超低电压负反馈调制能量收集电路的制作方法

本发明涉及直流转换以及变流的技术领域，尤其是涉及一种超低电压负反馈调制能量收集电路。

背景技术：

随着物联网的应用和无线传感网络的发展，传统以电池充电系统为主的供电方式因电池的固有的缺点，面临的弊端日渐明显；相对比能量收集则是以环境中存在的微弱能量为来源并将其转化为电能，从而实现对无线传感网络的自供电，因其存在的诸多优势而获得了越来越多的重视和关注。

能量收集的来源主要有振动能、温差能、摩擦能和太阳能。这些能量通过传感器转化为电能，通过变压器组成的正反馈环路形成的自激振荡，结合相关调制最终实现高的电压输出。在传统基于变压器的能量收集设计中通常采用齐纳二极管实现输出的调制，如图1所示，图中以温度变化引起的热能收集为例，通过变压器(l1，l2)和mos管m1组成正反馈环路，产生自激振荡，将从环境中收集的能量经过电能-磁能-电能的转化从输入传递到负载，但随着输入增加，传统设计在满足输出负载功耗时，将过剩的能量通过二极管dz释放到地来稳定输出电压，这样造成了收集能量的浪费，降低的能量的利用，进而造成了系统转换效率的降低。因而寻找更优化的调制方案进而提升系统的转换效率是本发明的内容。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供超低电压负反馈调制能量收集电路，以缓解了现有技术中能量收集电路中的能量转化率低的技术问题。

第一方面，本发明提供了一种超低电压负反馈调制能量收集电路，包括：mos管组；第一二极管d1；第二二极管d2；变压器；第一电容c1；第二电容c2；负电压发生器；第一比较器以及放大器；第二电阻r2；第三电阻r3；第四电阻r4以及第五电阻r5；

所述的mos管组包括第一mos管m1、第二mos管m2，第三mos管m3以及第四mos管m4；

所述的第一mos管m1的源极以及所述的第二mos管m2的源极均接地；

所述的第一mos管m1的栅极与所述的负电压发生器的输出端相连；

所述的第二mos管m2的栅极与所述的第三mos管m3的栅极相连；

所述的第三mos管m3的源极接地，所述的第三mos管m3的漏极与所述的第一二极管d1的阳极相连；

所述的第一二极管d1的阴极与输出端口相连；

所述负电压发生器的第一端口接地；

所述负电压发生器的第二端口与所述第四mos管m4的漏极相连；

所述负电压发生器的第三端口与输出端口相连；

所述输出端口相连与所述第三电阻r3的一端相连，所述第三电阻r3的另一端与所述第四电阻r4的一端相连，所述第四电阻r4的另一端与所述第五电阻r5的一端相连，所述第五电阻r5的另一端接地；

所述第三电阻r3的另一端与所述第一比较器的同向输入端相连，所述第一比较器的反向输入端与所述放大器的反向输入端相连；

所述第一比较器的输出端与所述放大器的使能端相连；

所述放大器的同向输入端与所述第五电阻r5的一端相连，所述放大器的输出端与所述第四mos管m4的栅极相连；

所述第四mos管m4的源极与所述第二电阻r2的一端相连，所述第二电阻r2的另一端接地；

所述的变压器的原边侧一端与输入端口相连，所述变压器原边侧另一端与所述第一mos管m1的漏极相连；

所述的变压器的副边侧一端与第二电容c2的一端相连，所述变压器的副边侧的另一端接地；

所述第二电容c2的另一端与所述第二二极管d2的阳极相连，所述第二二极管d2的阴极与输出端口相连；

所述第一电容c1的一端与所述第二电容c2的一端相连，所述第二电容c1的另一端与所述第三mos管m3的栅极相连。

优选的，所述负电压发生器包括第二比较器，第五mos管m5，第六mos管m6，第七mos管m7，第三电容c3，第四电容c4以及第四二极管d4；

所述负电压发生器的第一端口与所述第二比较器的反向输入端相连；

所述负电压发生器的第一端口与所述第二比较器的同向输入端相连；

所述第二比较器分别与所述第五mos管m5的栅极、所述第六mos管m6的栅极以及所述第七mos管m7的栅极相连；

所述第五mos管m5的源极与所述负电压发生器的第三端口相连；

所述第五mos管m5的漏极与所述第七mos管m7的漏极相连；

所述第七mos管m7的漏极与所述第三电容c3的一端相连，所述第三电容c3的另一端与所述第六mos管m6的漏极相连；

所述第六mos管m6的源极接地；

所述第六mos管m6的漏极与所述第四二极管d4的阴极相连，所述述第四二极管d4的阳极与所述负电压发生器的输出端相连；

所述第四电容c4的一端与所述第七mos管m7的漏极相连，所述第四电容c4的另一端与所述负电压发生器的输出端相连；

优选的，所述第一mos管m1、第二mos管m2均为耗尽型nmos管；

所述第三mos管m3、第四mos管m4均为增强型nmos管。

发明实施例带来了以下有益效果：本发明实施例提供了一种超低电压负反馈调制能量收集电路，包括：mos管组；第一二极管d1；第二二极管d2；变压器；第一电容c1；第二电容c2；负电压发生器；第一比较器以及放大器；第二电阻r2；第三电阻r3；第四电阻r4以及第五电阻r5；mos管组包括第一mos管m1、第二mos管m2，第三mos管m3以及第四mos管m4；通过上述电路元器件及其连接方式可以提高现有技术中的感应供电的能量传输效率，提高能量传输电路的带载能力。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本现有技术中提供的超低电压负反馈调制能量收集电路电路图；

图2为本发明实施例提供的超低电压负反馈调制能量收集电路电路图；

图3为本发明实施例提供的超低电压负反馈调制能量收集电路负电压发生器电路图；

图4(a)为本发明实施例提供的超低电压负反馈调制能量收集电路一种能量流动图；

图4(b)为本发明实施例提供的超低电压负反馈调制能量收集电路另一种能量流动图；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前，传统设计在满足输出负载功耗时，将过剩的能量通过二极管dz释放到地来稳定输出电压，这样造成了收集能量的浪费，降低的能量的利用，进而造成了系统转换效率的降低，基于此，本发明实施例提供的一超低电压负反馈调制能量收集电路，其目的是提供一种高效、高速的自启动能量采集电路，该电路由两种能量传输方案组成，由一种新型的级控电路(ssc)管理。一种能量传输方案基于变压器，另一种能量传输方案基于升压变换器。通过本发明提供的电路可以提高现有技术中的感应供电的能量传输效率，提高能量传输电路的带载能力。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种超低电压负反馈调制能量收集电路进行详细介绍。

结合图1至图4所示，本发明实施例提供了一种超低电压负反馈调制能量收集电路，包括：本发明提供了一种超低电压负反馈调制能量收集电路，包括：mos管组；第一二极管d1；第二二极管d2；变压器；第一电容c1；第二电容c2；负电压发生器；第一比较器以及放大器；第二电阻r2；第三电阻r3；第四电阻r4以及第五电阻r5；

所述的mos管组包括第一mos管m1、第二mos管m2，第三mos管m3以及第四mos管m4；

所述的第一mos管m1的源极以及所述的第二mos管m2的源极均接地；

所述的第一mos管m1的栅极与所述的负电压发生器的输出端相连；

所述的第二mos管m2的栅极与所述的第三mos管m3的栅极相连；

所述的第三mos管m3的源极接地，所述的第三mos管m3的漏极与所述的第一二极管d1的阳极相连；

所述的第一二极管d1的阴极与输出端口相连；

所述负电压发生器的第一端口接地；

所述负电压发生器的第二端口与所述第四mos管m4的漏极相连；

所述负电压发生器的第三端口与输出端口相连；

所述输出端口相连与所述第三电阻r3的一端相连，所述第三电阻r3的另一端与所述第四电阻r4的一端相连，所述第四电阻r4的另一端与所述第五电阻r5的一端相连，所述第五电阻r5的另一端接地；

所述第三电阻r3的另一端与所述第一比较器的同向输入端相连，所述第一比较器的反向输入端与所述放大器的反向输入端相连；

所述第一比较器的输出端与所述放大器的使能端相连；

所述放大器的同向输入端与所述第五电阻r5的一端相连，所述放大器的输出端与所述第四mos管m4的栅极相连；

所述第四mos管m4的源极与所述第二电阻r2的一端相连，所述第二电阻r2的另一端接地；

所述的变压器的原边侧一端与输入端口相连，所述变压器原边侧另一端与所述第一mos管m1的漏极相连；

所述的变压器的副边侧一端与第二电容c2的一端相连，所述变压器的副边侧的另一端接地；

所述第二电容c2的另一端与所述第二二极管d2的阳极相连，所述第二二极管d2的阴极与输出端口相连；

所述第一电容c1的一端与所述第二电容c2的一端相连，所述第二电容c1的另一端与所述第三mos管m3的栅极相连。

优选的，所述负电压发生器包括第二比较器，第五mos管m5，第六mos管m6，第七mos管m7，第三电容c3，第四电容c4以及第四二极管d4；

所述负电压发生器的第一端口与所述第二比较器的反向输入端相连；

所述负电压发生器的第一端口与所述第二比较器的同向输入端相连；

所述第二比较器分别与所述第五mos管m5的栅极、所述第六mos管m6的栅极以及所述第七mos管m7的栅极相连；

所述第五mos管m5的源极与所述负电压发生器的第三端口相连；

所述第五mos管m5的漏极与所述第七mos管m7的漏极相连；

所述第七mos管m7的漏极与所述第三电容c3的一端相连，所述第三电容c3的另一端与所述第六mos管m6的漏极相连；

所述第六mos管m6的源极接地；

所述第六mos管m6的漏极与所述第四二极管d4的阴极相连，所述述第四二极管d4的阳极与所述负电压发生器的输出端相连；

所述第四电容c4的一端与所述第七mos管m7的漏极相连，所述第四电容c4的另一端与所述负电压发生器的输出端相连。

优选的，所述第一mos管m1、第二mos管m2均为耗尽型nmos管。

实施例二：

本发明实施例二提供了前述实施例一所述的一种超低电压负反馈调制能量收集电路的工作方式进行介绍：

在本发明提供的实施方式中，当输入端口输入的电压超过最小输入电压时，所述第一mos管m1、以及所述的第二mos管m2工作，此时负电压发生器不工作，由于第一mos管m1以及第二mos管m2均有小电流通过，因此在变压器的原边侧产生压差δv，此时由第一mos管m1、第二mos管m2、变压器、第二电容c2以及第二二极管d2构建正反馈通道；

正反馈回路增益av可表示为:

其中，gm是第二mos管m2的传导，n是变压器的匝数比；

需要说明的是，在本发明提供的实施例中，最小输入电压为50mv，变压器匝数比为100，输出端口的输出电压为3v；

前述过程为低压自启动，此时图2中第一电阻r1两端的电压vg持续升高，当第一电阻r1两端的电压vg的峰值超过第三mos管m3的阈值电压时，触发所述第三mos管m3工作，所述的负电压发生器输出负电压以使所述第一mos管m1关断，此时所述第一二极管d1导通，同时断开了第一mos管m1的通路；

需要说明的是，在上述过程中，在一个振荡周期内能量积累时间可以表示为:

τ∝rec1

其中re为总输出等效电阻，re＝rl(rm4+r2)，rm4为第四mos管m4的等效电阻。当vout大于1.8v时，vfbc大于vref，使能信号en变高，amp输出开始控制第四mos管m4。如果vfba小于vref，则v1较低，第四mos管m4处于截止区域。rm4具有较大的电阻，使能量积累时间增加，输出电压保持上升。当输出电压高于3v时，vfba大于vref,v1增大，rm4随电压增大而减小。因此，能量积累时间下降，输出电压下降。最后，利用nfc对系统的能量积累时间和输出电压进行了调节，实现了所述电路的自启动；

需要说明的是，当电路达到稳态时，具体如图4(a)所示，若第一电阻r1两端的电压大于所述第三mos管m3的启动电压阈值时，所述第三mos管m3导通，所述第一二极管d1导通，通过第三mos管m3以及第一二极管d1构成通路；

如图4(b)所示，若第一电阻r1两端的电压小于所述第三mos管m3的启动电压阈值时，所述第三mos管m3关断，所述第一mos管m1导通、第二mos管m2均导通，所述的变压器传输能量，所述第二二极管d2导通，通过第一mos管m1、第二mos管m2以及第二二极管d2构成通路；

实施例三：

如图3所示，本发明实施例三提供了一种负电压发生器的工作方式，具体的，前述第二比较器在该电路中生成方波控制信号v2。当v2输出低电平时，第五mos管m5和第六mos管m6导通，第三电容c3被充电，并且在其上产生3v的电压降。当v2变高时，前述第七mos管m7打开，第三电容c3的正极板电压为0v，此时第四二极管d4导通，并c3的负极板产生电压为vcon的负电压。当v2再次输出低电平时，第四二极管d4关闭，负电压保持在vcon。因此，只要vout＝3v，就会产生大约1.2v的负电压vcon。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。