[0001] 本发明涉及射频能量转换技术领域，具体涉及一种用于射频能量接收系统的能量转换电路。

[0002] 射频能量接收系统被广泛的应用在物联网系统，射频能量（RF）具有丰富来源，它正在从世界各地数十亿的无线电发射器中发射而出，这些发射器包括移动电话、移动电话基站和电视/电台信号发射基站等。因此，利用射频能量来为一些低功耗电路供电已经成为一种趋势。从射频能量（RF）中获取能量并不新鲜，而且过程相对简单。无线电波到达天线并导致其长度上的电位差变化，该电位差使得电荷载流子沿着天线的长度移动以试图使场均衡，并且RF‑DC集成电路能够从这些电荷载流子的移动中捕获能量，能量暂时存储在电容器中，然后用于负载处。射频能量接收系统就是通过现成的组件为子系统执行RF到DC转换，利用天线，无线充电线圈，PMIC(电源管理IC)，功率接收器芯片，激励器发射器等的各种组合可以产生能够从RF获取能量的系统。由于射频能量的获取存在不稳定性（和射频信号的强度变化相关），而现有技术中的射频能量接收系统在向负载输出能量时都按预设固定值的电压给负载，这样就会出现能量转换率低的技术问题。

[0016] 下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

[0017] 另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

[0018] 本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接（联接）。

[0019] 在射频能量收集系统中，由于射频能量的不稳定性，使得收集的射频能量存在变化，导致系统并不能维持功率输出在最大功率点，在其工作的过程中会损失许多接受到的能量，因此依据外界输入能量变化，并快速更新最大功率点十分重要。在本申请实施例中，通过更新输出电压的方式，保证射频能量收集系统工作在最大功率点，使得系统尽可能地从环境中提取足够的能量。

[0020] 实施例一：请参考图1，为一种实施例中能量转换电路的电路框架示意图，该能量转换电路用于射频能量接收系统的，包括电能获取模块1、功率整流器2、开关储能电路3、分数开路电压产生模块5和电能输出模块4。电能获取模块1与功率整流器2连接，电能获取模块1用于获取辐射能并将获取的辐射能转换为电能。功率整流器2与开关储能电路3连接，功率整流器2用于对电能获取模块1转换的电能进行整流，并将整流获取的第一直流电VOC输出给开关储能电路3。开关储能电路3包括储能存储电容COC，储能存储电容COC用于存储第一直流电VOC的电能，开关储能电路3分别与电能输出模块4和分数开路电压产生模块5连接，开关储能电路3还用于释放储能存储电容COC存储的电能，当释放储能存储电容COC的电能时向电能输出模块输出第二直流电VI。电能输出模块4包括输出储能电容CRECT，输出储能电容CRECT用于存储第二直流电VI的电能，电能输出模块4用于输出输出储能电容CRECT存储的电能，当电能输出模块4释放输出储能电容CRECT的电能时输出第三直流电VO，并将第三直流电VO作为能量转换电路的输出，以用于向射频能量接收系统的负载提供电源。

[0021] 请参考图2，为一种实施例中分数开路电压产生模块的电路结构连接示意图，一实施例中，开关储能电路3还用于响应一输出电压设置电信号，将第二直流电VI发送给分数开路电压产生模块5，分数开路电压产生模块5包括至少一个分数单元51，每个分数单元51用于按一预设最大功率点获取比例对第二直流电VI进行分压，并将分压获取的最大功率输出电压值的第四直流电VMPP输出给电能输出模块4，电能输出模块4接收到第四直流电VMPP后，释放输出储能电容CRECT的电能时按最大功率输出电压值输出第三直流电VO。

[0022] 一实施例中，能量转换电路还包括输入能量响应模块6，输入能量响应模块6包括辅助整流器61和电压变化检测模块62。辅助整流器61分别与电能获取模块1和电压变化检测模块62连接，辅助整流器61用于对电能获取模块1转换的电能进行整流，并将整流获取的第四直流电VSEN输出给电压变化检测模块62。电压变化检测模块62与开关储能电路3连接，电压变化检测模块62用于监测第四直流电VSEN的电压值变化，并当第四直流电VSEN的电压值发生变化时向开关储能电路3发送输出电压设置电信号，以用于能量转换电路按最大功率输出电压值输出第三直流电VO。

[0023] 请参考图3，为一种实施例中辅助整流器的电路示意图，一实施例中，电能获取模块1包括电能正输出端VP和电能负输出端VN。辅助整流器61包括正辅助电能输入端、负辅助电能输入端、第一辅助直流输出端、第一辅助MOS管Mb1、第二辅助MOS管Mb2、第三辅助MOS管Mb3、第四辅助MOS管Mb4和辅助储能电容CAUX。正辅助电能输入端与电能正输出端VP连接，负辅助电能输入端与电能负输出端VN连接，正辅助电能输入端和负辅助电能输入端用于接收电能获取模块1转换辐射能获取的电能。第一辅助直流输出端与电压变化检测模块62连接，用于向电压变化检测模块62输出第四直流电VSEN。第一辅助MOS管Mb1和第三辅助MOS管Mb3的栅极与负辅助电能输入端连接，第一辅助MOS管Mb1和第三辅助MOS管Mb3的漏极与正辅助电能输入端连接，第一辅助MOS管Mb1的源极接地，第三辅助MOS管Mb3的源极与第一辅助直流输出端连接。第二辅助MOS管Mb2和第四辅助MOS管Mb4的栅极与正辅助电能输入端连接，第二辅助MOS管Mb2和第四辅助MOS管Mb4的漏极与负辅助电能输入端连接，第二辅助MOS管Mb2的源极接地，第四辅助MOS管Mb4的源极与第一辅助直流输出端连接。辅助储能电容CAUX的一端接地，另一端与第一辅助直流输出端连接。

[0024] 请参考图4，为一种实施例中电压变化检测模块的电路连接示意图，电压变化检测模块62包括检测源连接端、控制信号输出端、正负切换开关SRES、检测电容Ca1、低通电容Ca2、延迟器X1、低通电阻Ra1、第一比较器Oa1、第二比较器Oa2和逻辑与非电路，其中，低通电容Ca2和低通电阻Ra1构成低通滤波电路。检测源连接端与辅助整流器61连接，控制信号输出端与开关储能电路3连接，控制信号输出端用于输出电压设置电信号。正负切换开关SRES一端与检测源连接端连接，另一端与第一比较器Oa1的正输入端和延迟器X1的输入端连接。低通电阻Ra1的一端与延迟器X1的输出端连接，另一端与第一比较器Oa1的负输入端和第二比较器Oa2的正输入端连接。第二比较器Oa2的负输入端与检测源连接端。检测电容Ca1的一端接地，另一端与延迟器X1的输入端连接。低通电容Ca2的一端接地，另一端与第一比较器Oa1的负输入端和第二比较器Oa2的正输入端连接。第一比较器Oa1和第二比较器Oa2的输出端分别与逻辑与非电路的两个输入端连接，逻辑与非电路的输出端与控制信号输出端连接。其中，低通滤波电路来使得输入电压变化较慢时第一比较器Oa1和第二比较器Oa2的两端输入相同。在输入电压变化过快时，比较器两端电压产生区别并使得切换电路Sa发生切换，并控制系统更新最大功率点。

[0025] 如图2所示，分数开路电压产生模块5包括至少两个分数单元51，每个分数单元51的预设最大功率点获取比例不相同，分数开路电压产生模块5依据第二直流电VI电压值的不同选取不同的分数单元51，来获取不同最大功率输出电压值的第三直流电VO输出给电能输出模块4。分数单元51包括单元输入连接端、单元输出连接端、连接节点VC1、第一分压开关电路SD1、第二分压开关电路SD2、第三分压开关电路SD3、第一分压电容Cb1和第二分压电容Cb2。单元输入连接端与开关储能电路3连接，单元输出连接端与电能输出模块4连接。第一分压开关电路SD1的一端与单元输入连接端连接，另一端与连接节点VC1连接。第二分压开关电路SD2的一端与单元输出连接端连接，另一端与连接节点VC1连接。第三分压开关电路SD3的一端与单元输出连接端连接，另一端接地。第二分压电容Cb2一端与单元输出连接端连接，另一端接地。第一分压电容Cb1的一端与连接节点VC1连接，另一端接地。

[0026] 如图2所示，一实施例中，分数单元51通过第一分压电容Cb1和第二分压电容Cb2来分压使得第四直流电VMPP与最大开路电压呈固定比例关系。其中，射频能量接收系统检测最大功率点的过程如下，切换电路Sa断开，第一分压开关电路SD1与第三分压开关电路SD3闭合，VRECT电压升高至开路电压，VMPP处电压归零。在一段时间后，VRECT电压升高至功率整流器开路电压。此时，第二分压开关电路SD2闭合，第一分压开关电路SD1与第三分压开关电路SD3断开。通过分配电荷来得到新的VMPP。最后第二分压开关电路SD2断开，切换电路Sa闭合，功率整流器的输出被正常地送往后级DCDC（电能输出模块）中。

[0027] 请参考图5，为一种实施例中电能输出模块的电路连接示意图，电能输出模块4还包括电输入连接端、电输出连接端、连接节点VD、电感L、第一输出开关电路S1、第二输出开关电路S2、第三输出开关电路S3、输出电容CO和二极管D1。电输入连接端与开关储能电路3和分数开路电压产生模块5连接。电输出连接端用于输出第三直流电VO。输出储能电容CRECT的一端与电输入连接端连接，另一端接地。电感L的一端与电输入连接端连接，另一端与连接节点VD连接。第二输出开关电路S2的一端与连接节点VD连接，另一端接地。第一输出开关电路S1的一端与连接节点VD连接，另一端与电输出连接端连接。第三输出开关电路S3的一端与连接节点VD连接，另一端与所述二极管D1的正极连接，二极管D1的负极与电输出连接端连接。输出电容CO的一端与电输出连接端连接，另一端接地。

[0028] 请参考图6，为一种实施例中开关驱动电路的电路连接示意图，电能输出模块还包括第三比较器Oa341、时间导通控制器42和开关驱动电路43。第三比较器Oa341的正输入端与开关储能电路3连接，第三比较器Oa341的负输入端与分数开路电压产生模块5连接，第三比较器Oa341的输出端与时间导通控制器42连接。时间导通控制器42与开关驱动电路43连接，开关驱动电路用于输出驱动第一输出开关电路S1、第二输出开关电路S2、第三输出开关电路S3的导通或断开的驱动信号。时间导通控制器42用于对开关储能电路3输出的第二直流电VI与分数开路电压产生模块5输出的第四直流电VMPP的比较结果，设置第一输出开关电路S1、第二输出开关电路S2、第三输出开关电路S3的各自导通的时序关系，并通过开关驱动电路43实现对第一输出开关电路S1、第二输出开关电路S2、第三输出开关电路S3的导通和/或断开的控制，以保证电能输出模块4按最大功率输出电压值输出第三直流电VO。

[0029] 请参考图7，为一种实施例中功率整流器的电路连接示意图，功率整流器包括正电能输入端、负电能输入端、第一直流输出端、第一MOS管Ma1、第二MOS管Ma2、第三MOS管Ma3和第四MOS管Ma4。正电能输入端与电能正输出端VP连接，负电能输入端与电能负输出端VN连接，正电能输入端和负电能输入端用于接收获取模块1转换辐射获取的电能，第一直流输出端与开关储能电路3连接，用于向开关储能电路3输出第一直流电VOC。第一MOS管Ma1和第三MOS管Ma3的栅极与负电能输入端连接，第一MOS管Ma1和第三MOS管Ma3的漏极与正电能输入端连接，第一MOS管Ma1的源极接地，第三MOS管Ma3的源极与第一直流输出端连接。第二MOS管Ma2和第四MOS管Ma4的栅极与正电能输入端连接，第二MOS管Ma2和第四MOS管Ma4的漏极与负电能输入端连接，第二MOS管Ma2的源极接地，第四MOS管Ma4的源极与第一直流输出端连接。

[0030] 一实施例中，设置辅助整流器的MOS管的功耗尽量远远小于功率整流器的MOS管的功耗，只要辅助整流器转换的电能发生变化时，能被电压变化检测模块识别到就可以，进而最大化降低输入能量响应模块的电能损耗。

[0031] 如图2和图5所示，开关储能电路3还包括第一前连接端、第一后连接端、第二后连接端和切换电路Sa。第一前连接端与功率整流器2连接，第一后连接端与电能输出模块4连接，第二后连接端与分数开路电压产生模块5连接。储能存储电容COC一端接地，另一端与切换电路Sa连接。切换电路Sa分别与第一前连接端、第一后连接端和第二后连接端连接。切换电路Sa用于将储能存储电容COC的非接地端与功率整流器2和电能输出模块4连接，或响应输出电压设置电信号将储能存储电容COC的非接地端与功率整流器2和分数开路电压产生模块5连接。

[0032] 请参考图8，为一种实施例中射频能量接收系统的测试结果对比图，从测试结果看出，在输入能量从高到低抑或是从低到高变化时，本申请实施例中公开的射频能量接收系统能够在3uS左右做出相应并更新最大功率点，相比其它设计，速度提高了十倍左右。

[0033] 本申请实施例中公开的能量转换电路，包括电能获取模块、功率整流器、开关储能电路、分数开路电压产生模块和电能输出模块。电能获取模块将获取的辐射能转换为电能，功率整流器对转换的电能进行整流以获取第一直流电，开关储能电路通过储能存储电容存储第一直流电的电能并输出第二直流电，电能输出模块依据接收的第二直流电的电能输出第三直流电作为能量转换电路的输出。其中，分数开路电压产生模块按一预设最大功率点获取比例对第二直流电进行分压，并将分压获取的最大功率输出电压值的第四直流电输出给电能输出模块，以按最大功率输出电压值输出第三直流电，使得射频能量接收系统的能量转换利用率得到提高。

[0034] 以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。