一種具有超寬輸入功率范圍的三路整流電路

摘要本文提出一種具有超寬輸入功率范圍的三路整流電路．通過在三條整流支路中采用不同閾值電壓的二極管，使每條支路對不同輸入功率進行高效整流，三條整流支路協(xié)同作用，使所提出的整流電路能夠在超寬輸入功率范圍內(nèi)保持高效率工作;設(shè)計并實現(xiàn)了一個工作在2.4 GHz的三支路整流電路，三條整流支路分別實現(xiàn)在-10～11、11～24和24～35 dBm的功率范圍內(nèi)，效率保持在30％以上．測試結(jié)果表明：在-6～25 dBm的輸入功率范圍內(nèi)，電路的轉(zhuǎn)換效率均可保持在40％以上，最高效率可以達到71.2％．所提出的整流電路對輸入功率的靈敏度較低，能夠在超寬輸入功率范圍內(nèi)實現(xiàn)高效率能量轉(zhuǎn)換，可用于能量收集或動態(tài)無線能量傳輸系統(tǒng)中．關(guān)鍵詞整流電路;寬功率范圍;三路整流;高效率;無線能量傳輸

中圖分類號TN622

文獻標志碼A

0引言

微波輸能技術(shù)（Microwave Power Transmission，MPT）可實現(xiàn)遠距離無線電能傳輸，在諸多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，它主要由微波發(fā)射系統(tǒng)、自由空間和微波接收系統(tǒng)組成．在接收系統(tǒng)中，整流電路是負責(zé)將射頻能量轉(zhuǎn)換為直流能量的關(guān)鍵部件［1］．然而在實際應(yīng)用中，系統(tǒng)所接收到的功率并非穩(wěn)定不變．當(dāng)輸入功率發(fā)生變化時，整流電路的輸入阻抗因整流二極管的非線性特性而劇烈波動，導(dǎo)致電路阻抗失配，引起轉(zhuǎn)換效率惡化．因此，解決整流電路由于非線性所引起的性能惡化問題，由此提高電路的輸入功率動態(tài)范圍成為目前研究的關(guān)鍵問題［2］．

為解決電路阻抗失配所引起效率下降的問題，華南理工大學(xué)章秀銀教授團隊提出了阻抗壓縮技術(shù)，利用實阻抗壓縮網(wǎng)絡(luò)和復(fù)阻抗壓縮網(wǎng)絡(luò)，將一定輸入功率范圍內(nèi)的阻抗平坦化，從而改善電路的匹配性能并提高整流效率［3-4］．此外，Wu等［5］提出自調(diào)諧阻抗匹配技術(shù)，通過在電路中引入變?nèi)荻O管，實現(xiàn)自調(diào)諧阻抗匹配以補償輸入功率引起的阻抗變化，這使得電路的匹配范圍明顯拓寬．除改善電路匹配情況以拓寬整流范圍外，能量回收［6-7］的概念也應(yīng)用到整流電路中，它通過引入分支線耦合器以控制反射能量的流向，電路能夠?qū)σ蚴涠斐煞瓷涞哪芰吭俅握鳎瑥亩岣唠娐返目傮w整流效率并拓展了電路的整流范圍．考慮到二極管自身的開啟電壓與擊穿電壓特性的限制，利用多個二極管電路結(jié)構(gòu)進行切換也成為一種有效拓寬輸入功率范圍的解決方式．通過引入功分器、耦合器、射頻開關(guān)等器件，電路能夠根據(jù)輸入功率的大小選擇不同的二極管進行整流，從而實現(xiàn)在寬輸入功率范圍內(nèi)保持高效率［8-11］．上述方法需要引入額外的器件，會因此增加電路的插入損耗，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率下降．Zheng等［12］提出一種協(xié)同工作的結(jié)構(gòu)以拓寬整流電路的動態(tài)范圍，無需引入額外的器件，根據(jù)輸入功率水平進行能量路徑選擇，從而在寬輸入功率范圍內(nèi)保持較高的轉(zhuǎn)換效率．

前期工作有效地拓寬了整流電路的功率范圍，但仍存在一些局限性．一方面其整流范圍仍可進一步拓寬;另一方面，不少雙路整流電路的轉(zhuǎn)換效率會在功率范圍內(nèi)出現(xiàn)略微下降．在實際應(yīng)用中，接收端的物體往往處于移動狀態(tài)，其與發(fā)射源的距離并不固定，這就導(dǎo)致接收到的能量會劇烈變化．另外，在智慧生活、智能家居、萬物互聯(lián)等領(lǐng)域所需要的能量也是不斷變化的．為適應(yīng)距離的動態(tài)變化并應(yīng)用到更加豐富的場景，實現(xiàn)超寬輸入功率范圍內(nèi)的高效率整流是十分有必要的．因此，本文提出一種三路整流電路．該電路采用三個不同閾值電壓的二極管，構(gòu)成三支路協(xié)同整流結(jié)構(gòu)．該結(jié)構(gòu)能夠根據(jù)輸入功率的大小，自適應(yīng)地選擇相應(yīng)的支路以獲得最大的整流效率，進而使電路在整個輸入功率范圍內(nèi)均保持較高的效率．

1三路整流電路設(shè)計

本文提出的三路整流電路由三條具有不同閾值電壓的二極管整流支路組成．對于低輸入功率情形，只有第一個二極管對射頻功率進行整流．當(dāng)輸入功率逐漸增加使第二個二極管獲得足夠大的電壓并導(dǎo)通時，該二極管將與前一級低輸入功率整流二極管共同整流．隨著輸入功率進一步增加，支路3獲得大部分的射頻能量，三個二極管將同時工作．通過該三支路協(xié)同結(jié)構(gòu)，有效地拓寬了輸入功率整流范圍．

為滿足三支路協(xié)同作用結(jié)構(gòu)，需選擇適用于低、中、高三種不同輸入功率范圍的二極管．二極管的開啟電壓與擊穿電壓與最佳輸入功率范圍息息相關(guān)，前者決定了電路的最小工作范圍，后者限制了電路的最大輸入功率．具有低開啟電壓的二極管，在輸入功率較低時便會導(dǎo)通整流．然而，低開啟電壓意味著低擊穿電壓．當(dāng)二極管被擊穿后會導(dǎo)致效率的驟然下降，因此，具有低開啟電壓的二極管不適用于高輸入功率整流電路中．相應(yīng)地，整流電路工作在高輸入功率情況下，應(yīng)選擇具有高開啟電壓的二極管．

傳統(tǒng)雙路整流電路的原理如圖1a所示，相較于三路整流電路缺少了對中輸入功率狀態(tài)時的考慮，電路只有兩條整流支路級聯(lián)而成．其中，支路1主要負責(zé)低輸入功率狀態(tài)下的整流，隨著輸入功率的不斷增大至支路2導(dǎo)通工作時，支路2與支路1共同整流．為滿足不同的輸入功率狀態(tài)，兩條支路需分別選擇具有低、高兩種不同閾值電壓的二極管．在實際的應(yīng)用過程中，電路的高效率整流范圍十分依賴兩個二極管的選擇：一方面，二極管之間較大的閾值電壓差會使電路在功率范圍內(nèi)出現(xiàn)效率下降的問題;另一方面，閾值電壓差較小的兩個二極管則會使電路無法實現(xiàn)較寬的輸入功率整流范圍．為此，本工作所提出的電路采用了三個二極管，其分布情況如圖1b所示．位于支路1的二極管D1具有低開啟電壓，它主要負責(zé)在低輸入功率范圍（-7～11 dBm）時整流;當(dāng)輸入功率為中等功率范圍（11～24 dBm）時，為防止二極管擊穿后導(dǎo)致效率驟然下降，支路2應(yīng)避免采用低開啟電壓的二極管，而需選取具有較高開啟電壓的二極管D2;隨著輸入功率的進一步增大（24～35 dBm），同樣考慮二極管擊穿帶來效率下降的問題，支路3中的二極管D3應(yīng)具有比D2更高的開啟電壓．經(jīng)綜合分析與考慮，本設(shè)計中支路1選擇HSMS2860二極管（開啟電壓為0.28 V），支路2選擇HSMS2820二極管（開啟電壓為0.35 V），支路3選擇HSMS2822二極管（開啟電壓為0.7 V）．三個具有不同閾值電壓的二極管協(xié)同工作，因而電路能夠根據(jù)輸入功率的大小自適應(yīng)導(dǎo)通相應(yīng)支路，以拓寬整流電路動態(tài)范圍．

為了進一步說明所提出的三路整流電路的工作狀態(tài)，圖2展示了該整流電路在不同輸入功率下能量的分配情況．圖2a為低輸入功率時電路的工作狀態(tài)，位于支路1中的二極管D1，其開啟電壓最小，此時較低的輸入功率導(dǎo)致二極管兩端電壓較低，僅僅使二極管D1導(dǎo)通，二極管D2、D3未導(dǎo)通，因此流入電路中的射頻能量僅由D1進行整流，經(jīng)整流濾波后的直流能量流入負載R1．隨著輸入功率不斷提高，電路的工作狀態(tài)如圖2b所示，此時位于支路2中的二極管D2兩端的電壓逐漸達到其開啟電壓從而導(dǎo)通，而具有較高開啟電壓的二極管D3仍未導(dǎo)通，整流電路由二極管D1與D2協(xié)同工作，由整流電路轉(zhuǎn)換的DC能量流入到負載R1和R2．當(dāng)輸入功率進一步提高，電路的工作狀態(tài)如圖2c所示，此時較高的輸入功率使支路3中二極管D3兩端的電壓足夠大從而實現(xiàn)導(dǎo)通，整流電路中的三個二極管均能導(dǎo)通，三條整流支路協(xié)同工作．

具有三個不同閾值電壓的二極管構(gòu)成了三支路協(xié)同作用的整流電路結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠根據(jù)輸入功率大小自適應(yīng)地導(dǎo)通整流支路，實現(xiàn)了在低、中、高三種輸入功率下的高效率工作，從而拓寬整流電路的輸入功率范圍．相較于雙路整流電路，本工作考慮了中等輸入功率時電路的工作狀態(tài)，有效地避免了輸入功率由低到高變化過程中效率下降的問題．

2電路仿真與測試

根據(jù)上述思路，本文設(shè)計了一款具有超寬輸入功率的三路整流電路．電路印刷在介電常數(shù)為3.55、損耗角正切為0.002 2、板厚為0.813 mm的RO4003高頻介質(zhì)板上，電路總尺寸為88 mm×54 mm，結(jié)構(gòu)如圖3所示．

整流電路中射頻-直流能量轉(zhuǎn)換效率定義為

η=PdcPin=V2out1PinR1+V2out2PinR2+V2out3PinR3.（1）

其中：Pin

為輸入功率；Vout1、Vout2

和Vout3

分別為負載R1

（1 500 Ω）、R2

（790 Ω）和R3

（400 Ω）獲得的直流電壓．

圖4為不同輸入功率下三條支路的整流效率仿真曲線．可以看出，支路1、支路2和支路3分別在-10～11、11～24和24～35 dBm的輸入功率范圍內(nèi)效率保持在30％以上．

通過仿真可以得到不同輸入功率情況下電路的反射系數(shù)與整流效率變化情況．在所提出的三路協(xié)同作用整流電路中，支路1、支路2和支路3分別對低、中、高三種不同輸入功率下的輸入阻抗進行阻抗匹配．因此，由圖5可以看出，在-10～35 dBm的超寬范圍內(nèi)，電路的反射系數(shù)S11

均小于-10 dB，說明在整個輸入功率范圍內(nèi)三路整流電路實現(xiàn)較好的阻抗匹配．由于傳統(tǒng)的雙路整流電路僅具有兩種整流狀態(tài)，電路無法適應(yīng)更寬輸入功率的阻抗變化．因此，雙路整流電路僅在-10～28.8 dBm的輸入功率范圍內(nèi)實現(xiàn)較好的匹配．

此外，觀察圖6中電路的整流效率曲線可以看出，在-7～34.5 dBm的輸入功率范圍內(nèi)，本電路的效率均保持在40％以上，且當(dāng)輸入功率為14 dBm時，整流電路的效率達到最大值62.8％．良好的匹配性能可以減小電路的能量損耗，保障電路高效率整流．由圖5可知，當(dāng)輸入功率大于28.8 dBm時，傳統(tǒng)的雙路整流電路匹配性能惡化，因而在圖6中，其整流效率也相應(yīng)地急劇下降，電路僅在-8～28.5 dBm的輸入功率范圍內(nèi)效率大于40％．另外，在12～22 dBm的輸入功率范圍內(nèi)，雙路整流電路的效率出現(xiàn)明顯下降，所提出的電路則改善了這一問題．與傳統(tǒng)的整流電路相比，所提出的三路整流電路不僅具有超寬輸入功率范圍，同時在工作范圍內(nèi)均保持較好的穩(wěn)定度．

為了驗證所提出的整流電路結(jié)構(gòu)的性能，對結(jié)構(gòu)進行加工與實驗驗證，電路實物及測試系統(tǒng)如圖7所示．電路的大信號輸入由信號發(fā)生器與功率放大器共同提供，經(jīng)整流后負載兩端的直流電壓由萬用表測得．圖8為電路反射系數(shù)S11隨輸入功率變化的測試曲線，可以看出：在整個輸入功率范圍內(nèi)（-10～20 dBm），S11均小于-10 dB，電路實現(xiàn)了較好的阻抗匹配．計算得到整流電路的測試效率曲線如圖9所示．可以看出：電路在-6～25 dBm的輸入功率范圍內(nèi)，整流效率均在40％以上．當(dāng)輸入功率為13 dBm時，電路達到其最高整流效率為71.2％．整流電路測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，僅在輸入功率較低時存在微小的差別，這一差異的來源可能為：1）二極管模型的不準確：仿真所采用的二極管封裝模型與實際二極管參數(shù)存在略微的差別，從而引起整流效率的波動．2）工藝上的誤差：電路加工時精度不足0.01 mm，加工誤差會影響電路的匹配性能，進而帶來電路整流效率的變化．3）焊接的影響：焊接二極管、電容、電阻以及SMA接頭等器件過程中容易引入寄生電容、寄生電感，也因此會影響電路的整流效率．

為進一步驗證本文所提出的整理電路的優(yōu)勢，表1對相關(guān)研究工作與當(dāng)前的參考文獻進行了對比．可以看出，所提出的三路整流電路不僅具有超寬的輸入功率范圍，同時，電路的效率最大值較高，電路的整體尺寸也有比較優(yōu)勢．

3結(jié)論

本文提出一種具有超寬輸入功率范圍的三路整流電路．該電路基于三個不同閾值電壓的二極管，實現(xiàn)了低、中、高三種不同輸入功率范圍內(nèi)的高效率整流，進而拓寬了電路的輸入功率工作范圍．測試結(jié)果表明，提出的三路整流電路具有超寬的輸入功率工作范圍，電路能夠在-6～25 dBm的輸入功率范圍內(nèi)效率均保持40％以上，且最高效率可達71.2％．

參考文獻

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A three-stage rectifier with ultra-wide input power range

WANG Qinghua1YANG Mei1YANG Lixia1HUANG Zhixiang1CHE Wenquan2

1School of Electronic and Information Engineering，Anhui University，Hefei 230601，China

2School of Electronic and Information Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China

AbstractA three-stage rectifier containing three diodes is proposed in this paper.These diodes with different threshold voltages are located in three branches to achieve high conversion efficiency for different input power levels.By combining the three branches，the proposed rectifier is enabled to achieve high conversion efficiency over a wide dynamic input power range.A prototype of a 2.4 GHz rectifier is designed，simulated and measured.The efficiency of the three branches remains above 30％ in the power range of -10-11 dBm，11-24 dBm and 24-35 dBm，respectively.The measured results show that the conversion efficiency maintains over 40％ within the input power range of -6-25 dBm，with the maximum conversion efficiency reaching up to 71.2％.It indicates that the proposed rectifier can achieve low sensitivity to input power variation and high conversion efficiency over an ultra-wide input power range，which can be used in energy harvesting or dynamic wireless power transmission systems.

Key wordsrectifier;wide input power range;three-stage rectifying;high efficiency;wireless power transmission