用于传感器节点的能量收集和控制的制作方法_3

文档序号:8449375阅读:来源:国知局

[006引无线发射器电路322可W被配置用于亚毫瓦(mW)操作,诸如在DPM330的控制下 被周期性操作或者W其他方式被使能或禁用,避免了需要一个或多个大的离散存储段或滤 波电容器。无线发射器电路322可W使用诸如二进制FSK炬FSK)的频移键控(FSK)调制W 便提供大约200千比特每秒化bps)的传输速率,或使用一个或多个其他调制技术、工作频 率范围或数据速率。
[0063] 在说明性示例中,无线发射器电路322可W包括倍频发射器结构,W便通过使本 地振荡器(L0)工作在指定载波频率的大约1/9处来降低合成器功率。例如,可W使用级联 环形振荡器生成等间距的沿(edge),W驱动沿组合器巧C)嵌入式功率放大器(PA),W执行 该样的倍频。按该种方式,该样的倍频可W提供来自晶体振荡器的谐波注入锁定。该样的 技术无需使用锁相环(P化),而是将低频环形振荡器注入锁定到片上晶体参考。与基于化L 的方法相比,该样的注入锁定可W提供快速稳定时间,诸如允许对无线发射器电路322采 取积极的占空比。
[0064] 使用单相参考将多相环形振荡器直接注入锁定可导致显著的失配。反之,可W使 用级联多相注入锁定方案来校正相位和振幅失配。可W通过拖拉石英参考时钟来提供片上BFSK调制。例如,通过调制负载电容器,可W将晶体频率拖拉约百万分之(ppm)200。在该 说明性示例中,在9x倍频之后,无线发射器电路可W被提供大约100曲Z的频率偏移,并且 可W提供比100化PS更大的无线信息传输速率。
[00化]在说明性示例中,无线发射器电路322在W大约200化PS的传输速率传输时可消 耗大约160yW。如图11A和11B的说明性示例中所示,在流数据传输模式中,无线发射器电 路322可W100%的占空比运行。在诸如R波至R波提取模式的另一模式(诸如对应于不 同的能量消耗水平)中,无线发射器电路322可被周期性操作(化ty-cycled)。该样的周 期性操作可W将对应于约190nW的功率损耗的无线发射器电路322的功率消耗降低至大约 0.013%。打包器可W被配置为提供可编程的或者指定的数据包头和循环冗余校验(或者 其他检错或纠错),W便为通常可获得的接收器电路提供兼容性。
[0066] 图4A大体上示出诸如传感器节点的系统的一部分的说明性示例400,其可W包括 无线接收器电路440 (例如,整流电路)或转换器电路438 (例如,升压转换器)。转换器电 路438可被禪合到TEG414A或可W是可禪合到TEG414A的。转换器电路438可W提供禪 合到诸如传感器节点的系统的其他部分的输出436A(例如,VemsT),诸如图1至3或其他地 方的示例中所示。例如,可朗尋复位产生电路496禪合到输出436A,W便响应于监视在输出 436A处提供的电压而产生或禁止加电复位(POR)。
[0067] TEG通常由串联的热电堆构造而成,诸如被配置为,针对指定尺寸(例如,面积)提 供由跨TEG414A的指定温差而建立的电压。例如,通常可获得的热偶(例如,蹄化饿)的 塞贝克系数(Seebeckcoefficient)可W是大约±0.2毫伏(mV)每摄氏度(mV/°C)。
[0068] 对于约rC的指定温度梯度,1X1厘米(cm)的TEG通常可W提供远小于IV。该样 的温度梯度可由于TEG414A附近的环境而被进一步减小。例如,TEG414A周围的空气可提 供大的热阻抗,该热阻抗可W显著减小跨所述热电堆的有效温度梯度,进一步限制了在TEG 414A输出处可获得的电压。相应地,使用诸如TEG414A的能量收集换能器的系统可被配置 为将可能仅在数十mV的范围内的TEG输出提升至较高的电压水平。可W使用各种转换器电 路438拓扑,诸如在Carlson等人在2010年4月4日的IE邸期刊Solid-StateCire州its 第 45 卷第 4 期中的"A20mVI吨utBoostConverterWithEfficientDigitalControl 化rThermoelectric化ergyHarvesting"中所示的转换器结构,该文章的全部内容通过引 用被合并于此。
[0069] 在可W包括TEG414A的说明性示例中,可W使用工作能量的一个或多个其他源 来帮助建立系统(例如,传感器节点)的初始操作(例如,启动)。工作能量的该样的其他 源可W包括电池或机械开关。然而,该样的电池或开关可能是庞大的。本发明人已经认识 至IJ,除其他方面之外,还可W向无线接收器电路440的天线412A提供无线禪合的能量(例 如,射频(R巧脉冲),诸如用于建立系统的初始操作。例如,可W提供入射电磁禪合工作能 量(诸如相对于Imw为-10分贝(地m)的相对较低功率水平)达诸如1-2秒,W便对一个或 多个存储电容器进行预充电,或者W便在系统的一个或多个节点处建立指定的初始条件。
[0070] 在图4A的示例400中,电磁禪合的能量(例如,福射禪合的或感应禪合的)可被 接收器电路440整流。示例400可W包括其他电路,诸如分流猜位电路494,W将输出节点 436A限制到指定的电压范围,W便防止在存在已接收的电磁禪合的工作能量的情况下有潜 在的破坏性的过压状况。图400的示例的一个或多个部分可被共集成在共享集成电路上。 诸如一个或多个电感器或电容器的较大无源部件可W位于共享印刷电路组件或模块上,并 被禪合到该集成电路。该样的部件可被称为"片外"。
[0071] 如上面所讨论的,可W提供入射的电磁禪合的工作能量,诸如在接收器电路的输 入处处于大约-10地m的水平。可W使用6级整流充电累电路来将该入射的电磁禪合的工 作能量禪合到输出节点436A。复位产生电路496可W是带隙参考的,并且可W诸如通过监 视输出节点436A而向系统提供POR。例如,当输出节点VwDST达到大约IV时,可W将POR禁 貪良(de-assert)。
[007引复位产生电路496中的滞后现象可W防止POR电路的不期望的翻转。例如,可W指定POR触发水平W允许POR在输出节点436A下降至可能远小于IV的指定电压之下(此 时巧片无法正确工作)时被生成。可W使用关于最小VemsT电压的信息来确定该样的指定 触发电压Vkilu所述最小Ve?ST电压带来正确产生的参考电压或持续的能量转换可靠性。
[007引图4B大体上示出W下图绘的说明性示例;与向图4A的无线接收器电路440提供 的无线禪合突发脉冲412相对应的图绘、图4A的功率转换器电路438的输出节点436A的 电压436B的图绘,W及与能量收集换能器的输出相对应的到功率转换器电路438的输入的 图绘414B,诸如可W使用如图3或4B的示例中所示的系统的至少一部分根据经验来获得。 [0074] TEG图表414B大体上示出可由TEG提供的电压的初始斜升和稳定。例如,如图4B 中所示,在TEG输出稳定之后,可W提供短突发脉冲412W对输出节点436A上的存储电容 器进行无线充电,如图绘436B所示。在该说明性示例中,紧接在输出节点436A上的电压达 至IJeOOmV之后,升压转换器可W工作并可W进一步将存储电容器充电至大约1. 35V。系统然 后可W继续在没有进一步的突发脉冲412的情况下工作,诸如工作达一延长的时间段或者 连续地工作。然而,如果输出节点(例如,Vbwst)降至指定触发电压(例如,VkiJ之下(诸 如由于超过所收集能量的长时间消耗或者在缺乏收集的能量),则系统可W复位,或者操作 可完全被废止。该样的废止可W被称为"节点死亡"。
[007引在输出节点436A下降至诸如Vkil曲触发电压之下的示例中,系统可W自动关闭。 然后可W诸如使用如图4B的说明性示例中所示的序列"恢复"或重新启动系统。系统可W 诸如使用包含关闭之前存储的程序状态的非易失性存储器来在状态上重新启动,或者系统 可W从包含引导加载器或默认程序的指定存储位置(诸如被包含在ROM中)重新启动。
[0076] 图5大体上示出系统的一部分的说明性示例500。该系统可W包括禪合到功率管 理处理器电路530 (例如DPM)的指令存储器550,诸如,其中功率管理处理器电路530可W 诸如对应于指定的能量消耗水平来调整或控制系统的其他功能块的各种参数。
[0077] 在图5的说明性示例中,功率管理处理器电路530可W监视调节器电路的输入节 点(例如,转换器电路536的输出)或一个或多个其他节点。可W诸如使用类似于图9的 说明性示例的或如一个或多个其他示例所示的模拟输入526A来执行该样的监视。ADC520 可W向功率管理处理器电路530提供对转换器电路的被监视的输出进行指示的信息。使用 该信息,功率管理处理器电路可W自动调节系统的能量消耗水平,例如对其他功能块进行 使能、禁用或其他的节流操作。
[007引例如,功率管理处理器电路530可W控制存储器存取控制器或数据存储器电路 548、一个或多个或功能特定的处理器电路534,或无线发射器电路522中的一个或多个的 能量消耗水平。数字打包器552可被用来将数据流化至无线传输电路522 (例如,提供用于 W指定封装格式进行传输的串行数据)。
[0079] 在示例中,系统可W包括直接存储器存取值MA)能力,诸如允许数字部分的一个 或多个部分访问数据存储器电路548。DMA控制器可W提供高效能阔下数字电路,W在数据 存储器电路548值MEM)和系统的一个或多个其他部分之间进行连接。例如,功率管理处理 器电路可W包括用W配置DMA控制器的指令,W便WFIFO访问模式提供对DMEM的至少一 部分的访问,W便提供高效的数据流化能力。可W使用时钟多路复用器,W将DMA时钟速率 与DMA控制器所对接的一个或多个其他功能块同步。在示例中,数据存储器电路548可W 在逻辑上或在物理上被划分成对应于指定能量消耗水平的储格(例如,使用在本文的一个 或多个说明性示例中所讨论的"停止灯"方案)。
[0080] 可W通过DPM530来控制诸如两个8位开关盒总线的一个或多个总线。该样的总 线可W可控地被连接至数字部分的其他部分(诸如MCU、DMA或打包器552)的输入或输出。 在说明性示例中,各输入或输出总线端口可W具有4位地址。具有两个或更多总线可W缓 和数据操纵或控制。
[0081] 如在其他示例中所讨论的,诸如传感器节点的系统可W包括多通道模拟输入(例 如A阳),诸如图5中所示的模拟输入526A。例如,模拟输入526A可W包括四个独立可配置 的输入通道,诸如包括各自完全不同的斩波器稳定的低噪声放大器(LNA)或可变增益放大 器(VGA)。例如,可W使用大约20曲Z的斩波器频率,诸如超过被包括在LNA中的跨导运算 放大器(0TA)的闪烁噪声转角。输入斩波器开关可被置于输入电容器之前,W便减少对可 能使0TA输出饱和的任何0TA偏移的任何放大。输入电容器中的失配可导致共模到差模增 益。相应地,为了放大AC信号,放大器可W被AC禪合,诸如使用片外电容器和电阻器W阻 挡或减少输入处的任何DC偏移电压。
[0082] 该样的拓扑可W提供低于其他相应拓扑的输入阻抗,然而可信的是,基于稳态模 拟结果输入阻抗可W仍在兆欧(MQ)的数量级。该样的输入阻抗范围可用于生理监视,诸 如用于监视ExG信号或用于其他感测应用。
[0083] 可配置的或者可编程的Gm-C滤波器可W有助于抑制或拒绝本底噪声之下的开关 波纹。在说明性示例中,禪合的LNA和VGA可WW大约3yW每通道的功率消耗提供从DC 至IJ320化的7阶数字可编程增益(4
当前第3页1 2 3 4 5 6 
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1