TWI690131B - 射頻/直流轉換器 - Google Patents

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Abstract

一種射頻/直流轉換器(Rf/Dc Converter)，該射頻/直流轉換器可接收高頻率且高功率的一射頻訊號以進行轉換。該射頻/直流轉換器包含被配置為交叉耦合的一第一場效電晶體，一第二場效電晶體，一第三場效電晶體以及一第四場效電晶體，其中該第一場效電晶體與第二場效電晶體的源極連接一射頻訊號接受端，該第三場效電晶體與該第四場效電晶體的源極則連接一電位參考端。另一方面，該射頻/直流轉換器更包含接續於該第一場效電晶體，該第二場效電晶體，該第三場效電晶體以及該第四場效電晶體之後的一第五場效電晶體以及一第六場效電晶體。

Description

射頻/直流轉換器
本發明涉及一種射頻/直流轉換器，尤指一種可對高頻且具高功率的一射頻訊號進行直流轉換的用於高頻環境的射頻/直流轉換器。
現今無線電力擷取系統的基礎架構如圖1所示，主要包含一天線60，一連接該天線60的射頻/直流轉換器61以及一連接該射頻/直流轉換器61並進行輸出的電力調整模組62，而該射頻/直流轉換器61的電路架構就如圖2所揭。
但，該射頻/直流轉換器61於接受高頻且高功率的一射頻訊號的情況下，該射頻/直流轉換器61將不具整流特性，而使現今無線電力擷取系統的發展受到侷限。
本發明的主要目的，在於解決習用射頻/直流轉換器無法對一高頻且高功率的射頻訊號進行直流電力轉換的問題。
為達上述目的，本發明提供一種射頻/直流轉換器，接收一高頻率且高功率的射頻訊號以進行轉換，該射頻/直流轉換器包含一射頻訊號接受端，一電位參考端，一輸出端，一第一場效電晶體，一第二場效電晶體，一第三場效電晶體，一第四場效電晶體，一第五場效電晶體以及一第六場效電晶體。該第一場效電晶體包含一連接該射頻訊號接收端的第一源極， 一第一閘極及一第一汲極，該第二場效電晶體包含一連接該射頻訊號接收端與該第一源極的第二源極，一第二閘極及一第二汲極，該第三場效電晶體包含一連接該電位參考端的第三源極，一連接該第一閘極與該第二汲極的第三閘極，以及一連接該第二閘極與該第一汲極的第三汲極，該第四場效電晶體包含一連接該電位參考端與該第三源極的第四源極，一連接該第一汲極的第四閘極，以及一連接該第一閘極的第四汲極，該第五場效電晶體包含一連接該輸出端的第五源極，一連接該第二汲極的第五閘極，以及一連接該第二源極的第五汲極，該第六場效電晶體包含一連接該輸出端的第六源極，一連接該第一汲極的第六閘極，以及一連接該第二源極的第六汲極。
一實施例中，該射頻/直流轉換器更包含一第七場效電晶體，該第七場效電晶體具有一連接該第一源極及該第二源極的第七源極，一連接該射頻訊號接收端的第七閘極，以及一連接該第七閘極的第七汲極。進一步地，該第七場效電晶體為N型場效電晶體。
一實施例中，該第一場效電晶體與該第二場效電晶體為P型場效電晶體，該第三場效電晶體，該第四場效電晶體，第五場效電晶體以及該第六場效電晶體為N型場效電晶體。
一實施例中，該射頻/直流轉換器更包含一第八場效電晶體，一第九場效電晶體，一第一電容，一第二電容以及一電阻，該第八場效電晶體具有一連接該第五源極及該第六源極的第八源極，一連接該電壓參考端的第八閘極，以及一連接該第一電容的第八汲極，該第九場效電晶體具有一連接該第五源極及該第六源極的第九源極，一連接該電壓參考端的第九閘極，以及一連接該第二電容的第九汲極，該第一電容未與該第八汲極連接的一端與該電位參考端連接，該第二電容未與該第九汲極連接的一端與該 電位參考端連接，該電阻並聯該第一電容，該輸出端連接該電阻未與該電位參考端連接的一端。
一實施例中，該射頻/直流轉換器更包含一與該第二電容並聯的第三電容。
一實施例中，該射頻訊號的頻率為13.56M赫茲以上。
透過本發明前述所揭，相較於習用具有以下特點：本發明所揭該射頻/直流轉換器於接收高頻且高功率的該射頻訊號時，仍可轉出漣漪率較小的直流電力，且具有較佳的功率轉換效率，令無線充電的效率得以提升，並使無線充電的工作頻率不再受到侷限。
100:射頻/直流轉換器
10:射頻訊號接收端
11:電位參考端
12:輸出端
13:第一場效電晶體
131:第一源極
132:第一閘極
133:第一汲極
14:第二場效電晶體
141:第二源極
142:第二閘極
143:第二汲極
15:第三場效電晶體
151:第三源極
152:第三閘極
153:第三汲極
16:第四場效電晶體
161:第四源極
162:第四閘極
163:第四汲極
17:第五場效電晶體
171:第五源極
172:第五閘極
173:第五汲極
18:第六場效電晶體
181:第六源極
182:第六閘極
183:第六汲極
190、191、194、195:波形
192、193:量測點
20:第七場效電晶體
201:第七源極
202:第七閘極
203:第七汲極
21:第八場效電晶體
211:第八源極
212:第八閘極
213:第八汲極
22:第九場效電晶體
221:第九源極
222:第九閘極
223:第九汲極
23:第一電容
24:第二電容
25:電阻
26:第三電容
270、271、272、273:波形
300:晶片
60:天線
61:射頻/直流轉換器
62:電力調整模組
圖1，習用無線電力擷取系統的單元組成圖。
圖2，習用射頻/直流轉換器的電路圖。
圖3，本發明一實施例的電路示意圖。
圖4，為圖3量測點192，193在射頻訊號為13.56M赫茲時的波形圖。
圖5，為圖3量測點192，193在射頻訊號為0.9G赫茲時的穩態波形圖。
圖6，為本案與習用在射頻訊號為13.56M赫茲時的穩態輸出波形對照圖。
圖7，為本案與習用在射頻訊號為0.9G赫茲時的穩態輸出波形對照圖。
圖8，本發明一實施例的單元示意圖。
本發明詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下： 請參閱圖3，本發明提供一種射頻/直流轉換器100，可用於擷取無線能量，進一步來說，該射頻/直流轉換器100可被用於一無線充電模組之中。該射頻/直流轉換器100包含一射頻訊號接受端10，一電位參考端11，一輸出端12，一第一場效電晶體13，一第二場效電晶體14，一第三場效電晶體15，一第四場效電晶體16，一第五場效電晶體17以及一第六場效電晶體18。進一步地，該射頻訊號接收端10連接一天線30，以透過該天線30接受一射頻訊號301，該射頻訊號301為高頻且高功率，而所稱高頻是指13.56M赫茲以上的頻率，所稱高功率是指該射頻訊號的功率達0.1瓦特。該電位參考端11則可根據電路特性需求而可為直接接地或間接接地，也就是說，該電位參考端11於實施時非一定為零電位。再者，該輸出端12連接一負載，以對該負載提供電力。又，該第一場效電晶體13包含一連接該射頻訊號接收端10的第一源極131，一第一閘極132及一第一汲極133。該第二場效電晶體14包含一連接該射頻訊號接收端10與該第一源極131的第二源極141，一第二閘極142及一第二汲極143。該第三場效電晶體15包含一連接該電位參考端11的第三源極151，一連接該第一閘極132與該第二汲極143的第三閘極152，以及一連接該第二閘極142與該第一汲極133的第三汲極153。該第四場效電晶體16包含一連接該電位參考端11與該第三源極151的第四源極161，一連接該第一汲極133的第四閘極162，以及一連接該第一閘極132的第四汲極163。另一方面，該第五場效電晶體17包含一連接該輸出端12的第五源極171，一連接該第二汲極143的第五閘極172，以及一連接該第二源極141的第五汲極173，該第六場效電晶體18包含一連接該輸出端12的第六源極181，一連接該第一汲極133的第六閘極182，以及一連接該第二源極141的第六汲極183。一實施例中，該第一場效電晶體13與該第二場效電晶體14 為P型場效電晶體，該第三場效電晶體15，該第四場效電晶體16，第五場效電晶體17以及該第六場效電晶體18為N型場效電晶體。
本發明該第一場效電晶體13，該第二場效電晶體14，該第三場效電晶體15及該第四場效電晶體16被配置為交叉耦合(Cross-Coupled)而具鎖存(Latch)功能。該第一場效電晶體13，該第二場效電晶體14，該第三場效電晶體15及該第四場效電晶體16控制該第五場效電晶體17或該第六場效電晶體18的導通或截止，該射頻/直流轉換器100穩態後，該第五場效電晶體17與該第六場效電晶體18將因當下整體電路特性而僅有其中一者導通。併請參閱圖4，圖4中所示一波形190為向該第五場效電晶體17傳遞的電力波形，該波形190是由圖3所繪量測點192取得，而另一波形191則為向該第六場效電晶體18傳遞的電力波形，該波形191是由圖3所繪量測點193取得。由該波形190可知，該波形190於啟動初期經過短暫振盪後，隨即降至零電位，也就是說該第五場效電晶體17的該第五閘極172於本發明穩態後，未接受到足以形成通道的電力而截止，進一步地圖4所揭實驗例的頻率為13.56M赫茲。除此之外，本文更以射頻訊號頻率為0.9G赫茲進行模擬，請參閱圖5，圖5所示其中一波形194是由圖3所繪量測點192取得，另一波形195則是由圖3所繪量測點193取得。
另一方面，該波形191於啟動初期亦產生振盪，但隨著整體電路特性因素而逐漸升壓，而令該第六場效電晶體18的該第六閘極182接受到足夠地電力以形成通道，使該第六場效電晶體18導通。再者，本發明令該第五場效電晶體17與該第六場效電晶體18的導通內阻非常小，而可有效提高功率轉換效率(Power conversion efficiency，簡稱PCE)。除此之外，該第五場效電晶體17與該第六場效電晶體18更令傳遞至該輸出端12的電力的時變特 性更接近常數，亦即使傳遞至該輸出端12的電力的漣漪率降低而可更趨近於直流。
復請參閱圖3，一實施例中，該射頻/直流轉換器100更包含一第七場效電晶體20，該第七場效電晶體20具有一連接該第一源極131及該第二源極141的第七源極201，一連接該射頻訊號接收端10的第七閘極202，以及一連接該第七閘極202的第七汲極203。進一步，該第七場效電晶體20的該第七閘極202與該第七汲極203相連，而令該第七場效電晶體20的臨界電壓趨近於零，令該第七場效電晶體20可對自該射頻訊號接受端10的該射頻訊號進行更完美的半波整流，令自該第七汲極203輸出的電力，其電位較高，漣漪率較低，亦即耗損較小，有助於提高功率轉換效率。此外，該第七場效電晶體20可為N型場效電晶體。
復請參閱圖3，本發明為進一步降低該輸出端12所輸出電力的漣漪率，一實施例中，該射頻/直流轉換器100更包含一第八場效電晶體21，一第九場效電晶體22，一第一電容23，一第二電容24以及一電阻25，該第八場效電晶體21具有一連接該第五源極171及該第六源極181的第八源極211，一連接該電壓參考端11的第八閘極212，以及一連接該第一電容23的第八汲極213，該第九場效電晶體22具有一連接該第五源極171及該第六源極181的第九源極221，一連接該電壓參考端11的第九閘極222，以及一連接該第二電容24的第九汲極223，該第一電容23未與該第八汲極213連接的一端與該電位參考端11連接，該第二電容24未與該第九汲極223連接的一端與該電位參考端11連接，該電阻25並聯該第一電容23，該輸出端12連接該電阻25未與該電位參考端11連接的一端。承此，該第八場效電晶體21，該第九場效電晶體22，該第一電容23，該第二電容24以及該電阻25將構成低通濾波器，而對該第五場效電晶體17或該第六場效電晶體18所輸出的電力作 低通濾波，使本發明經該輸出端12所輸出的電力的漣漪率得以降低。進一步地，為避免轉換後的直流電力因該輸出端所連接負載的阻抗發生變動而產生大幅變化。一實施例中，該射頻/直流轉換器100更包含一與該第二電容24並聯的第三電容26，該第三電容26的電容值可為1nF。
承上，本文更以該射頻訊號為13.56M赫茲及0.9G赫茲的情況，比較本發明與習用電路(即圖1所揭)的轉換能力，結果就如圖6及圖7所示，其中圖6為13.56M赫茲的模擬情況，圖7則為0.9G赫茲的模擬情況。由兩圖所揭可知，本發明該射頻/直流轉換器100於穩態時的輸出波形為圖中所標示的波形270、271，而習用電路於穩態時的輸出波形則為圖中所標示的波形272、273。由此可清楚發現，本發明於高頻環境下仍可轉出漣漪率較小的直流電力。反觀，習用電路輸出的電力仍具交流特性，而無法於此環境下正常作業。
併請參閱圖8，本發明該射頻/直流轉換器100可基於本文所揭以複數電子元件實現，又或者是基於本文所揭透過積體電路設計以積體電路實現，而當該射頻/直流轉換器100以獨立的積體電路實施時，該射頻/直流轉換器將可獨立封裝為一晶片300，該晶片300於一實施例中的實施電路如圖6所揭。除此之外，本發明該射頻/直流轉換器100非以獨立實施為限，而可搭配其他電路或模組一同實施。
100．．．．．．．．．．．．．射頻/直流轉換器 10．．．．．．．．．．．．．射頻訊號接收端 11．．．．．．．．．．．．．電位參考端 12．．．．．．．．．．．．．輸出端 13．．．．．．．．．．．．．第一場效電晶體 131．．．．．．．．．．．．．第一源極 132．．．．．．．．．．．．．第一閘極 133．．．．．．．．．．．．．第一汲極 14．．．．．．．．．．．．．第二場效電晶體 141．．．．．．．．．．．．．第二源極 142．．．．．．．．．．．．．第二閘極 143．．．．．．．．．．．．．第二汲極 15．．．．．．．．．．．．．第三場效電晶體 151．．．．．．．．．．．．．第三源極 152．．．．．．．．．．．．．第三閘極 153．．．．．．．．．．．．．第三汲極 16．．．．．．．．．．．．．第四場效電晶體 161．．．．．．．．．．．．．第四源極 162．．．．．．．．．．．．．第四閘極 163．．．．．．．．．．．．．第四汲極 17．．．．．．．．．．．．．第五場效電晶體 171．．．．．．．．．．．．．第五源極 172．．．．．．．．．．．．．第五閘極 173．．．．．．．．．．．．．第五汲極 18．．．．．．．．．．．．．第六場效電晶體 181．．．．．．．．．．．．．第六源極 182．．．．．．．．．．．．．第六閘極 183．．．．．．．．．．．．．第六汲極 192、193．．．．．．．．．．．量測點 20．．．．．．．．．．．．．第七場效電晶體 201．．．．．．．．．．．．．第七源極 202．．．．．．．．．．．．．第七閘極 203．．．．．．．．．．．．．第七汲極 21．．．．．．．．．．．．．第八場效電晶體 211．．．．．．．．．．．．．第八源極 212．．．．．．．．．．．．．第八閘極 213．．．．．．．．．．．．．第八汲極 22．．．．．．．．．．．．．第九場效電晶體 221．．．．．．．．．．．．．第九源極 222．．．．．．．．．．．．．第九閘極 223．．．．．．．．．．．．．第九汲極 23．．．．．．．．．．．．．第一電容 24．．．．．．．．．．．．．第二電容 25．．．．．．．．．．．．．電阻 26．．．．．．．．．．．．．第三電容

Claims (10)

  1. 一種射頻/直流轉換器，接收一高頻率且高功率的射頻訊號以進行轉換，該射頻/直流轉換器包含：一射頻訊號接收端；一電位參考端；一輸出端；一第一場效電晶體，包含一連接該射頻訊號接收端的第一源極，一第一閘極及一第一汲極；一第二場效電晶體，包含一連接該射頻訊號接收端與該第一源極的第二源極，一第二閘極及一第二汲極；一第三場效電晶體，包含一連接該電位參考端的第三源極，一連接該第一閘極與該第二汲極的第三閘極，以及一連接該第二閘極與該第一汲極的第三汲極；一第四場效電晶體，包含一連接該電位參考端與該第三源極的第四源極，一連接該第一汲極的第四閘極，以及一連接該第一閘極的第四汲極；一第五場效電晶體，包含一連接該輸出端的第五源極，一連接該第二汲極的第五閘極，以及一連接該第二源極的第五汲極；以及一第六場效電晶體，包含一連接該輸出端的第六源極，一連接該第一汲極的第六閘極，以及一連接該第二源極的第六汲極。
  2. 如請求項1所述的射頻/直流轉換器，更包含一第七場效電晶體，該第七場效電晶體具有一連接該第一源極及該第二源極的第七源極，一連接該射頻訊號接收端的第七閘極，以及一連接該第七閘極的第七汲極。
  3. 如請求項2所述的射頻/直流轉換器，其中，該第七場效電晶體為N型場效電晶體。
  4. 如請求項1或2或3所述的射頻/直流轉換器，其中，該第一場效電晶體與該第二場效電晶體為P型場效電晶體，該第三場效電晶體，該第四場效電晶體，該第五場效電晶體以及該第六場效電晶體為N型場效電晶體。
  5. 如請求項4所述的射頻/直流轉換器，更包含一第八場效電晶體，一第九場效電晶體，一第一電容，一第二電容以及一電阻，該第八場效電晶體具有一連接該第五源極及該第六源極的第八源極，一連接該電壓參考端的第八閘極，以及一連接該第一電容的第八汲極，該第九場效電晶體具有一連接該第五源極及該第六源極的第九源極，一連接該電壓參考端的第九閘極，以及一連接該第二電容的第九汲極，該第一電容未與該第八汲極連接的一端與該電位參考端連接，該第二電容未與該第九汲極連接的一端與該電位參考端連接，該電阻並聯該第一電容，該輸出端連接該電阻未與該電位參考端連接的一端。
  6. 如請求項5所述的射頻/直流轉換器，更包含一與該第二電容並聯的第三電容。
  7. 如請求項1或2或3所述的射頻/直流轉換器，更包含一第八場效電晶體，一第九場效電晶體，一第一電容，一第二電容以及一電阻，該第八場效電晶體具有一連接該第五源極及該第六源極的第八源極，一連接該電壓參考端的第八閘極，以及一連接該第一電容的第八汲極，該第九場效電晶體具有一連接該第五源極及該第六源極的第九源極，一連接該電壓參考端的第九閘極，以及一連接該第二電容的第九汲極，該第一電容未與該第八汲極連接的一端與該電位參考端連接，該第二電容未與該第九汲極連接的一端與該電位參考端連接，該電阻並聯該第一電容，該輸出端連接該電阻未與該電位參考端連接的一端。
  8. 如請求項7所述的射頻/直流轉換器，更包含一與該第二電容並聯的第三電容。
  9. 如請求項7所述的射頻/直流轉換器，其中，該射頻訊號的頻率為13.56M赫茲以上。
  10. 如請求項1或2或3所述的射頻/直流轉換器，其中，該射頻訊號的頻率為13.56M赫茲以上。
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