射頻-直流轉(zhuǎn)換器、能量收集電路及能量收集器的制造方法
【專利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及射頻(RF)到直流電(DC)的轉(zhuǎn)換電路，特別涉及高靈敏度的能量收集電路。
【【背景技術(shù)】】
[0002]半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)允許日益復(fù)雜的系統(tǒng)集成入更小的封裝內(nèi)。小型裝置可含有某些電路以連接到互聯(lián)網(wǎng)上，并執(zhí)行一些有用的功能，例如感測(cè)溫度、心率或加速度，或者控制相機(jī)、冰箱、門鎖、或汽車子系統(tǒng)。大量的這種連接裝置將會(huì)存在于物聯(lián)網(wǎng)(1T)上。
[0003]相較于有線連接，無(wú)線連接往往是首選，以減少安裝成本。大多數(shù)的這些連接裝置會(huì)是電池供電的，但有些會(huì)從外部電磁輻射(EM)獲得能量，例如無(wú)線電波。能量收集電路可以從外部EM源提取能量，以給電路供電或給電池充電。
[0004]近場(chǎng)通信(NFC)電路的接收器往往和發(fā)射器非常靠近，例如在幾厘米之內(nèi)或幾乎相互接觸。但是，大多數(shù)連接裝置并不會(huì)放置得如此接近接收器。NFC比遠(yuǎn)場(chǎng)具有更高的能量傳遞。因此NFC能量收集不適合用于多數(shù)連接裝置，因?yàn)閷?duì)于近場(chǎng)效果它們放置得離發(fā)射器太遠(yuǎn)了。
[0005]圖1顯示一個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)能量收集應(yīng)用。轉(zhuǎn)發(fā)器或基站142發(fā)送射頻(RF)波給連接裝置140?；ヂ?lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)組包可被編碼并通過(guò)RF波傳送。連接裝置140可傳輸返回?cái)?shù)據(jù)包到基站142，返回?cái)?shù)據(jù)包包括確認(rèn)和傳感器數(shù)據(jù)。
[0006]連接裝置140可以有小電池或電容器，其可以從基站142接收能量進(jìn)行再充電。RF波能量被每個(gè)連接裝置140內(nèi)的能量收集電路或RF-DC轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成直流電(DC)。當(dāng)從基站142接收到RF能量時(shí)，連接裝置140可以喚醒并執(zhí)行各種程序功能。
[0007]基站142到連接裝置之間的距離140是不同的，但通常都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)近場(chǎng)邊界，而遠(yuǎn)場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換又比近場(chǎng)低效太多和損耗太多。能量轉(zhuǎn)換的理論值依賴于RF頻率、發(fā)射功率、基站142和連接裝置140之間的距離。例如，如果連接裝置140和基站142距離10米，連接裝置140上有一個(gè)50歐姆的天線，那么基站142的900兆赫RF發(fā)射會(huì)導(dǎo)致只接收到28 μ W(微瓦)的74毫伏的信號(hào)。
[0008]迪克森電荷泵(Dickson charge pumps)和其他整流器已被用來(lái)作為能源收集電路。但是，輸入靈敏度和功率轉(zhuǎn)換效率還不足以用于許多應(yīng)用。晶體管閾值電壓會(huì)消耗太多的來(lái)自微小天線的小的可用的輸入信號(hào)。二極管或二極管連接式晶體管具有過(guò)大的電壓降，因而消耗過(guò)多的小輸入信號(hào)。
[0009]圖2是從外部RF傳輸獲取電力的連接裝置的方框圖。連接裝置140有基帶處理器102，其執(zhí)行在EEPROM 104中的程序或例程，通過(guò)接口模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 106讀取傳感器116?；鶐幚砥?02將傳感器數(shù)據(jù)嵌入IP包，該IP包通過(guò)天線122由發(fā)射器112發(fā)射到外部基站。從天線122接收的來(lái)自基站的數(shù)據(jù)包則由接收器108接收并由基帶處理器102處理。
[0010]RF-DC轉(zhuǎn)換器110從天線122接收信號(hào)，并產(chǎn)生直流電壓，對(duì)電容器114充電。電容器114作為電池對(duì)裝置120和傳感器116的所有部件進(jìn)行供電。對(duì)于射頻波來(lái)說(shuō)，由于天線122的接收功率非常小，所以RF-DC轉(zhuǎn)換器110必須具有高效率和高敏感度。期望有低紋波的輸出，這樣才能使用較小的電容器114。
[0011]期望有一種能用于低功耗應(yīng)用的RF-DC轉(zhuǎn)換器，用于連接裝置。期望有一種高效率的高敏感度的RF-DC轉(zhuǎn)換器。期望有一種使用標(biāo)準(zhǔn)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝的、可以轉(zhuǎn)換由RF波產(chǎn)生的小電壓的非近場(chǎng)的能量收集電路。
【【附圖說(shuō)明】】
[0012]圖1顯示遠(yuǎn)場(chǎng)能量收集應(yīng)用。
[0013]圖2是從外部RF傳輸獲得電力的連接裝置的方框圖。
[0014]圖3是使用雙排L-開關(guān)網(wǎng)絡(luò)及四個(gè)電容器陣列的RF-DC轉(zhuǎn)換器的示意圖。
[0015]圖4是前幾級(jí)L-開關(guān)更詳細(xì)的示意圖。
[0016]圖5A-B顯示L-開關(guān)在預(yù)充電和泵送電荷階段的運(yùn)行。
[0017]圖6是圖3-5電路的控制信號(hào)的時(shí)序圖。
[0018]圖7顯示NMOS實(shí)現(xiàn)的L-開關(guān)。
[0019]圖8顯示CMOS實(shí)現(xiàn)的L-開關(guān)。
[0020]圖9A-B顯示對(duì)L-開關(guān)η溝道晶體管的激活襯底控制。
[0021 ] 圖10是緩沖和開關(guān)控制的示意圖。
[0022]圖11是也產(chǎn)生激活襯底控制信號(hào)的緩沖和開關(guān)控制的示意圖。
【【具體實(shí)施方式】】
[0023]本發(fā)明涉及改進(jìn)的RF-DC轉(zhuǎn)換器。以下描述使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠依照特定應(yīng)用及其要求制作和使用在此提供的本發(fā)明。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將明了對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的各種修改，且本文所界定的一般原理可應(yīng)用于其它實(shí)施例。因此，本發(fā)明不希望限于所展示和描述的特定實(shí)施例，而是應(yīng)被賦予與本文所揭示的原理和新穎特征一致的最廣范圍。
[0024]圖3是使用雙排L-開關(guān)網(wǎng)絡(luò)以及四個(gè)電容器陣列的RF-DC轉(zhuǎn)換器的示意圖。從天線接收射頻信號(hào)RF+、RF-，并轉(zhuǎn)換為直流輸出DC+，然后可對(duì)電容器或電池充電，以收集RF能量。電容器或電池可連接在DC+和地之間。
[0025]緩沖和開關(guān)控制71接收RF+、RF-，并緩沖這些信號(hào)以產(chǎn)生緩沖RF信號(hào)BRF+、BRF-o這些信號(hào)與RF信號(hào)擺幅調(diào)制，并對(duì)四個(gè)電容器陣列的電容器極板泵入電荷(pump)。BRF+對(duì)第二電容器陣列的電容器20、22、24和第三電容器矩陣的電容器30、32的極板泵入電荷。BRF-對(duì)第一電容器陣列的電容器10、12和第四電容器陣列的電容器40、42、44的極板泵入電荷。
[0026]L-開關(guān)50、52、54、60、62、64各自充當(dāng)閥門，以分離并將注入電荷從一個(gè)電容器轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電容器。一系列這樣的L-開關(guān)會(huì)增加被注入電荷的電壓。因此，通過(guò)L-開關(guān)52的電壓輸出比通過(guò)L-開關(guān)50的電壓輸出要高。這一系列中的最后的L-開關(guān)將DC+輸出驅(qū)動(dòng)到最高泵升電。因此，一個(gè)小的RF+、RF-輸入電壓就被泵入電荷增加到以產(chǎn)生一個(gè)直流輸出電壓。
[0027]每個(gè)L-開關(guān)50、52、54、60、62、64有兩個(gè)MOS晶體管以倒L型布置。這兩個(gè)晶體管的柵極都由控制信號(hào)A、B控制，控制信號(hào)A、B由緩沖和開關(guān)控制71產(chǎn)生。因此不使用二極管連接式開關(guān)，從而避免開關(guān)上大的電壓降。
[0028]L-開關(guān)50、52、54和電容器10、12、20、22、24形成左排，而L-開關(guān)60、62、64和電容器30、32、40、42、44形成右排。當(dāng)左排在泵送電荷階段，右排就在預(yù)充電階段。因此，泵送電荷在兩排之間交替進(jìn)行。由于有兩排對(duì)同一節(jié)點(diǎn)交替泵入電荷，DC+輸出的輸出紋波就降低。來(lái)自L-開關(guān)54的左排輸出連接到來(lái)自L-開關(guān)64的右排輸出。
[0029]可以增加每排的級(jí)數(shù)以獲得所需的輸出電壓DC+。例如，在L-開關(guān)54后增加另一個(gè)L-開關(guān)50，可以加到第四級(jí)。左排第四個(gè)L-開關(guān)(未示出)會(huì)有另一個(gè)電容器20 (未示出)在第二電容器陣列中，位于第四L-開關(guān)右輸入和BRF+之間，還會(huì)有另一個(gè)電容器10(未示出)在第一電容器陣列中，位于第四L-開關(guān)底部輸入和BRF-之間。同樣，右排第四個(gè)L-開關(guān)(未示出)會(huì)有另一個(gè)電容器40(未示出)第四電容器陣列中，位于左排第四L-開關(guān)左輸入和BRF-之間，還會(huì)有另一個(gè)電容器30 (未示出)在第三電容器陣列中，位于左排第四L-開關(guān)底部輸入和BRF+之間。
[0030]圖4是更詳細(xì)的前幾級(jí)L-開關(guān)的示意圖。L-開關(guān)50有級(jí)轉(zhuǎn)換開關(guān)70和預(yù)充電開關(guān)72。預(yù)充電開關(guān)72的目的是為了對(duì)輸入電容器20進(jìn)行預(yù)充電，而級(jí)轉(zhuǎn)換開關(guān)70的目的是為了將電荷轉(zhuǎn)移到下一級(jí)，從電容器20到電容器10。
[0031]控制信號(hào)A、B交替地?cái)嚅_和閉合開關(guān)70、72。當(dāng)級(jí)轉(zhuǎn)換開關(guān)70閉合時(shí)，預(yù)充電開關(guān)72斷開。同樣，當(dāng)級(jí)轉(zhuǎn)換開關(guān)70斷開時(shí)，預(yù)充電開關(guān)72閉合。理想的情況A和B是無(wú)重疊的，但有輕微的重疊仍然允許泵送電荷操作，在效率上沒(méi)有大的損失。
[0032]L-開關(guān)60、62、64和L-開關(guān)50、52、54上的A和B控制是互換的?？刂菩盘?hào)A被施加到左排預(yù)充電開關(guān)72、76和右排級(jí)轉(zhuǎn)換開關(guān)80、84上?？刂菩盘?hào)B被施加到右排預(yù)充電開關(guān)82、86和左排級(jí)轉(zhuǎn)換開關(guān)70、74上。左、右排上交換控制信號(hào)會(huì)使得兩排交替進(jìn)行運(yùn)行。
[0033]圖5A-B顯示L-開關(guān)在預(yù)充電和泵送電荷階段的運(yùn)行。在圖5A，左排是在泵送電荷階段，右排是在預(yù)充電階段。A為低且B為高，BRF-為低或下降，BRF+為高或上升。但是，在圖5B，左排是在預(yù)充電階段，右排是在泵送電荷階段。A為高，B為低，BRF-為高或上升，BRF+為低或下降。
[0034]另外，在圖5A，預(yù)充電開關(guān)72被低信號(hào)A斷開，級(jí)轉(zhuǎn)換開關(guān)70被高信號(hào)B閉合。在電容器20的左或上極板的凈正電荷通過(guò)級(jí)轉(zhuǎn)換開關(guān)70與電容器10的上極板共享。由于BRF-下降至低，BRF+上升至高，電荷從電容器20通過(guò)級(jí)轉(zhuǎn)換開關(guān)70被推到電容器10。
[0035]類似地，BRF+上升通過(guò)電容器22耦合正電荷，然后通過(guò)級(jí)轉(zhuǎn)換開關(guān)74到電容器12上極板，在電容器12下極板上的BRF-下降有助于吸引電荷到電容器12的上極板。
[0036]另外，在圖5B，當(dāng)A為高且B為低時(shí)，在電容器10上極板的額外電荷通過(guò)L-開關(guān)52的預(yù)充電開關(guān)76向上推進(jìn)以電容器22進(jìn)行預(yù)充電。而且，預(yù)充電開關(guān)72閉合，允許BRF-到電容器20B的左或上極板。BRF-上升也通過(guò)電容器12耦合，使得其上極板電壓上升。
[0037]電容器10上極板的電壓將會(huì)比BRF-還要高，由于通過(guò)電容器10的電荷泵送和BRF-的上升擺動(dòng)耦合。同樣，電容器12上極板的電壓將會(huì)比電容器10上極板有更高的電壓值。因此在每排里，電壓逐級(jí)增加。
[0038]在下