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

引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡等技術(shù)的飛速發(fā)展，對微型化、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)航能力和維護成本上逐漸顯露出局限性，因此，從環(huán)境或信號中直接提取能量成為研究的熱點。本文將詳細介紹一種可從數(shù)字信號中提取能量的改進型電荷泵，探討其工作原理、技術(shù)優(yōu)勢、實現(xiàn)方式以及潛在的應用前景。

改進型電荷泵的基本原理

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

工作機制

該改進型電荷泵的核心在于其獨特的電路設(shè)計，它基于Dickson電荷泵的改進版。電路主要由多個電容和二極管組成，通過精確控制時鐘信號的開關(guān)動作，實現(xiàn)電荷的逐級傳遞和電壓的倍增。具體來說，當輸入時鐘信號為高電平時，第一個電容(C1)被充電至該電平;隨后，在時鐘信號變?yōu)榈碗娖綍r，C1通過二極管(D2)向第二個電容(C2)放電;當時鐘信號再次回到高電平時，C2再通過另一個二極管(D3)向第三個電容(C3)放電，以此類推。

在沒有負載的情況下，輸出電壓理論上可以達到時鐘信號峰值的兩倍，但實際上會減去幾個二極管的正向電壓降(約0.75V)。輸出電壓在幾個時鐘周期內(nèi)逐漸穩(wěn)定，通常在兩個時鐘周期后就能達到最終值的60%左右。其最終值取決于負載電流和輸入時鐘信號的峰值。

技術(shù)優(yōu)勢

無需外部電源

最顯著的優(yōu)勢在于，該電荷泵無需外部直流輸入電壓，僅需一個數(shù)字時鐘信號即可工作。這一特性極大地擴展了其應用場景，特別是在那些難以獲取或維護外部電源的場合。

高效率與低功耗

通過優(yōu)化設(shè)計，該電荷泵能夠在保證電壓倍增效率的同時，實現(xiàn)較低的功耗。這對于延長無線傳感器網(wǎng)絡等低功耗設(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，通過后續(xù)電路的調(diào)整，還可以實現(xiàn)精確控制輸出電壓，滿足不同應用場景的需求。

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程微功率應用，如單線串行接口網(wǎng)絡、無線傳感器網(wǎng)絡等。同時，通過擴展電路，還可以實現(xiàn)更高的電壓倍增倍數(shù)，進一步拓寬其應用范圍。

實現(xiàn)方式

在實際應用中，該改進型電荷泵的實現(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)字時鐘信號。

信號傳輸：通過一條10m長的雙絞線將振蕩器的輸出信號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：通過多個電容和二極管組成的電荷泵電路，實現(xiàn)電壓的逐級倍增。

輸出調(diào)整：根據(jù)實際需求，通過調(diào)整負載電流、時鐘信號的峰值等參數(shù)，實現(xiàn)輸出電壓的精確控制。

應用前景

無線傳感器網(wǎng)絡

在無線傳感器網(wǎng)絡中，傳感器節(jié)點通常需要長時間工作且難以更換電池。采用該改進型電荷泵，可以從周圍環(huán)境中的數(shù)字信號中提取能量，為傳感器節(jié)點供電，從而延長網(wǎng)絡壽命并降低維護成本。

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)備應運而生。這些設(shè)備往往需要在無外部電源的情況下長時間工作。該電荷泵技術(shù)為這些設(shè)備提供了一種新的供電方案，有助于推動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進一步發(fā)展。

遠程監(jiān)控與控制系統(tǒng)

在遠程監(jiān)控與控制系統(tǒng)中，由于環(huán)境復雜、維護困難，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)，可以從遠程控制信號中提取能量，為監(jiān)控與控制設(shè)備供電，實現(xiàn)遠程無人值守的監(jiān)控與控制。

結(jié)論

本文從基本原理、技術(shù)優(yōu)勢、實現(xiàn)方式以及應用前景等方面詳細介紹了可從數(shù)字信號中提取能量的改進型電荷泵。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，具有廣泛的應用前景和重要的研究價值。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)域得到應用和推廣。