可攜式設備的電源管理模塊，其特徵是，所述的第一倍壓整流器或第二倍壓整流器包括至少兩個全波整流器，至少所述的一個全波整流器其輸入端與所述相應的第一天線連接或第二天線連接，至少所述的一個全波整流器的輸入帶有兩個倍壓電容與所述相應的第一天線連接或第二天線連接，至少所述的兩個全波整流器的輸出端串聯後作為本級電路的輸出端。
7.如權利要求6所述的射頻供能可攜式設備的電源管理模塊，其特徵是，所述的全波整流器包括交叉耦合的PMOS電晶體P51、PMOS電晶體P52，交叉耦合的NMOS電晶體N51、NMOS電晶體N52組成了差分驅動的全波整流器。
8.如權利要求5所述的射頻供能可攜式設備的電源管理模塊，其特徵是，所述的第一倍壓整流器或第二倍壓整流器包括至少兩個全波整流器，至少所述的一個全波整流器其輸入端與所述相應的第一天線連接或第二天線連接，至少所述的一個全波整流器的輸入帶有兩個倍壓電容與所述相應的第一天線連接或第二天線連接，至少所述的兩個全波整流器的輸出端串聯後作為本級電路的輸出端。
9.如權利要求8所述的射頻供能可攜式設備的電源管理模塊，其特徵是，所述的全波整流器包括交叉耦合的PMOS電晶體P51、PMOS電晶體P52，交叉耦合的NMOS電晶體N51、NMOS電晶體N52，組成了差分驅動的全波整流器。
10.如權利要求2或3所述的射頻供能可攜式設備的電源管理模塊，其特徵是所述的整流器的輸出端與模式選擇器的輸入端之間串聯第一開關電路、第二開關電路，所述的第一開關電路和第二開關電路的連接端經充電電池接地，所述的第一開關電路、第二開關電路的控制端分別接所述模式選擇器的兩個輸出端。
全文摘要
本發明公開了一種射頻供能可攜式設備的電源管理模塊，包括向負載電路提供電能寬頻率範圍的多頻帶射頻電能接收電路，接收電路包括高頻接收電路，超高頻接收電路，微波接收電路；電源管理模塊中還包括模式選擇器，模式選擇器的三個輸入端分別連接高頻接收電路、超高頻接收電路、微波接收電路的輸出端，模式選擇器的輸出端與負載電路連接，用於擇一的將高頻無線信號電能、超高頻無線信號電能或微波無線信號電能傳送到負載電路。本發明能使可攜式電子設備具備寬頻率範圍的多頻帶射頻電能接收能力，其電源管理模塊能自己優選出最佳的電能接收模式來給所帶負載供電，減小了選擇通路上的電壓損耗，並實現了優化的供電效率。
文檔編號H02J17/00GK102611207SQ20121006613
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月14日 優先權日2012年3月14日
發明者鄒磊 申請人:鄒磊