用于射频能量获取的基于功率检测和量化的快速MPPT方法

本发明属于最大功率点追踪，具体涉及一种用于射频能量获取的基于功率检测和量化的快速mppt方法。

背景技术：

1、射频能量是频段分布广泛的高频交流能量，并且其输入功率范围广，十分稳定，可以无介质传递能量，射频能量获取具有功率密度高、体积小等优点，十分适用于向无线传感器节点提供稳定的供电。射频能量需要采用射频能量整流接口电路实现升压和交直流转换，而射频能量整流接口电路的负载大小对于射频能量整流接口电路的效率影响很大，因此，为了实现射频能量整流接口电路的功率最大化，对于射频能量进行mppt(maximumpower point tracking，最大功率点跟踪)是较为重要的。

2、传统的定步长扰动观察法和增量电导法都是在一个mppt周期开始时，检测功率级的输入功率或者电导情况，与上一次的情况进行比较，然后给出扰动方向。接着功率级的等效输入阻抗变化，功率级的输入功率朝向电路的最大功率点移动，直到下一次mppt周期开始，检测功率级的输入功率或者电导情况，依次循环。对于这种mppt算法，如果此时功率级的等效输入阻抗和最优负载差别很大，那么需要多个mppt周期才能跟踪到整流接口电路的最大功率点。这会导致电路长时间没有工作在最大功率点，从而导致功率损耗，并且会极大地降低跟踪精度与跟踪速度。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种用于射频能量获取的基于功率检测和量化的快速mppt方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、本发明实施例提供了一种用于射频能量获取的基于功率检测和量化的快速mppt方法，应用于与射频能量获取电路连接的mppt控制电路，所述mppt控制电路包括：阻抗匹配网络、射频功率检测器、flash adc、时序控制电路、buck-boost控制驱动电路；所述方法，包括：

3、利用所述阻抗匹配网络对从所述射频能量获取电路接收到的射频信号进行处理，输出待检测信号；

4、利用所述时序控制电路产生第一使能信号ven_b触发所述射频功率检测器对接收到的待检测信号进行功率检测，输出检测电压vd；

5、外部使能信号enmppt触发所述flash adc根据所述时序控制电路产生对应的使能信号，对所述检测电压vd进行量化编码，输出编码结果；

6、外部使能信号ens触发所述buck-boost控制驱动电路根据所述编码结果调节自身的导通时间ton，从而调节所述buck-boost控制驱动电路的等效阻抗与所述射频能量获取电路中的功率级电路的负载阻抗相等，使得所述射频能量获取电路中的压电整流器的输出电压调整至最大功率点电压。

7、在本发明的一个实施例中，利用所述阻抗匹配网络对从所述射频能量获取电路接收到的射频信号进行相应处理，输出待检测信号的过程，包括：

8、利用所述阻抗匹配网络对接收到的射频信号进行匹配，并将匹配后的信号放大预设倍数后作为所述待检测信号输出。

9、在本发明的一个实施例中，所述预设倍数为3倍。

10、在本发明的一个实施例中，射频功率检测器的电路结构，包括：

11、第一反相器、电容c1、电容c2、mos管mn1、mos管mn2、mos管mn3、mos管mn4、mos管mn5、mos管mn6、mos管mn7、mos管mn8、mos管mn9、mos管mp1、mos管mp2、mos管mp3、mos管mp4、mos管mp5、mos管mp6和第一开关；其中，

12、所述第一反相器的输入端接入所述第一使能信号ven_b，所述第一反相器的输出端与所述mos管mp6的栅端连接；

13、所述电容c1的第一端与所述mos管mp6的漏端连接，所述电容c1的第二端与所述电容c2的第二端连接；

14、所述电容c2的第一端与所述mos管mn1的源端连接，所述电容c2的第二端与所述mos管mn4的源端连接；

15、所述mos管mn1的源端与所述mos管mn7的漏端连接，所述mos管mn1的栅端接入预设叠加电压vrf_a，所述mos管mn1的漏端与所述mos管mp6的漏端连接；

16、所述mos管mn2的源端与所述mos管mn7的漏端连接，所述mos管mn2的栅端与所述mos管mn3的栅端连接，所述mos管mn2的漏端与自身的栅端连接，并作为所述射频功率检测器的输出端输出所述检测电压vd；

17、所述mos管mn3的源端与所述mos管mn8的漏端连接，所述mos管mn3的漏端与所述mos管mp5的漏端连接；

18、所述mos管mn4的源端与所述mos管mn5的源端连接，所述mos管mn4的栅端与所述mos管mp6的栅端连接，所述mos管mn4的漏端与所述mos管mp6的漏端连接；

19、所述mos管mn5的源端与所述mos管mn6的源端连接，所述mos管mn5的栅端与所述mos管mn4的栅端连接，所述mos管mn5的漏端与所述mos管mp2的漏端连接；

20、所述mos管mn6的源端与所述mos管mn7的源端连接，所述mos管mn6的栅端与所述mos管mn5的栅端连接，所述mos管mn6的漏端与所述mos管mn2的漏端连接；

21、所述mos管mn7的源端接地，所述mos管mn7的栅端与所述mos管mn8的栅端连接；

22、所述mos管mn8的源端与所述mos管mn7的源端连接，所述mos管mn8的栅端与所述第一开关的第一端连接；

23、所述mos管mn9的源端与所述mos管mn8的源端连接，所述mos管mn9的栅端与所述第一开关的第二端连接，所述mos管mn9的漏端接入偏置电流ibias的同时与自身的栅极连接；

24、所述mos管mp1的源端接入电压vdd，所述mos管mp1的栅端与所述mos管mp6的源端连接，所述mos管mp1的漏端与所述mos管mp6的源端连接；

25、所述mos管mp2的源端接入电压vdd，所述mos管mp2的栅端与所述mos管mp3的栅端连接，所述mos管mp2的漏端与所述mos管mp4的源端连接；

26、所述mos管mp3的源端与所述mos管mp2的源端连接，所述mos管mp3的栅端与所述mos管mp5的源端连接，所述mos管mp3的漏端与所述mos管mp5的源端连接；

27、所述mos管mp4的栅端与所述mos管mp5的栅端连接，所述mos管mp4的漏端与所述mos管mn2的漏端；

28、所述mos管mp5的栅端与所述mos管mn3的漏端连接；

29、所述第一开关的第一控制端接入所述第一使能信号ven_b，所述第一开关的第二控制端接入所述第一使能信号ven_b的反相信号ven_b_n。

30、在本发明的一个实施例中，预设叠加电压vrf_a是所述待检测信号通过设置于所述阻抗匹配网络和所述射频功率检测器之间的耦合电容后，与引入的参考电压vref_600m相互叠加得到的。

31、在本发明的一个实施例中，flash adc，包括：

32、参考电压产生电路、比较量化电路、锁存电路和编码电路；其中，

33、所述参考电压产生电路用于在所述第一使能信号ven_b为高电平时，根据引入的参考电压vref_600m产生与所述比较量化电路对应的参考电压；

34、所述比较量化电路用于在所述时序控制电路根据所述外部使能信号enmppt产生的使能信号ven_a为高电平时，根据所述比较量化电路对应的参考电压对所述检测电压vd进行比较量化，输出量化结果；

35、所述锁存电路用于在所述时序控制电路根据所述外部使能信号enmppt产生的使能信号ven_c的上升沿到来时，对所述量化结果进行锁存；

36、所述编码电路用于在所述时序控制电路根据所述外部使能信号enmppt产生的使能信号ven_f的上升沿到来时，对锁存后的量化结果进行编码，将编码结果锁存并输出。

37、在本发明的一个实施例中，时序控制电路，包括：

38、分频器、单脉冲产生电路和电压比较器模块；其中，

39、所述分频器用于根据所述buck-boost控制驱动电路的输出信号进行分频，产生采样信号sample；

40、所述单脉冲产生电路用于根据所述采样信号sample产生脉冲信号，所述脉冲信号使得所述时序控制电路产生的使能信号ven调整为高电平，从而控制所述单脉冲产生电路中的可变电流源ibias1对自身电路中的电容cs充电，使所述电压比较器模块的输入电压升高；

41、所述电压比较器模块用于将自身的输入电压和对应的参考电压进行比较，当自身的输入电压大于对应的参考电压时，所述电压比较器模块的输出结果发生跳变，跳变后的输出结果经过预设电路，作为对应的使能信号输出。

42、在本发明的一个实施例中，buck-boost控制驱动电路，包括：

43、可变电流源ibias2、mos管mp10、mos管mp11、mos管mp12、mos管mn11、mos管mn12、mos管mn13、mos管mn14、mos管mn15、mos管mn16、单脉冲产生电路c、电容ca、电容cb、电容cc、比较器cmp4、比较器cmp5、比较器cmp6、比较器cmp7、可变电流源is1、可变电流源is2、第二反相器、第三反相器、第四反相器、第五反相器、第六反相器、第一或门、第一与非门、第一缓冲器、第二缓冲器、第三缓冲器和d触发器；其中，

44、所述可变电流源ibias2的输入端接入电压vdd，所述可变电流源ibias2的输出端与所述mos管mp10的源端连接；

45、所述mos管mp10的栅端与所述mos管mn11的栅端连接，所述mos管mp10的漏端与所述mos管mn11的漏端连接；

46、所述mos管mp11的源端与所述可变电流源is1的输出端连接，所述mos管mp11的栅端与所述第三反相器的输出端连接，所述mos管mp11的漏端与所述mos管mn13的漏端连接；

47、所述mos管mp12的源端与所述可变电流源is2的输出端连接，所述mos管mp12的栅端与所述单脉冲产生电路c的输出端连接，所述mos管mp12的漏端与所述mos管mn15的漏端连接；

48、所述mos管mn11的源端接地，所述mos管mn11的漏端与所述电容ca的第一端连接；

49、所述mos管mn12的源端与所述mos管mn11的源端连接，所述mos管mn12的栅端与所述第二反相器的输出端连接，所述mos管mn12的漏端与所述电容ca的第一端连接；

50、所述mos管mn13的源端接地，所述mos管mn13的栅端与所述第三反相器的输出端连接，所述mos管mn13的漏端与所述电容cb的第一端连接；

51、所述mos管mn14的源端与所述mos管mn13的源端连接，所述mos管mn14的栅端与所述第四反相器的输出端连接，所述mos管mn14的漏端与所述mos管mp11的漏端连接；

52、所述mos管mn15的源端接地，所述mos管mn15的栅端与所述单脉冲产生电路c的输出端连接，所述mos管mn15的漏端与所述mos管mn16的漏端连接；

53、所述mos管mn16的源端与所述mos管mn15的源端连接，所述mos管mn16的栅端与所述第五反相器的输出端连接，所述mos管mn16的漏端与所述比较器cmp7的反相输入端连接；

54、所述单脉冲产生电路c的输入端与所述比较器cmp6的输出端连接；

55、所述电容ca的第一端与所述mos管mn11的漏端连接，所述电容ca的第二端与mos管mn12的源端连接；

56、所述电容cb的第一端与所述mos管mn14的漏端连接，所述电容cb的第二端与mos管mn14的源端连接；

57、所述电容cc的第一端与所述mos管mn16的漏端连接，所述电容cc的第二端与所述mos管mn16的源端连接；

58、所述比较器cmp4的同相输入端接入参考电压vref_600m，所述比较器cmp4的反相输入端与所述mos管mn12的漏端连接，所述比较器cmp4的输出端与所述第三反相器的输入端连接；

59、所述比较器cmp5的同相输入端接入参考电压vref_600m，所述比较器cmp5的反相输入端与所述mos管mn14的漏端连接，所述比较器cmp5的输出端与所述第一或门的第一输入端连接；

60、所述比较器cmp6的同相输入端接入参考电压vref_300m，所述比较器cmp6的反相输入端与所述mos管mp10的漏端连接；

61、所述比较器cmp7的同相输入端接入参考电压vref_600m，所述比较器cmp7的输出端与所述第一与非门的第二输入端连接；

62、所述可变电流源is1的输入端接入电压vdd；

63、所述可变电流源is2的输入端接入电压vdd；

64、所述第二反相器的输入端接入所述外部使能信号ens；

65、所述第四反相器的输入端接入所述外部使能信号ens；

66、所述第五反相器的输入端接入所述外部使能信号ens；

67、所述第六反相器的输入端与所述第一与非门的输出端连接，所述第六反相器的输出端与所述第三缓冲器的输入端连接；

68、所述第一或门的第二输入端与所述比较器cmp7的输出端，所述第一或门的输出端与所述第一缓冲器的输入端连接；

69、所述第一缓冲器的输出端作为所述buck-boost控制驱动电路的第一输出端；

70、所述第一与非门的第一输入端与所述d触发器的q端连接；

71、所述第二缓冲器的输入端与所述第一与非门的输出端连接，所述第二缓冲器的输出端作为所述buck-boost控制驱动电路的第二输出端；

72、所述d触发器的sd端接入电压vdd并与所述d触发器的d端连接，所述d触发器的时钟端接入电压vs2，所述d触发器的rd端接入所述外部使能信号ens；

73、所述第三缓冲器的输出端作为所述buck-boost控制驱动电路的第三输出端。

74、在本发明的一个实施例中，可变电流源is1和所述可变电流源is2中任意一个的电路结构包括：

75、可变电流源ibias3、mos管mp13、mos管mp14、mos管mp15、mos管mp16、mos管mp17、mos管mp18、mos管mn17、mos管mn18、mos管mn19、mos管mn20、mos管mn21、mos管mn22和电容c3；其中，

76、所述可变电流源ibias3的输入端接入电压vdd，所述可变电流源ibias3的输出端与所述mos管mn17的漏端连接；

77、所述mos管mp13的源端与所述可变电流源ibias3的输入端连接，所述mos管mp13的栅端与所述mos管mp14的栅端连接，所述mos管mp13的漏端与所述mos管mp15的源端连接；

78、所述mos管mp14的源端与所述mos管mp13的源端连接，所述mos管mp14的漏端作为所述可变电流源is1或所述可变电流源is2的输出端；

79、所述mos管mp15的源端与所述mos管mn18的漏端连接，所述mos管mp15的栅端接入所述编码结果的第一位，所述mos管mp15的漏端与所述mos管mn19的漏端链接；

80、所述mos管mp16的源端与所述mos管mp15的源端连接，所述mos管mp16的栅端接入所述编码结果的第二位，所述mos管mp16的漏端与所述mos管mn20的漏端连接；

81、所述mos管mp17的源端与所述mos管mp16的源端连接，所述mos管mp17的栅端接入所述编码结果的第三位，所述mos管mp17的漏端与所述mos管mn21的漏端连接；

82、所述mos管mp18的源端与所述mos管mp17的源端连接，所述mos管mn18的栅端接入所述编码结果的第四位，所述mos管mn18的漏端与所述mos管mn22的漏端连接；

83、所述mos管mn17的源端与所述mos管mn18的源端连接，所述mos管mn17的栅端与所述mos管mn18的栅端连接，所述mos管mn17的漏端与所述mos管mn17的栅端连接；

84、所述mos管mn18的源端与所述mos管mn19的源端连接，所述mos管mn18的栅端与所述mos管mn19的栅端连接，所述mos管mn18的漏端与所述电容c3的第一端连接；

85、所述mos管mn19的源端接地，所述mos管mn19的栅端与所述mos管mn20的栅端连接；

86、所述mos管mn20的源端与所述mos管mn19的源端连接，所述mos管mn20的栅端与所述mos管mn21的栅端连接；

87、所述mos管mn21的源端与所述mos管mn20的源端连接，所述mos管mn21的栅端与所述mos管mn22的栅端连接；

88、所述mos管mn22的源端与所述mos管mn21的源端连接；

89、所述电容c3的第二端与所述mos管mn18的源端连接。

90、在本发明的一个实施例中，外部使能信号ens触发所述buck-boost控制驱动电路根据所述编码结果调节自身的导通时间ton的过程，包括：

91、所述buck-boost控制驱动电路接收到所述外部使能信号ens后，所述buck-boost控制驱动电路根据所述编码结果控制可变电流源is1中所述mos管mp15、所述mos管mp16、所述mos管mp17和所述mos管mp18的通断，从而调节所述buck-boost控制驱动电路的导通时间ton；其中，导通时间ton的公式为con表示所述电容cc的电容值，m的取值与所述编码结果对应，m的取值范围为7≤m≤52，ibias3表示流过所述可变电流源ibias3的电流值。

92、本发明的有益效果：

93、本发明提出的用于射频能量获取的基于功率检测和量化的快速mppt方法，通过检测接收到的射频信号的输入功率，对输出的检测电压进行量化编码处理，根据编码结果控制buck-boost控制驱动电路的导通时间，使得buck-boost控制驱动电路的等效阻抗能够调整至功率级电路的负载阻抗，在射频能量的输入功率范围内，通过对射频信号的输入功率进行检测和相应处理，使得输入功率不论变化多少，均可在一个mppt周期实现将压电整流器的输出电压调整至最大功率点电压，提高了mppt跟踪速度与跟踪精度，极大地降低了电路没有工作在最大功率点所导致的功率损耗。