可從數(shù)字信號(hào)中提取能量的改進(jìn)型電荷泵：技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用前景

引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)微型化、低功耗電子設(shè)備的需求日益增加。傳統(tǒng)的電池供電方式在續(xù)航能力和維護(hù)成本上逐漸顯露出局限性，因此，從環(huán)境或信號(hào)中直接提取能量成為研究的熱點(diǎn)。本文將詳細(xì)介紹一種可從數(shù)字信號(hào)中提取能量的改進(jìn)型電荷泵，探討其工作原理、技術(shù)優(yōu)勢(shì)、實(shí)現(xiàn)方式以及潛在的應(yīng)用前景。

改進(jìn)型電荷泵的基本原理

電荷泵是一種利用電容性質(zhì)進(jìn)行電壓升高的電路，它能夠?qū)⒌碗妷旱闹绷麟娫椿蚪涣餍盘?hào)轉(zhuǎn)換成高電壓的直流電源。在本文所述的改進(jìn)型電荷泵中，這一原理被創(chuàng)造性地應(yīng)用于從數(shù)字信號(hào)中提取能量。與傳統(tǒng)的電荷泵不同，該設(shè)計(jì)不需要外部直流輸入電壓，而是直接利用數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)作為能量源。

工作機(jī)制

該改進(jìn)型電荷泵的核心在于其獨(dú)特的電路設(shè)計(jì)，它基于Dickson電荷泵的改進(jìn)版。電路主要由多個(gè)電容和二極管組成，通過(guò)精確控制時(shí)鐘信號(hào)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電荷的逐級(jí)傳遞和電壓的倍增。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)輸入時(shí)鐘信號(hào)為高電平時(shí)，第一個(gè)電容(C1)被充電至該電平;隨后，在時(shí)鐘信號(hào)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，C1通過(guò)二極管(D2)向第二個(gè)電容(C2)放電;當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)再次回到高電平時(shí)，C2再通過(guò)另一個(gè)二極管(D3)向第三個(gè)電容(C3)放電，以此類推。

在沒(méi)有負(fù)載的情況下，輸出電壓理論上可以達(dá)到時(shí)鐘信號(hào)峰值的兩倍，但實(shí)際上會(huì)減去幾個(gè)二極管的正向電壓降(約0.75V)。輸出電壓在幾個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)逐漸穩(wěn)定，通常在兩個(gè)時(shí)鐘周期后就能達(dá)到最終值的60%左右。其最終值取決于負(fù)載電流和輸入時(shí)鐘信號(hào)的峰值。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)

無(wú)需外部電源

最顯著的優(yōu)勢(shì)在于，該電荷泵無(wú)需外部直流輸入電壓，僅需一個(gè)數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)即可工作。這一特性極大地?cái)U(kuò)展了其應(yīng)用場(chǎng)景，特別是在那些難以獲取或維護(hù)外部電源的場(chǎng)合。

高效率與低功耗

通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，該電荷泵能夠在保證電壓倍增效率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)較低的功耗。這對(duì)于延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等低功耗設(shè)備的壽命具有重要意義。

靈活的電壓輸出

通過(guò)調(diào)整電路中的電容和二極管數(shù)量，可以靈活地改變輸出電壓的倍數(shù)。此外，通過(guò)后續(xù)電路的調(diào)整，還可以實(shí)現(xiàn)精確控制輸出電壓，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

廣泛的適用性

由于可以從任何數(shù)字化的數(shù)據(jù)線中獲取能量，該電荷泵特別適用于遠(yuǎn)程微功率應(yīng)用，如單線串行接口網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。同時(shí)，通過(guò)擴(kuò)展電路，還可以實(shí)現(xiàn)更高的電壓倍增倍數(shù)，進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用范圍。

實(shí)現(xiàn)方式

在實(shí)際應(yīng)用中，該改進(jìn)型電荷泵的實(shí)現(xiàn)方式多種多樣。以下是一種基于200kHz RC施密特非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的實(shí)現(xiàn)方案：

振蕩器搭建：使用工作電壓為5V的74HC14反相器搭建振蕩器，產(chǎn)生所需的數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)。

信號(hào)傳輸：通過(guò)一條10m長(zhǎng)的雙絞線將振蕩器的輸出信號(hào)連接到電荷泵的輸入端。

電路優(yōu)化：在輸入端增加抗振鈴的鉗位二極管(如D4)，以減小輸入時(shí)鐘下降沿上的振鈴現(xiàn)象，提高電路穩(wěn)定性。

電壓倍增：通過(guò)多個(gè)電容和二極管組成的電荷泵電路，實(shí)現(xiàn)電壓的逐級(jí)倍增。

輸出調(diào)整：根據(jù)實(shí)際需求，通過(guò)調(diào)整負(fù)載電流、時(shí)鐘信號(hào)的峰值等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的精確控制。

應(yīng)用前景

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)通常需要長(zhǎng)時(shí)間工作且難以更換電池。采用該改進(jìn)型電荷泵，可以從周圍環(huán)境中的數(shù)字信號(hào)中提取能量，為傳感器節(jié)點(diǎn)供電，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命并降低維護(hù)成本。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，各種小型化、低功耗的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。這些設(shè)備往往需要在無(wú)外部電源的情況下長(zhǎng)時(shí)間工作。該電荷泵技術(shù)為這些設(shè)備提供了一種新的供電方案，有助于推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制系統(tǒng)

在遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制系統(tǒng)中，由于環(huán)境復(fù)雜、維護(hù)困難，傳統(tǒng)的供電方式往往難以滿足需求。采用該電荷泵技術(shù)，可以從遠(yuǎn)程控制信號(hào)中提取能量，為監(jiān)控與控制設(shè)備供電，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)人值守的監(jiān)控與控制。

結(jié)論

本文從基本原理、技術(shù)優(yōu)勢(shì)、實(shí)現(xiàn)方式以及應(yīng)用前景等方面詳細(xì)介紹了可從數(shù)字信號(hào)中提取能量的改進(jìn)型電荷泵。該技術(shù)的出現(xiàn)為低功耗電子設(shè)備提供了一種全新的供電方案，具有廣泛的應(yīng)用前景和重要的研究?jī)r(jià)值。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，相信該電荷泵技術(shù)將在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用和推廣。