RF-DC转换器，能量收集电路和能量收集器的制造方法

RF-DC转换器，能量收集电路和能量收集器的制造方法

[专利说明]

【技术领域】

[0001]本发明涉及一种射频（RF）到直流（DC）转换电路，尤其涉及一种高灵敏度能量采集电路.

【【背景技术】

[0002]半导体技术的进步使得越来越复杂的系统可以集成到更小的封装中. 小型设备可能包含某些电路以连接到Internet并执行某些有用的功能，例如感测温度，心率或加速度，或控制相机，冰箱，门锁或汽车子系统. 物联网（1T）中将存在大量此类连接设备.

[0003]与有线连接相比，无线连接通常是首选，以降低安装成本. 这些连接设备中的大多数将由电池供电，但有些将从外部电磁辐射（EM）（例如波）中获取能量. 能量收集电路可以从外部EM源中提取能量来为电路供电或为电池充电.

[0004]近场通信（NFC）电路的通常非常靠近发射器，例如在几厘米内或几乎彼此接触. 但是，大多数连接设备的放置位置都不离那么近. NFC具有比远场更高的能量传递. 因此，NFC能量收集不适用于大多数连接的设备，因为它们离发射器太远，无法产生近场效应.

[0005]图1显示了远场能量收集应用程序. 中继器或基站142将射频（RF）波发送到连接设备140. 互联网协议（IP）分组可以被编码并经由RF波发送. 连接设备140可以将返回数据包发送到基站142，并且该返回数据包包括确认和传感器数据.

[0006]连接设备140可以具有小的电池或电容器，可以从基站142接收能量以进行充电. 每个连接设备140中的能量收集电路或RF-DC转换电路将RF波能量转换为直流电（DC）. 当从基站142接收RF能量时，连接设备140可以唤醒并执行各种程序功能.

[0007]基站142与连接设备之间的距离140是不同的，但是通常远超过近场的边界，并且远场能量转换比近场低得多并且效率更高. 能量转换的理论值取决于RF频率，发射功率以及基站142与连接设备140之间的距离. 例如，如果连接设备140距基站142距离为10米，则存在如果在连接设备140上使用50欧姆的天线，则来自基站142的900 MHz RF传输将导致仅接收28μW（微瓦）的74 mV信号.

[0008]迪克森电荷泵（Dickson电荷泵）和其他整流器已被用作能量收集电路. 然而，输入灵敏度和功率转换效率不足以用于许多应用. 晶体管阈值电压消耗了来自微小天线的少量可用输入信号. 二极管或二极管连接的晶体管会产生过大的压降，因此会消耗太多的小输入信号.

[0009]图. 图2是从外部RF传输获取功率的连接设备的框图. 连接设备140具有基带处理器102，该基带处理器102执行EEPROM 104中的程序或例程，并通过接口模数转换器（ADC）106读取传感器116. 基带处理器102将传感器数据嵌入到存储器中. IP数据包，它通过天线122从112发送到外部基站. 从天线122从基站接收的数据包由108接收，并由基带处理器102处理.

[0010] RF-DC转换器110从天线122接收信号，并产生DC电压以对电容器114进行充电. 电容器114用作电池，为设备120和传感器116的所有组件供电. 对于射频波，由于天线122的接收功率非常小，因此RF-DC转换器110必须具有高效率和高灵敏度. 期望低纹波输出，以便可以使用较小的电容器114.

[0011]期望具有可以在低功率应用中用于连接设备的RF-DC转换器. 期望具有高效，高灵敏度的RF-DC转换器. 希望有一个非近场能量收集电路能量收集器，可以使用标准的互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺转换由RF波产生的小电压.

【[图纸说明]

[0012]图1显示了远场能量收集应用程序.

[0013]图. 图2是从外部RF传输获取功率的连接设备的框图.

[0014]图. 图3是使用双行L开关网络和四个电容器阵列的RF-DC转换器的.

[0015]图. 图4是前几个L开关的更详细的.

[0016]图5A-B显示了在预充电和电荷泵浦阶段L开关的操作.

[0017]图. 图6是图1至图5的电路的控制信号的时序图. 3-5.

[0018]图7显示了由NMOS实现的L开关.

[0019]图. 图8显示了用CMOS实现的L开关.

[0020]图. 图9A-B示出了对L开关n沟道晶体管的有源衬底的控制.

[0021]图10是缓冲和切换控制的.

[0022]图. 图11是也产生激活基板控制信号的缓冲器和开关控制的.

[[特定实现]]

[0023]本发明涉及一种改进的RF-DC转换器. 以下描述使本领域技术人员能够根据特定应用及其要求来制造和使用这里提供的发明. 本领域技术人员将理解对优选实施例的各种修改，并且本文定义的一般原理可以应用于其他实施例. 因此，本发明无意限于所示出和描述的特定实施例，而应被赋予与本文所公开的原理和新颖特征相一致的最宽范围.

[0024]图. 图3是使用双行L开关网络和四个电容器阵列的RF-DC转换器的. 从天线接收射频信号RF +，RF-，并将其转换为DC输出DC +，然后对电容器或电池充电以收集RF能量. 可以在DC +与地面之间连接电容器或电池.

[0025]缓冲器和开关控制器71接收RF +，RF-，并对这些信号进行缓冲以产生缓冲的RF信号BRF +，BRF-o. 这些信号通过RF信号进行摆幅调制，四个电容器阵列电容器板将电荷泵入（泵浦）. BRF +泵浦电荷到第二电容器阵列的电容器20、22、24和第三电容器矩阵的电容器30、32的极板上. BRF泵浦第一电容器阵列的电容器10、12的板和第四电容器阵列的电容器40、42、44的板.

[0026] L开关50、52、54、60、62、64分别充当阀，以将注入的电荷从一个电容器分离并转移到另一个电容器. 一系列这样的L开关将增加注入电荷的电压. 因此，通过L开关52输出的电压高于通过L开关50输出的电压. 该系列中的最后一个L开关将DC +输出驱动至最高泵浦升压. 因此，一个小的RF +，RF-输入电压被泵入电荷中以增加以产生DC输出电压.

[p] [0027]每个L开关50、52、54、60、62、64具有以倒L型排列的两个MOS晶体管. 这两个晶体管的栅极受缓冲器和开关控制器71产生的控制信号A和B的控制. 因此，不使用二极管连接的开关，从而避免了开关上的大电压降.

[p28] [0028] L开关50、52、54和电容器10、12、20、22、24形成左行，而L开关60、62、64和电容器30、32、40、42、44右排. 当左排处于泵送充气阶段时，右排处于预充气阶段. 因此，电荷的泵送在两行之间交替进行. 由于有两行交替将电荷泵送到同一节点，因此DC +输出的输出纹波减小了. L开关54的左行输出连接到L开关64的右行输出.

[0029]可以增加每行的级数以获得所需的输出电压DC +. 例如，在L开关54可以被添加到第四级之后，添加另一个L开关50. 左行中的第四L开关（未示出）将在第二电容器阵列中在第四L开关的右输入和BRF +之间具有另一个电容器20（未示出），以及另一个电容器10（未示出）在第一个电容器阵列中，在第四个L开关的底部输入和BRF-之间. 类似地，右行中的第四L开关（未示出）将在第四电容器阵列中具有另一个电容器40（未示出），该电容器位于左行中第四L开关的左输入与BRF-之间. 在第三电容器阵列中，在左行的第四L开关的底部输入与BRF +之间还有另一个电容器30（未示出）.

[0030]图. 图4是L开关的前几个阶段的更详细的. L开关50具有阶跃转换开关70和预充电开关72. 预充电开关72的目的是对输入电容器20进行预充电，并且级转换开关70的目的是将电荷传输至下一阶段，从电容器20到电容器10.

[0031]控制信号A，B交替打开和闭合开关70、72. 当级转换开关70闭合时，预充电开关72打开. 类似地，当级转换开关70断开时，预充电开关72闭合. 理想情况下，A和B是不重叠的，但是微小的重叠仍然允许抽运电荷操作而不会显着降低效率.

[0032] L开关60、62、64和L开关50、52、54上的A和B控件可互换. 控制信号A施加到左行预充电开关72、76和右行级开关80、84. 控制信号B施加到右行预充电开关82、86和左行级转换开关70、74. 在左右两边交换控制信号将使两行交替运行.

[0033]图. 图5A-B示出了在预充电和电荷泵浦阶段期间L开关的操作. 在图在图5A中，左排处于泵送充电阶段，右排处于预充电阶段. A为低而B为高，BRF-为低或下降，而BRF +为高或上升. 但是，在图1中，在图5B中，左行处于预充电阶段，右行处于电荷泵浦阶段. A为高，B为低，BRF-为高或上升，而BRF +为低或下降.

[0034]另外，在图3中，在图5A中，预充电开关72由低信号A断开能量收集器，而级转换开关70由高信号B闭合. 电容器20的左或上板上的净正电荷与电容器20的上板共享. 电容器10通过级开关70. 当BRF-降到低时，BRF +升高到高，电荷通过级转换开关70从电容器20推到电容器10.

[0035]类似地，BRF +上升以通过电容器22耦合正电荷，然后通过级开关74到达电容器12的上板，并且BRF-向下在电容器12的下板有助于将电荷吸引到电容器上板上.

[0036]另外，在图2中，如图5B所示，当A为高而B为低时，电容器10的上板上的额外电荷被L开关52的预充电开关76向上推以对电容器22进行预充电. 而且，预充电开关72闭合. 在电容器20B的左或上板中允许BRF. BRF上升也通过电容器12耦合，以使其上极板电压上升.

[p] [0037]由于电荷流经电容器10的耦合和BRF-的上升摆幅，电容器10的上板上的电压将高于BRF-. 类似地，电容器12的上板上的电压将具有比电容器10的上板上更高的电压值. 因此，在每一行中，电压逐步增大.

[0038]下方

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