物聯(lián)網(wǎng)末端低功耗節(jié)點(diǎn)射頻供能裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于能量轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種物聯(lián)網(wǎng)末端低功耗節(jié)點(diǎn)射頻供能裝 置。
【背景技術(shù)】
[0002] 物聯(lián)網(wǎng)末端低功耗節(jié)點(diǎn)在解決特定場(chǎng)合，如環(huán)境監(jiān)測(cè)、氣候變化、森林監(jiān)測(cè)、防火 檢測(cè)等方面有著不可替代的優(yōu)勢(shì)，然而節(jié)點(diǎn)的能耗和能量供應(yīng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用發(fā)展中最 大的障礙和亟待解決的問(wèn)題。
[0003] 目前，物聯(lián)網(wǎng)末端節(jié)點(diǎn)供能主要依靠電池，部分輔助使用太陽(yáng)能的形式。物聯(lián)網(wǎng)末 端節(jié)點(diǎn)部署存在數(shù)量大，部署位置不易維護(hù)等特點(diǎn)，電池供電受電池本身壽命影響，一段時(shí) 間之后就會(huì)耗盡，節(jié)點(diǎn)生命周期有限，不能長(zhǎng)時(shí)間維持末端網(wǎng)絡(luò)的正常工作。同時(shí)，廢電池 留置自然環(huán)境中，會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。太陽(yáng)能一般通過(guò)兩種形式對(duì)于節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供能，即太陽(yáng) 能光發(fā)電和太陽(yáng)能熱發(fā)電。通過(guò)太陽(yáng)能板對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行充電，其缺點(diǎn)主要是能量密度低、轉(zhuǎn)換 效率低、間歇性工作、受光照環(huán)境因素影響大、地域依賴性強(qiáng)，且晶體娃電池的制造過(guò)程高 污染，高能耗?，F(xiàn)有聯(lián)網(wǎng)末端節(jié)點(diǎn)的供能方式限制了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用和深度拓展，亟 需一種新的綠色的物聯(lián)網(wǎng)末端節(jié)點(diǎn)供能方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種物聯(lián)網(wǎng)末端低功耗節(jié)點(diǎn)射頻供 能裝置，利用自然空間中的豐富射頻資源，實(shí)現(xiàn)將射頻資源轉(zhuǎn)化為電能，為低功耗節(jié)點(diǎn)供 能。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種物聯(lián)網(wǎng)末端低功耗節(jié)點(diǎn)射頻供能裝置，包括： 射頻匹配電路、倍壓整流電路及穩(wěn)壓電路；射頻匹配電路用于匹配環(huán)境中存在的射頻信 號(hào)；倍壓整流電路用于將匹配后的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電源，穩(wěn)壓電路用于對(duì)直流電源進(jìn) 行穩(wěn)壓；
[0006] 射頻匹配電路采用L型匹配電路，由電容Cl和電感Ll組成，電容Cl與電感Ll串 聯(lián)，電容Cl用于連接頻率源，電感Ll用于接地。
[0007] 倍壓整流電路包括肖恩特二極管、電容C和NMOS管，用于通過(guò)肖恩特二極管的導(dǎo) 通對(duì)電容C充放電，供后級(jí)電容不斷累積電荷W升高電壓。
[0008] 進(jìn)一步，穩(wěn)壓電路由差分放大器和源級(jí)跟隨器組成兩極放大器，用于形成反饋電 路，使電路處于深度反饋狀態(tài)，將基準(zhǔn)參考電壓與輸出電壓進(jìn)行比較，最終使輸出電壓與基 準(zhǔn)源參考電壓相同。
[0009] 進(jìn)一步，穩(wěn)壓電路包括啟動(dòng)電路、基準(zhǔn)核屯、電路、差放和后級(jí)驅(qū)動(dòng)；
[0010] 啟動(dòng)電路與基準(zhǔn)核屯、電路電連接，用于使工作在零狀態(tài)的電路轉(zhuǎn)入正常工作狀 態(tài)；
[0011] 基準(zhǔn)核屯、電路與差放和后級(jí)驅(qū)動(dòng)連接，用于基于CMOS管的亞闊值特性進(jìn)行零溫 度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓輸出。 陽(yáng)01引 進(jìn)一步，啟動(dòng)電路包括：NMOS管和PMOS管；其中，MOS陽(yáng)Tl,MOS陽(yáng)T2和MOS陽(yáng)T3用 于保證電路工作在正常狀態(tài)，當(dāng)電路正常工作，MOS陽(yáng)Tl和MOS陽(yáng)T2的柵極電壓為低電壓， 當(dāng)反相輸入電壓，M0SFET3管的柵極電壓為高壓，M0SFET3關(guān)閉。 陽(yáng)01引 基準(zhǔn)核屯、電路包括：NMOS管和PMOS管；其中，MOS陽(yáng)巧，MOS陽(yáng)T7, MOS陽(yáng)T6， MOS陽(yáng)T8, MOS陽(yáng)T4, MOS陽(yáng)T9 W及電阻組成PTAT電流源；其中，MOS陽(yáng)巧，MOS陽(yáng)T6, MOS陽(yáng)T7， MOS陽(yáng)T8組成的電路用于提高電源抑制比。
[0014] 差放和后級(jí)驅(qū)動(dòng)包括：NM0S管和PMO管；其中，MOS陽(yáng)T12, MOS陽(yáng)T13組成串聯(lián)電 阻，用于將輸出電壓取樣輸入到M0SFET10管的柵極，差放包括PMOS和NMOS有源負(fù)載；
[0015] 還包括基準(zhǔn)電路，基準(zhǔn)電路是由MOS陽(yáng)T10, MOS陽(yáng)T11，MOS陽(yáng)T12組成。
[0016] 進(jìn)一步，將T型匹配電路替換為L(zhǎng)型匹配電路、n型匹配電路、混合型匹配電路、 單分支匹配電路和雙分支匹配電路中的任意一種匹配電路。
[0017] 進(jìn)一步，將倍壓整流電路中的二級(jí)管替換為MOS管。
[0018] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：不需要射頻發(fā)射源，直接將環(huán)境中存在的 射頻信號(hào)（如GSM900，GSM1800，WIFI信號(hào)等）轉(zhuǎn)換為直流電源供物聯(lián)網(wǎng)末端的低功耗節(jié)點(diǎn) 工作，不受環(huán)境地域限制，是一個(gè)無(wú)污染，不需要消耗任何有償資源的可再生的綠色能源。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1為本發(fā)明物聯(lián)網(wǎng)末端低功耗節(jié)點(diǎn)射頻供能裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
[0020] 圖2為本發(fā)明物聯(lián)網(wǎng)末端低功耗節(jié)點(diǎn)射頻供能裝置射頻匹配電路及倍壓整流電 路的電路圖；
[0021] 圖3為本發(fā)明物聯(lián)網(wǎng)末端低功耗節(jié)點(diǎn)射頻供能裝置的穩(wěn)壓電路的電路圖；
[0022] 圖4為本發(fā)明物聯(lián)網(wǎng)末端低功耗節(jié)點(diǎn)射頻供能裝置穩(wěn)壓電路中差放和后級(jí)驅(qū)動(dòng) 的電路圖；
[0023] 圖5為級(jí)聯(lián)MOS管倍壓整流電路的電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖所示的各實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，運(yùn)些 實(shí)施方式并非對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)運(yùn)些實(shí)施方式所作的功能、方法、 或者結(jié)構(gòu)上的等效變換或替代，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[00巧]參圖1所示，本實(shí)施例提供了一種物聯(lián)網(wǎng)末端低功耗節(jié)點(diǎn)射頻供能裝置，包括：射 頻匹配電路10、倍壓整流電路20及穩(wěn)壓電路30 ;射頻匹配電路10用于匹配環(huán)境中存在的 射頻信號(hào)，倍壓整流電路20用于將匹配后的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電源，穩(wěn)壓電路30用于對(duì) 所述直流電源進(jìn)行穩(wěn)壓。 陽(yáng)0%] 整流電路作為整個(gè)射頻轉(zhuǎn)換電路的核屯、部分，其性能直接影響到整個(gè)的工作效 率，所W必須考慮整流效率，整流電路的輸入阻抗，W及整流電路的驅(qū)動(dòng)能力?？紤]到W上 的因素，本實(shí)施例采用基于肖恩特二極管的整流電路輸出電壓原理進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，參圖2 所示的倍壓整流電路電路圖。
[0027] 參圖2所示，射頻匹配電路10采用L型匹配電路，包括：電容（Cl = 0.27pF)，電 感（LI = 5. 35nH)組成，將電容和電感串聯(lián)在一起，并將電容接于左側(cè)的頻率源，電感接地。 在輸入的信號(hào)是2. 4GHZ的情況下，最左側(cè)的Cl和Ll構(gòu)成匹配電路，使得與輸出的的阻抗 匹配，提高匹配電路的能量吸收能力。
[0028] 參圖2所示，倍壓整流電路20包括：肖恩特二極管化SMS2850)和電容（C = 15化巧和NMOS管（型號(hào)：TPN2R703化)，整流電路是通過(guò)二極管的導(dǎo)通對(duì)電容充放電，后級(jí) 電容不斷累積電荷來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓的升高，匹配電路與后面的整流倍壓電路相連。整流電路的 輸出是通過(guò)二極管的導(dǎo)通對(duì)電容充放電，后級(jí)電容不斷累積電荷來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓的升高，W單 級(jí)整流器（PIN1，PIN2, D1，D2)來(lái)分析，在輸入的信號(hào)是正半周時(shí)，二極管PINl導(dǎo)通，PIN2 截止，電流經(jīng)過(guò)PIN 1對(duì)Cl充電，將電容PCl上的電壓充到接近輸入的峰值，并基本保持不 變。在輸入信號(hào)是負(fù)半周時(shí)，二極管PIN2導(dǎo)通，PINl截止，此時(shí)，Cl上的電壓值與輸入信號(hào) 電壓進(jìn)行串聯(lián)疊加，將電容C2充電，且電容上電壓是輸入電壓的二倍，所W稱為二倍壓。
[0029] 右側(cè)部分整流電路還包含兩部分電路：電荷累和泄流電路。
[0030] 電荷累的級(jí)數(shù)N視輸出電壓與輸入電壓的差值而定，還跟所選的二極管和存儲(chǔ)電 容的參數(shù)有關(guān)。
[0031] 泄流電路：當(dāng)泄流電路兩端的電壓差超過(guò)一定的值時(shí)，流過(guò)二極管的電流在分壓 電阻上產(chǎn)生的電壓輸入到泄流MOS管的柵極，使得泄流MOS管導(dǎo)通后，對(duì)高低輸入電壓進(jìn)行 泄流，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的效果。
[0032] 由于高階倍壓整流電路在帶負(fù)載時(shí)，會(huì)出現(xiàn)輸出電壓的幅度跌落，假設(shè)輸出電流 為I，每個(gè)電容的容量相同為C，交流電源頻率為f，則電壓的跌落為：
[0034] 輸出電壓波紋為：
[0035] 因此，在輸出端適合的電壓和電流的情況下，適合的輸出的N階倍壓整流電流為：
[0036]
[0037] 對(duì)于電容的選擇，為了保障Cl可靠的工作，其耐壓性選擇應(yīng)大于兩倍的電源電 壓。
[0038] 由于環(huán)境中的射頻信號(hào)會(huì)發(fā)生變化，使得整流電路流出的直流電壓幅度波動(dòng)太 大，容易超出后續(xù)電路的工作電壓范圍，導(dǎo)致工作狀態(tài)不穩(wěn)定，甚至導(dǎo)致元器件燒毀，為了 使得輸出電壓恒定，利用電路調(diào)整使得輸出電壓穩(wěn)定。即在整流電路之后加一個(gè)基準(zhǔn)穩(wěn)壓 電路（穩(wěn)壓電路30)，為后面的電路提供一個(gè)穩(wěn)定的工作電壓。
[0039] 傳統(tǒng)的低壓差線性穩(wěn)壓器包括四部分：基準(zhǔn)電壓源，誤差放大器，反饋網(wǎng)絡(luò)，功率 管