用于無(wú)線傳感器單元的改進(jìn)的電源設(shè)備和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于傳感器單元的電源設(shè)備的領(lǐng)域，其中所述傳感器單元配備有無(wú)線通信系統(tǒng)，并且部分地由于能夠在傳感器單元的環(huán)境中恢復(fù)能量并從而產(chǎn)生電能的生成器(generator)而對(duì)所述傳感器單元供應(yīng)電能。
【背景技術(shù)】
[0002]在無(wú)線傳感器的領(lǐng)域中，文獻(xiàn)EP 2，395，594 Al提出一種可以通過(guò)在緩沖電容器中充電的電能供應(yīng)傳感器單元的電源設(shè)備。
[0003]該電源設(shè)備配備有光伏型的第一生成器，其可以在低照明到零照明的情況下由可充電電池形式的第二電化學(xué)生成器供應(yīng)。
[0004]提供用于管理和控制可充電電池的充電的系統(tǒng)，以便使得傳感器單元在長(zhǎng)時(shí)間無(wú)照明之后也可操作。
[0005]可充電電池具有使用壽命有限且電荷容量減小的缺點(diǎn)。
[0006]文獻(xiàn)US 7，132，757 B2提出一種用于向傳感器供應(yīng)能量的設(shè)備，其包括可以恢復(fù)被第一生成器變換為電能的機(jī)械能的該第一生成器、以及用于供應(yīng)第一生成器的電化學(xué)生成器。電化學(xué)生成器為不可充電類型，并且具有電池的形式。
[0007]當(dāng)由第一生成器產(chǎn)生的電能不足時(shí)，電路可以將電池直接連接到傳感器。
[0008]此電路特別地具有作為電能的消耗裝置(consumer)的缺點(diǎn)，并且當(dāng)其包括微控制器時(shí)可能較昂貴。
[0009]此外，為了保護(hù)傳感器的電源以防過(guò)電壓，提供齊納(Zener) 二極管。這樣的二極管具有如下主要缺點(diǎn):其具有幾微安的量值(magnitude)的反向電流，該反向電流大大增加設(shè)備的電流消耗。
[0010]因此，存在創(chuàng)建適合于無(wú)線傳感器單元的新的電源設(shè)備的問(wèn)題，其中該新電源設(shè)備配備有可以恢復(fù)環(huán)境電能的第一生成器以及第二備用生成器，并且不具有前述缺點(diǎn)，特別在電能消耗方面以及在實(shí)施成本方面得到改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明首先涉及用于向無(wú)線傳感器單元供給(deliver)電源的電源設(shè)備，所述電源設(shè)備包括:
[0012]-生成電能的第一生成部件，被配置為恢復(fù)傳感器單元的環(huán)境中的環(huán)境能，并根據(jù)所恢復(fù)的環(huán)境能而產(chǎn)生電能，
[0013]-第二生成部件，包括電池，以便供給意在供應(yīng)第一生成部件所產(chǎn)生的電能的電會(huì)K，
[0014]-包括電容器的存儲(chǔ)電能的存儲(chǔ)部件，被布置為接收來(lái)自第一生成部件和/或來(lái)自第二生成部件的電能，并向傳感器單元應(yīng)用給定電源電平vDD，
[0015]電源設(shè)備包括用于管理電能的電路，被配置為將給定電源電平Vdd限制在下限Vminci與上限V Maxci之間。
[0016]所述電路包括單極晶體管并且當(dāng)其柵極-源極電壓為零時(shí)包括導(dǎo)體，與第一生成部件、第二生成部件和存儲(chǔ)部件有關(guān)地布置單極晶體管，以使得具有取決于在第二生成部件所供給的電能與給定電源電平之間的差異的柵極-源極電壓。
[0017]用于管理電能的電路具有像這樣非常低的消耗，其特別有利于供應(yīng)電能的供應(yīng)取決于環(huán)境中能量的恢復(fù)的無(wú)線設(shè)備。
[0018]也可以提供單極晶體管的布置，以使得其漏極-源極電壓取決于第一生成部件所產(chǎn)生的電能與給定電源電平之間的差異。
[0019]通過(guò)這種類型的晶體管，將電壓Vdd維持在小于預(yù)定閾值Vmxa的電平，同時(shí)仍然限制電源設(shè)備的消耗。
[0020]晶體管的布置使得閾值￥?^1取決于電池所供給的預(yù)定的電壓，并取決于所選擇的電池、以及晶體管的預(yù)定的限制電壓(Pinch voltage，或夾斷電壓)，并且還取決于所選擇的晶體管。
[0021]根據(jù)第一實(shí)施例，以上定義的單極晶體管是JFET晶體管(結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管)。這樣的晶體管具有如下優(yōu)點(diǎn):具有本征的柵極-源極結(jié)，其可以用于將電流在單個(gè)方向上從電池傳遞至存儲(chǔ)電容器，同時(shí)仍然限制其返回電池。
[0022]根據(jù)第二實(shí)施例，以上定義的單極晶體管是損耗型MOSFET晶體管。
[0023]與更普遍使用的MOS增強(qiáng)型晶體管相反，對(duì)于晶體管JFET和損耗型M0SFET，當(dāng)它們的柵極-源極電壓為零時(shí)，它們具有導(dǎo)電溝道。
[0024]此外，根據(jù)本發(fā)明的電源設(shè)備還可以:
[0025]-利用與可充電電化學(xué)生成器有關(guān)的、電池的更長(zhǎng)使用壽命、以及它們改善的電流容量和它們降低的價(jià)格；
[0026]-能夠使用具有高內(nèi)阻的電池(例如，按鈕類型的)，這是由于能夠提供電流峰值的存儲(chǔ)電容器；
[0027]-能夠?yàn)楠?dú)立于待恢復(fù)的環(huán)境能量的可用性的傳感器單元保證最小操作時(shí)間；
[0028]-需要小數(shù)目的組件，這使得可以特別在實(shí)施成本方面實(shí)現(xiàn)增益。
[0029]用于管理電能的電路還可以包括用于阻止電流返回至第二生成部件的部件，以便保護(hù)第二生成部件，同時(shí)仍然允許電流在相反方向上通過(guò)。
[0030]當(dāng)以上定義的單極晶體管是JFET晶體管時(shí)，在其柵極與其溝道之間的本征結(jié)形成用于阻止電流返回到電池的部件。本征結(jié)也使得可以在電源電平Vdd較低時(shí)使用電池對(duì)存儲(chǔ)電容器再充電。
[0031]在單極晶體管的柵極與源極之間布置的二極管也可以形成用于阻止電流返回至第二生成部件的部件。此二極管也使得可以在電源電平Vdd較低時(shí)使用電池對(duì)存儲(chǔ)電容器再充電。
[0032]根據(jù)實(shí)施例，第二生成部件可以包括、或關(guān)聯(lián)于用于例如以與電池串聯(lián)的至少一個(gè)電阻器的形式，限制電池的放電電流的部件。
[0033]當(dāng)單極晶體管是JFET晶體管時(shí)，可以提供用于例如以連接到晶體管的柵極的至少一個(gè)電阻器的形式，限制電流通過(guò)在JFET晶體管的柵極與溝道之間的本征結(jié)的部件。
[0034]根據(jù)實(shí)施例，電源設(shè)備還可以包括用于例如以至少一個(gè)二極管的形式限制電流返回至第一生成部件的部件。
[0035]根據(jù)電源設(shè)備的實(shí)施例，第一生成部件可以包括光伏模塊。
[0036]本發(fā)明還提供了無(wú)線傳感器單元，包括諸如以上定義的電源設(shè)備。
[0037]傳感器單元可以像這樣配備有待測(cè)量的至少一個(gè)物理量值的至少一個(gè)傳感器、以及被提供用于進(jìn)行無(wú)線通信(特別地，為了向外部設(shè)備發(fā)送與由傳感器進(jìn)行的測(cè)量有關(guān)的數(shù)據(jù))的射頻模塊。
[0038]傳感器單元也可以包括用于處理來(lái)自傳感器的測(cè)量的(一個(gè)或多個(gè))量值的測(cè)量數(shù)據(jù)并用于將此數(shù)據(jù)發(fā)送至RF模塊的電路。
[0039]傳感器電路可以有利地包括以下物理量值的傳感器之中的一個(gè)或若干個(gè)傳感器:濕度傳感器、溫度傳感器、亮度傳感器、氣體傳感器(特別是CO2)。
[0040]本發(fā)明還涉及提供使用如上定義的電源設(shè)備的無(wú)線傳感器單元的方法。
【附圖說(shuō)明】
[0041 ] 在通過(guò)非限制示例而給出且在附圖中所示的本發(fā)明的特定實(shí)施例的以下描述中，其它優(yōu)點(diǎn)和特征將看起來(lái)更清楚，其中:
[0042]圖1示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例實(shí)施的意在供應(yīng)無(wú)線傳感器的電源設(shè)備；
[0043]圖2示出根據(jù)本發(fā)明的配備有包括N溝道JFET晶體管的用于管理電能的電路的電源設(shè)備的特定實(shí)施例；
[0044]圖3示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的能夠由電源設(shè)備供給的電源電壓的示例替代。
[0045]圖4是根據(jù)本發(fā)明的替代電源設(shè)備，其配備有用于管理電能的電路，包括耗盡N型MOSFET晶體管；
[0046]圖5示出根據(jù)本發(fā)明的電源設(shè)備的另一替代，其配備有用于管理電能的電路，包括P溝道JFET晶體管；
[0047]圖6示出根據(jù)本發(fā)明的另一替代電源設(shè)備，其配備有用于管理電能的電路，包括P型耗盡型MOSFET晶體管。
【具體實(shí)施方式】
[0048]圖1示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的電源設(shè)備的圖。
[0049]此電源設(shè)備具有供應(yīng)包括一個(gè)或若干個(gè)傳感器7并且可以配備有處理電路6和RF模塊8