CN111130603A - 一种WiFi能量采集电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种WiFi能量采集电路。本发明中的天线模块的输出端连接阻抗匹配网络模块的输入端;阻抗匹配网络模块的输出端连接整流器模块的输入端;阻抗匹配网络模块用于匹配天线模块与整流器模块、DC‑DC/能量管理模块、能量存储模块和输出模块的总负载阻抗;整流器的输出端连接DC‑DC/能量管理模块的输入端;DC‑DC/能量管理模块的储能接口引脚连接能量存储模块接口;DC‑DC/能量管理模块的输出端连接输出模块的输入端;本发明的优点是不仅能量收集效率较高而且能量损耗也低。
Description
技术领域
本发明属于能量采集领域,涉及一种电路,具体是一种WiFi能量采集电路。
背景技术
随着现代科学技术的快速发展,各种各样的小型低功耗电子设备进入了人们的日常生活。电子设备正常工作的基本要素是电能,而反反复复的充电总是会不可避免地给人们带来诸多不便,甚至会带来安全问题。
随着通信技术的发展和通信基础设施的大规模建设,电磁波信号已经在日常生活的环境中随处可见。由此,科技工作者开始研究采集环境射频能量给电子设备供电的无线供电技术。
当今社会,随着WiFi技术的快速普及,WiFi网络已经遍布于工作和生活的各个角落。人们开始研究从WiFi信号中捕获能量,并将捕获的能量转换成一定电压的直流电能来为电子设备供电。目前研究人员已经做了诸多WiFi能量采集方面的工作。但是现有的WiFi能量采集***存在三个问题:一、能量采集***的电路结构复杂,使得***自身损耗的能量比较大;二、天线模块的阻抗与WiFi能量采集***中其它模块的总负载阻抗不相等,由此天线模块采集WiFi信号时,WiFi信号必然会反射一部分的能量,造成能量损耗,由此导致能量收集效率不高;三、对采集的能量没有高效的管理,造成能量的无谓损失比较大。
发明内容
本发明针对现有技术的不足,提供了一种能量采集效率高、自身能量损耗小,且可高效管理能量的WiFi能量采集电路。
为解决上述问题,本发明所采取的具体技术方案是:
一种WiFi能量采集电路,包括天线模块、阻抗匹配网络模块、整流器模块、DC-DC/能量管理模块、能量存储模块和输出模块。所述阻抗匹配网络模块使得所述天线模块与所述整流器模块、所述DC-DC/能量管理模块、所述能量存储模块和所述输出模块的总负载阻抗相匹配。所述天线模块的输出端连接所述阻抗匹配网络模块的输入端;所述阻抗匹配网络模块的输出端连接所述整流器模块的输入端;所述整流器的输出端连接所述DC-DC/能量管理模块的输入端;所述DC-DC/能量管理模块的储能接口引脚连接所述能量存储模块的输入/输出端;所述DC-DC/能量管理模块的输出端连接所述输出模块的输入端。
所述天线模块采用了型号为W1010的外置天线,它的输出端连接所述阻抗匹配网络模块的输入端。
具体的,所述天线的中心频率为2.4GHz 、增益为2dBi、阻抗为50欧姆;所述天线可全方向接收WiFi信号。
所述阻抗匹配网络模块包括第一号电容和第一号电感,这里的电感为高频电感;所述第一号电感的1(本文档中以下文字里面,电子器件的端编号和脚编号的详细标识请看说明书附图文件)端连接所述第一号电容的1端且其连接端为所述阻抗匹配网络模块电路的输入端,第一号电容的2端接地,以抑制干扰信号。所述第一号电感的2端为所述阻抗匹配网络模块电路的输出端,该输出端连接整流器模块的输入端。
具体的,所述阻抗匹配网络模块使得天线模块的阻抗等于整流器模块、DC-DC/能量管理模块、能量存储模块和输出模块的总负载阻抗;且阻抗大小为50欧姆,该阻值让整个***工作状态达到最优。所述第一号电容和第一号电感组成单级LC匹配网络电路;该电路结构简单,损耗低。
所述整流器模块包括第二号电容、第三号电容、第一号二极管、第二号二极管;所述第二号电容的1端为整流器模块的输入端;所述第二号电容的2端和所述第一号二极管的1端(负极)均连接所述第二号二极管的2端(正极);所述第一号二极管的2端(正极)接地;所述第二号二极管的1端(负极)连接所述第三号电容的1端且其连接端为所述整流器模块的输出端;所述第三号电容的2端接地。该整流器模块将匹配网络模块输出的正弦波交流信号转换成直流信号,并将直流信号的电压升至正弦波交流信号幅值的两倍;所述第三号电容可以消除流经整流器模块的直流信号中的高频部分;此处所用的电容和二极管均为高性能、低损耗的电子器件,所以由二者组成的整流器模块的损耗也比较低。
具体的,所述第一号二极管和第二号二极管均为型号为SMS7630-061的高性能肖特基二极管;所述第二号电容和第三号电容都是高品质、低损耗的高频电容。
所述DC-DC/能量管理模块包括集成了各种功能的能量管理芯片、第四号电容、第五号电容、第六号电容、第七号电容、第八号电容、第二号电感、第三号电感、第一号电阻、第二号电阻、第三号电阻、第四号电阻、第五号电阻、第六号电阻和第七号电阻;所述能量管理芯片为型号为BQ25570的低功耗芯片。所述能量管理芯片的第2脚、所述第二号电感的1端和所述第四号电容的1端均连接所述第五号电容的1端且其连接端为所述DC-DC/能量管理模块的输入端;所述第四号电容的2端接地,所述第五号电容的2端接地;所述第二号电感的2端连接所述能量管理芯片的第20脚;所述第七号电容的2端、所述第八号电容的2端、所述能量管理芯片的第19脚、所述能量管理芯片的第3脚和所述能量管理芯片的第6脚均连接所述能量管理芯片的第13脚,所述第七号电容的1端接地,所述第八号电容的1端接地;所述第六号电容的1端连接所述能量管理芯片的第4脚;所述第六号电容的2端接地;所述能量管理芯片的第7脚和所述第一号电阻的2端均连接所述第二号电阻的1端,所述第二号电阻的2端接地;所述第一号电阻的1端、所述能量管理芯片的第8脚和所述第三号电阻的1端均连接所述第六号电阻的1端;所述第三号电阻的2端和所述第四号电阻的1端均连接所述能量管理芯片的第10脚;所述第四号电阻的2端和所述第五号电阻的1端均连接所述能量管理芯片的第11脚,所述第五号电阻的2端接地;所述第六号电阻的2端和所述第七号电阻的1端均连接所述能量管理芯片的第12脚,所述第七号电阻的2端接地;所述能量管理芯片的第1脚、所述能量管理芯片的第5脚、所述能量管理芯片的第9脚、所述能量管理芯片的第15脚和所述能量管理芯片的第17脚均接地;所述能量管理芯片的第16脚连接所述第三号电感的1端;所述第三号电感的2端连接所述能量管理芯片的第14脚且连接端为所述DC-DC/能量管理模块的输出端;所述能量管理芯片的第18脚连接能量存储模块的输入/输出接口。此处的能量管理芯片可以高效的管理采集的能量,因为这个芯片集成了许多的能量管理功能,如:DC-DC升降压转换功能、芯片内能量流控制功能、外部电阻编程设置最大输出电压功能等;综上所述,本模块电路结构简单、损耗低,而且实现的功能还多。
具体的,所述能量管理芯片BQ25570可在输入电压低至330 mV的情况下启动,一旦启动,便可以继续收集输入电压低至100 mV的能量;这款芯片仅需微瓦功率即可开始工作所以它非常适合用来满足超低功耗应用的特殊需求。
所述能量存储模块包括一个能量储存元件;所述能量储存元件1端(正极)连接所述能量管理芯片的第18脚且连接端为所述能量存储模块的输入/输出端;所述能量储存元件的2端(负极)接地;所述能量储存元件存储***采集的多余能量来提高***整体的能量利用率。
具体的,所述能量储存元件可以是可再充电锂电池、薄膜电池、超级电容器等。
所述输出模块包括了第九号电容、第十号电容和输出接口端子;所述第九号电容的1端和所述第十号电容的1端均连接所述输出接口端子的1端(正极)且连接端为输出模块的输入端;所述第九号电容的2端接地,所述第十号电容的2端接地,所述输出接口端子的2端(负极)接地;所述第十号电容用来消除DC-DC/能量管理模块输出的直流信号中的高频成分;所述第九号电容用来消除DC-DC/能量管理模块输出的直流信号中的低频成分。本模块电路结构简单,损耗低。
本发明所具有的有益效果是:
一、本发明专门用于WiFi能量采集。本发明电路可以从某些环境中持续不断的采集WiFi能量,来给低功耗的小型电子设备供能。
二、本电路所述阻抗匹配网络模块使得天线模块的阻抗和整流器模块、DC-DC/能量管理模块、能量存储模块和输出模块的总负载阻抗相匹配;且这个匹配的阻抗大小为50欧姆;这将会有效减少WiFi能量的反射,使得天线模块采集更多的能量,从而提升整个能量采集***的采集效率。
三、为了使本应用电路中的电子器件的能量损耗尽可能的小,在DC-DC/能量管理模块电路中,采用了超低功耗的高度集成了各种功能的能量管理芯片;在整流器模块电路中,采用了具有超低损耗特性的二极管和电容;在匹配网络模块电路中,采用了封装具有最小寄生电感特性的高频电感;再加上***其他部分电路的结构也非常简单,因此整个***的能耗就相对较低,这样就最大限度地提高了整个***的能量利用效率。
附图说明
图1为本发明电路的***结构框图。
图2为本发明电路的阻抗匹配网络模块的电路原理图。
图3为本发明电路的整流器模块的电路原理图。
图4为本发明电路的DC-DC/能量管理模块的电路原理图。
图5为本发明电路的能量存储模块电路原理图。
图6为本发明电路的输出模块的电路原理图。
图7为本发明电路的整体电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示,一种WiFi能量采集电路***,包括天线模块、阻抗匹配网络模块、整流器模块、DC-DC/能量管理模块、能量存储模块和输出模块;所述天线模块的输出端连接所述阻抗匹配网络模块的输入端;所述阻抗匹配网络模块的输出端连接所述整流器模块的输入端;所述整流器的输出端连接所述DC-DC/能量管理模块的输入端;所述DC-DC/能量管理模块的储能模块接口引脚连接所述能量存储模块的输入/输出端;所述DC-DC/能量管理模块的输出端连接所述输出模块的输入端。
参照图1,下面将详细阐述本发明的电路的工作原理:首先天线模块从WiFi信号中采集能量;阻抗匹配网络模块匹配它的前后级电路的阻抗,以减少能量的反射;整流器模块将接收来的正弦载波信号转换成直流信号,并且将直流信号的电压升至正弦波交流信号幅值的两倍;DC-DC/能量管理模块的工作流程为:它首先从整流器模块输出的直流信号中提取能量,然后根据获取能量的多少执行不同的能量管理策略,最后在执行完相应策略后,输出特定电压值的直流信号;其中所述能量管理策略主要有两个:一、当获取的能量多时,这些收集到的能量将被转换成特定电压值的直流信号,如果还有剩余则储存在能量存储模块中;二、当获取的能量少时,这些收集到的能量和能量存储模块中的能量一起被转换成特定电压值的直流信号。能量存储模块将***采集的多余能量存储在储能元件里;输出模块将DC-DC/能量管理模块输出的特定电压值的直流信号稳定的提供给外部负载设备。
如图2所示,阻抗匹配网络模块包括第一号电容C1和第一号电感L1,这里的电感为高频电感;所述第一号电感的1端连接所述第一号电容的1端且其连接端为所述阻抗匹配网络模块电路的输入端,第一号电容的2端接地,以抑制干扰信号;所述第一号电感L1的2端为所述阻抗匹配网络模块电路的输出端,该输出端连接整流器模块的输入端;所述阻抗匹配网络模块使得天线模块的阻抗等于整流器模块、DC-DC/能量管理模块、能量存储模块和输出模块的总负载阻抗,且阻抗大小为50欧姆,该阻值让整个***的工作状态达到最优。所述第一号电容C1和第一号电感L1组成单级LC匹配网络电路;该模块电路结构简单,损耗低。
如图3所示,整流器模块包括第二号电容C2、第三号电容C3、第一号二极管D1、第二号二极管D2;所述第二号电容C2和第三号电容C3都是高品质、低损耗的高频电容;所述第一号二极管D1和第二号二极管D2均为型号为SMS7630-061的高性能肖特基二极管;所述第二号电容C2的1端为整流器模块的输入端;所述第二号电容C2的2端和所述第一号二极管D1的1端(负极)均连接所述第二号二极管D2的2端(正极);所述第一号二极管D1的2端(正极)接地;所述第二号二极管D2的1端(负极)连接所述第三号电容C3的1端且其连接端为所述整流器模块的输出端,所述第三号电容C3的2端接地。该整流器模块将匹配网络模块输出的正弦波交流信号转换成直流信号,并将直流信号的电压升至正弦波交流信号幅值的两倍;所述第三号电容C3可以消除流经整流器模块的直流信号中的高频部分;此处所用的电容和二极管均为高性能、低损耗的电子器件,所以由二者组成的整流器模块电路的损耗也比较低。
如图4所示, DC-DC/能量管理模块包括集成了各种功能的能量管理芯片U1、第四号电容C4、第五号电容C5、第六号电容C6、第七号电容C7、第八号电容C8、第二号电感L2、第三号电感L3、第一号电阻R1、第二号电阻R2、第三号电阻R3、第四号电阻R4、第五号电阻R5、第六号电阻R6和第七号电阻R7;所述能量管理芯片U1的第2脚、所述第二号电感L2的1端和所述第四号电容C4的1端均连接所述第五号电容C5的1端且其连接端为所述DC-DC/能量管理模块的输入端;所述第四号电容C4的2端接地,所述第五号电容C5的2端接地;所述第二号电感L2的2端连接所述能量管理芯片U1的第20脚;所述第七号电容C7的2端、所述第八号电容C8的2端、所述能量管理芯片U1的第19脚、所述能量管理芯片U1的第3脚和所述能量管理芯片U1的第6脚均连接所述能量管理芯片U1的第13脚,所述第七号电容的1端接地,所述第八号电容的1端接地;所述第六号电容C6的1端连接所述能量管理芯片U1的第4脚;所述第六号电容C6的2端接地;所述能量管理芯片U1的第7脚和所述第一号电阻R1的2端均连接所述第二号电阻R2的1端;所述第二号电阻R2的2端接地;所述第一号电阻R1的1端、所述能量管理芯片U1的第8脚和所述第三号电阻R3的1端均连接所述第六号电阻R6的1端;所述第三号电阻R3的2端和所述第四号电阻R4的1端均连接所述能量管理芯片U1的第10脚;所述第四号电阻R4的2端和所述第五号电阻R5的1端均连接所述能量管理芯片U1的第11脚;所述第五号电阻R5的2端接地;所述第六号电阻R6的2端和所述第七号电阻R7的1端均连接所述能量管理芯片U1的第12脚;所述第七号电阻R7的2端接地;所述能量管理芯片U1的第1脚、所述能量管理芯片U1的第5脚、所述能量管理芯片U1的第9脚、所述能量管理芯片U1的第15脚和所述能量管理芯片U1的第17脚均接地;所述能量管理芯片U1的第16脚连接所述第三号电感L3的1端;所述第三号电感L3的2端连接所述能量管理芯片U1的第14脚且连接端为所述DC-DC/能量管理模块的输出端。所述能量管理芯片U1的第18脚连接能量存储模块的输入/输出接口;本模块电路结构简单、损耗低。
如图5所示,能量存储模块包括一个能量储存元件BAT;所述能量储存元件BAT1端(正极)连接所述能量管理芯片U1的第18脚且连接端为所述能量存储模块的输入/输出端;所述能量储存元件BAT的2端(负极)接地;所述能量储存元件BAT可以是可再充电锂电池、薄膜电池、超级电容器等;所述能量储存元件BAT存储***采集的多余能量来提高***整体的能量利用率。
如图6所示,输出模块包括第九号电容C9、第十号电容C10和输出接口端子Road;所述第九号电容C9的1端和所述第十号电容C10的1端均连接所述输出接口端子Road的1端(正极)且连接端为输出模块的输入端;所述第九号电容C9的2端接地,所述第十号电容C10的2端接地,所述输出接口端子Road的2端(负极)接地;所述第十号电容C10用来消除DC-DC/能量管理模块输出的直流信号中的高频成分;所述第九号电容C9用来消除DC-DC/能量管理模块输出的直流信号中的低频成分。本模块电路结构简单,损耗低。
Claims (5)
1.一种WiFi能量采集电路,包括天线模块、阻抗匹配网络模块、整流器模块、DC-DC/能量管理模块、能量存储模块和输出模块,其特征在于:
所述阻抗匹配网络模块使得天线模块的阻抗等于整流器模块、DC-DC/能量管理模块、能量存储模块和输出模块的总负载阻抗;
所述的天线模块的输出端连接所述的阻抗匹配网络模块的输入端;所述的阻抗匹配网络模块的输出端连接所述的整流器模块的输入端;所述的整流器的输出端连接所述的DC-DC/能量管理模块的输入端;所述的DC-DC/能量管理模块的储能接口引脚连接所述能量存储模块的输入/输出端;所述的DC-DC/能量管理模块的输出端连接所述的输出模块的输入端;
所述阻抗匹配网络模块包括第一号电容和第一号电感;所述第一号电感的1端连接所述第一号电容的1端且其连接端为所述阻抗匹配网络模块电路的输入端,第一号电容的2端接地,以抑制干扰信号;所述第一号电感的2端为所述的阻抗匹配网络模块电路的输出端,该输出端连接整流器模块的输入端;
所述整流器模块包括第二号电容、第三号电容、第一号二极管和第二号二极管;所述第二号电容的1端为整流器模块的输入端;所述第二号电容的2端和所述第一号二极管的负极均连接所述第二号二极管的正极;所述第一号二极管的正极接地;所述第二号二极管的负极连接所述第三号电容的1端且其连接端为所述整流器模块的输出端,所述第三号电容的2端接地;
所述DC-DC/能量管理模块包括集成了多种功能的能量管理芯片、第四号电容、第五号电容、第六号电容、第七号电容、第八号电容、第二号电感、第三号电感、第一号电阻、第二号电阻、第三号电阻、第四号电阻、第五号电阻、第六号电阻和第七号电阻;所述能量管理芯片为型号为BQ25570的低功耗芯片;所述第五号电容的1端、所述第二号电感的1端和所述第四号电容的1端均连接所述能量管理芯片的第2脚且其连接端为所述DC-DC/能量管理模块的输入端;所述第四号电容的2端接地,所述第五号电容的2端接地;所述第二号电感的2端连接所述能量管理芯片的第20脚;所述第七号电容的2端、所述第八号电容的2端、所述能量管理芯片的第19脚、所述能量管理芯片的第3脚和所述能量管理芯片的第6脚均连接所述能量管理芯片的第13脚,所述第七号电容的1端接地,所述第八号电容的1端接地;所述第六号电容的1端连接所述能量管理芯片的第4脚,所述第六号电容的2端接地;所述能量管理芯片的第7脚和所述第一号电阻的2端均连接所述第二号电阻的1端,所述第二号电阻的2端接地;所述第一号电阻的1端、所述能量管理芯片的第8脚和所述第三号电阻的1端均连接所述第六号电阻的1端;所述第三号电阻的2端和所述第四号电阻的1端均连接所述能量管理芯片的第10脚;所述第四号电阻的2端和所述第五号电阻的1端均连接所述能量管理芯片的第11脚,所述第五号电阻的2端接地;所述第六号电阻的2端和所述第七号电阻的1端均连接所述能量管理芯片的第12脚,所述第七号电阻的2端接地;所述能量管理芯片的第1脚、所述能量管理芯片的第5脚、所述能量管理芯片的第9脚、所述能量管理芯片的第15脚和所述能量管理芯片的第17脚均接地;所述能量管理芯片的第16脚连接所述第三号电感的1端;所述第三号电感的2端连接所述能量管理芯片的第14脚且连接端为所述DC-DC/能量管理模块的输出端;所述能量管理芯片的第18脚连接能量存储模块的输入/输出接口;
所述能量存储模块包括一个能量储存元件;所述能量储存元件的正极连接所述能量管理芯片的第18脚且连接端为所述能量存储模块的输入/输出端;所述能量储存元件的负极接地;
所述输出模块包括第九号电容、第十号电容和输出接口端子;所述第九号电容的1端和所述第十号电容的1端均连接所述输出接口端子的正极且连接端为输出模块的输入端;所述第九号电容的2端接地,所述第十号电容的2端接地,所述输出接口端子的负极接地。
2.根据权利要求1所述的一种WiFi能量采集电路,其特征在于:天线模块采用了型号为W1010的外置天线;该天线的阻抗为50欧姆。
3.根据权利要求1所述的一种WiFi能量采集电路,其特征在于:所述第一号电感为高频电感。
4.根据权利要求1所述的一种WiFi能量采集电路,其特征在于:所述的第二号电容和第三号电容都是高品质、低损耗的高频电容;所述的第一号二极管和第二号二极管均为型号为SMS7630-061的高性能肖特基二极管。
5.根据权利要求1所述的一种WiFi能量采集电路,其特征在于:所述DC-DC/能量管理模块可在低至300mv的输入电压下启动,启动后可持续收集输入电压低至100mv的能量。
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- 2019-12-06 CN CN201911237602.8A patent/CN111130603A/zh active Pending
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