能量收集系统的制作方法

本发明大体上涉及能量收集系统。更具体地，本发明涉及能量收集系统，其被布置用于提供直流(dc)输出的能量收集源和提供交流(ac)输出的能量收集源。

背景技术：

1、现今，数十亿个射频(rf)发射器以连续方式广播rf能量。例如，移动电话、基站、无线电广播站、wifi接入点以及手持式无线电都发射rf信号。从环境源或专用源收集rf能量的能力使得能够对例如传感器装置进行无线充电。

2、rf不是从其收集能量的唯一来源，光伏源也非常适合作为能量收集源，并且压电能量源和热电能量源以及其他类型的能量源也非常适合作为能量收集源。

3、能量收集(也称为功率收集或能量挖掘或环境功率)是以下过程：能量(例如，射频能量、太阳能、热能、风能、盐度梯度和动能，这些能量也称为环境能量)从外部源被获得，被捕获和被存储以用于如可穿戴电子设备和无线传感器网络中使用的小的无线自主设备。

4、对集成电路设计的小型化和改进已经出现了低功率电子器件，其使得低功率无线传感器网络、物联网(iot)模块和所有种类的小型电子设备成为可能，这些小型电子设备可以在大量位置中采用并且用于各种应用，这使得电池更换变得不理想且具有挑战性。

5、通过使用能量收集器，可以从环境源或专用源收集能量，这减少了更换电池的需要或者甚至实现那些装置的无电池或接近永久的操作。

6、由于能量收集源本质上可能是零星的(sporadic)、不稳定的、时间和环境变化的，因此从能量收集源收集足够的能量以防止这种电池更换被认为是具有挑战性的。因此，效率是能量收集的关键。因此，希望具有一种能量收集系统，其一方面具有改进的效率，另一方面保持设计简单，而不需要额外的电路系统，并且具有保持尽可能小的装置或组件占用面积。

技术实现思路

1、在第一方面，提供了一种用于将能量收集源的低电压输入转换成直流(dc)输出电压的能量收集系统，其中，所述能量收集源是提供交流(ac)输出的能量收集源(如，压电能量收集源)和提供dc输出的能量收集源(如，光伏能量收集源)中的一个，其中，所述能量收集系统包括：

2、第一输入端子(h+)和第二输入端子(h-)，其被布置用于将所述能量收集源中的一个连接在所述第一输入端子和所述第二输入端子之间；

3、输出端子(vout)，其被布置用于与负载(如，无线传感器节点)连接；

4、ac-dc转换器单元，其连接在所述第一输入端子和所述第二输入端子与所述输出端子之间，且被布置用于将所述第一输入端子和所述第二输入端子之间的ac输入转换成所述输出端子处的dc输出；

5、控制单元，其连接到所述ac-dc转换器单元，且被布置用于在操作模式下操作所述ac-dc转换器单元，或者将所述ac-dc转换器单元旁路；

6、源微分电路，其连接到所述第一输入端子和所述第二输入端子中的一个且连接到所述控制单元，被布置用于在所述连接的输入端子处检测提供能量收集源的所述ac输出和提供能量收集源的所述dc输出中的一个，并且基于所述检测到的能量收集源生成控制信号；

7、其中，所述控制电路被布置成随后将所述ac-dc转换器旁路，激活所述源微分电路以接收所述控制信号，并且根据所述控制信号操作所述ac-dc转换器，使得所述ac-dc转换器在检测到提供能量收集源的所述ac输出时是可操作的，并且在检测到提供能量收集源的所述dc输出时被旁路。

8、能量收集系统是能量收集电力管理电路系统，其被布置用于在输入端子对处从能量收集源获得低电压输入，并且在输出端子处输出dc输出电压，以用于连接负载，诸如传感器节点或无线传感器网络设备或dc-dc转换器。负载连接在正输出端子和地之间。

9、由于能量收集源可能不稳定并且提供波动的输出电压或者甚至可能暂时停止提供任何输出电压，因此组合不同类型的能量收集源被认为至少部分地减少了这些缺点。这种多输入能量收集系统可以被布置成将来自几个收集源的能量转换成用于负载、传感器等的经调节的dc输出。例如，可以从压电元件和从光伏单元或热电元件收集能量的能量收集系统的组合被认为是有前途且有效的多输入能量收集系统。

10、然而，这些不同的能量收集源对于获得经调节的和期望的dc输出具有不同的要求。不仅在不同的源之间电压电平可以不同，而且一些源可以提供ac输出，而其它源可以提供dc输出。由于ac输出另外需要ac-dc转换器，因此典型的多输入能量收集系统被配置有用于每种类型的源的单独的输入。然而，这增加了输入端子的数量，并且增加了系统的整体复杂性，并且增加了占用面积。

11、在任何类型的能量收集源可以连接到单个输入端子对的配置中组合若干输入是有挑战性的，因为它可能需要额外的外部电路系统，以在基于ac的源和基于dc的源之间进行区分并且检测当前连接的是哪种类型。

12、发明人的见解是提供具有集成源微分电路以及可控ac-dc转换器和控制单元的能量收集系统，以从微分电路获得控制信号，从而区分提供能量收集源的ac和dc输出，并且基于该控制信号激活或将ac-dc转换器旁路。

13、利用所提出的能量收集系统，实现了单通道能量收集系统，而不需要任何其他外部电路系统或提供关于所连接的源的类型的信息的输入。

14、所提出的能量收集系统包括源微分电路，其被布置成输出关于ttl/cmos电压电平的二进制信号，该二进制信号定义了是否连接dc源，例如提供为0的二进制控制信号，或者如果连接ac源或浮置源则提供为1的二进制控制信号。当控制单元检测到为1的控制信号时，ac-dc转换器被激活，而当控制信号为0时，ac-dc转换器被旁路和停用。

15、诸如压电元件的能量源提供具有双极特性的输出电压和/或电流，并且因此需要ac-dc转换。在能量转换器系统启动时，或者当在启动模式下操作能量转换器系统时，其中旁路电路系统(或者也称为旁路开关)和ac-dc转换器都保持未激活。当例如通过激活旁路电路系统而将ac-dc转换器旁路时，系统通过使用源微分电路能够检测哪种类型的能量源连接到输入端子对，并且如果适用，即当源是ac源时，相应地激活ac-dc转换器，并且当源是dc源时，将ac-dc转换器旁路。

16、源微分电路或单元被布置成当ac-dc转换器和旁路电路系统都未激活时检测输入端子、第二或负输入端子h-接地还是浮置，其中地连接表示dc源，并且浮置表示需要ac-dc转换的浮置或ac源。

17、在优选实施例中，源微分电路连接到所述第二输入端子(h-)，以用于检测所述第二输入端子接地或浮置。

18、在一个示例中，该系统还包括：

19、旁路电路，其用于将所述ac-dc转换器旁路。

20、在一个示例中，ac-dc转换器包括集成的旁路电路，以用于操作或绕开所述ac-dc转换器的所述ac-dc转换操作。

21、在一个示例中，源微分电路被布置为生成控制信号，所述控制信号表示当所述第二输入端子(h-)浮置时提供能量收集源的ac输出，以及当所述第二输入端子(h-)接地时提供能量收集源的dc输出。

22、在一个示例中，源微分电路被布置用于优选地通过试图将所述第二输入端子拉至超过特定阈值电压的电压来确定所述第二或负输入端子(h-)是浮置还是接地，并且基于检测到所述输入端子是否超过所述预定阈值电压来生成所述控制信号。

23、在一个示例中，源微分电路包括上拉网络和阈值电压网络，以利用阈值电压网络来比较试图被所述上拉网络上拉的所述输入端子的电压，以用于基于所述输入端子是否超过所述预定阈值电压来生成所述控制信号。

24、在一个示例中，源微分电路包括用于与所述控制单元连接并提供所述控制信号的输出端子、用于与所述第二输入端子连接并检测接地或所述端子浮置的输入端子、以及用于激活所述源微分电路的使能端子。

25、在一个示例中，该系统还包括：

26、dc-dc转换器，其用于根据转换因子将所述dc输出转换成较高电压dc输出，并将所述较高电压dc输出供应给所述负载，或者根据转换因子将所述dc输出转换成较低电压dc输出，并将所述较低电压dc输出供应给所述负载。

27、在一个示例中，dc-dc转换器被配置为可重构dc-dc转换器，所述可重构dc-dc转换器被布置用于根据对预定义的转换比的离散选择将所述dc输出转换成较高电压dc输出或较低电压dc输出。

28、在一个示例中，控制单元被布置为根据最大功率点跟踪(mppt)控制方案操作所述dc-dc转换器以转换所述dc输出，其中，所述mppt控制方案基于使所连接负载与所述能量收集源的电流和电压匹配。

29、在一个示例中，dc-dc转换器是飞电容器无电感器dc-dc转换器(flyingcapacitor inductor-less dc-dc converter)。

30、在一个示例中，dc-dc转换器被布置用于提供多电压电平输出，该多电压电平输出包括具有不同输出电压电平的多个输出端子。

31、在一个示例中，该系统包括多输入dc-dc转换器，其中，所述系统可以包括多个并联输入端子、源微分电路和ac-dc转换器，以将每个vout与所述多输入dc-dc转换器的输入中的一个连接。

32、在一个示例中，系统被配置用于连接提供ac输出的压电元件能量收集源。

33、在一个示例中，该系统被配置用于连接提供ac输出的射频(rf)能量收集源。

34、在一个示例中，该系统被配置用于连接提供dc输出的光伏能量收集源。

35、在一个示例中，该系统被配置为连接提供dc输出的热电能量收集源。

36、在一个示例中，该系统被集成到电力管理集成电路(pmic)设计中。

37、现在将参照附图通过具体实施例更详细地描述本发明，其中相同或相似的部分和/或部件由相同的附图标记表示。本发明无论如何决不限于所公开的实施例。