[0027] 以下结合附图对本发明作进一步说明。
[0028] 如图1所示，一种低功耗超声波能量收集电路，包括整流器模块1、突发检测模块3、双通稳压器模块4、参考电压和启动电路模块5、开关管6、超声波采集器Y1和储能电容C_stor。超声波采集器Y1能将超声波能量转换为交变电压并输出，储能电容C_stor在电路中起储能作用。整流器模块1采用有源整流器。整流器模块1的两个输入端与超声波采集器Y1的两端分别连接；整流器模块1的输出接口与储能电容C_stor的两端连接，并提供电源电压V_Rec。开关管6和负载串联在电源电压V_Rec与地线之间。突发检测模块3的输入端接超声波采集器Y1的IN1端，输出端为整流器模块1和开关管6提供状态工作信号Pas/Act，使得开关管6的使能受到突发检测模块3的控制。双通稳压器模块4通过串联稳压器模块和并联稳压器模块进行稳压。启动电路模块5为整流器模块1提供启动工作信号SU。当开关管6的控制脚EN输入高电平时，开关管6导通；当开关管6的控制脚EN输入低电平时，开关管6截止。
[0029] 当超声波采集器Y1收集超声波信号时，超声波采集器Y1的两端(IN1、IN2)输出交流电压，通过整流器模块1整流，转换为直流的电源电压V_Rec。突发检测模块3检测是否有超声波信号输入。若无超声波信号，突发检测模块3使其他电路模块进入低功率工作模式，开关管6将限制流经负载的电流，使得负载断电。本实施例中，负载为发光二极管LED1，即此时发光二极管LED1熄灭。由此可以在撤除外部超声波输出时实现负载的实时断电，从而通过外部的超声波信号源对负载通断电的精准控制。并且，存储在储能电容C_stor上的电能能更长时间地为其他电路供电。开关管6模块可以使用有源电路来实现，例如电流镜/数模转换器，其有源模块可以由V_LDO电压供电。为降低交流信号干扰，在双通稳压器4输出端串接电容C_LDO，容值为77pF。
[0030] 如图2、3所示，突发检测模块3包括依次串联的波形转换器3‑1、边沿提取模块3‑2和看门狗电路3‑3。波形转换器3‑1通过偶数个数字反相器串联得到，能够将超声波采集器Y1的IN1端输出的模拟信号转换为方波信号。边沿提取模块3‑2包括延时单元和异或门。延时单元包括依次串联的偶数个反相器。波形转换器3‑1的输出节点X分为两路，一路接入异或门的第一个输入端，另一路经过延时单元后接入异或门的第二个输入端，使得异或门两输入端的信号有一定的相位差。边沿提取模块3‑2的输出节点Z接入看门狗电路3‑3的输入端。看门狗电路3‑3包括电流源IS2、MOS管M22、电容C_WD和反相器U3。电流源IS2的输入端接电源信号V_Rec，输出端接MOS管M22的源极、电容C_WD的一端和反相器U1的输入端。MOS管M22的漏极及电容C_WD的另一端均接地。MOS管M22的栅极作为看门狗电路3‑3的输入端，接边沿提取模块3‑2的输出节点Z。反相器U1的输出端即为突发检测模块3的输出端，用于输出状态工作信号Pas/Act。
[0031] 如图3所示，边沿提取器模块在其输出节点Z为节点X处信号的每个下降或上升沿产生短复位脉冲，并将它们馈送到看门狗电路3‑3。在看门狗电路3‑3中，电容C_WD通过电流源IS2不断充电。节点Z处的复位脉冲触发看门狗电路3‑3上的场效应管M22来复位电容器C_WD上的电压。因此，在超声波存在的情况下，节点U处的电压低于输出反相器的触发点，导致突发检测模块3输出的状态工作信号Pas/Act保持高逻辑电平，此时开关管6不限制负载上的电流。否则，如果节点IN1在一定时间内没有振荡，M22不会重置直流电压。因此，直流电压将被充电到高于输出反相器触发点的某个电平，并导致突发检测模块3输出的状态工作信号Pas/Act变为低逻辑电平。该电路在没有超声波或超声波信号低于某一阈值的情况下几乎不消耗功率。
[0032] 如图4所示，整流器模块1包括场效应管MS3、场效应管MS4和两个有源二极管模块2。场效应管MS3的栅极和场效应管MS4的漏极均接超声波采集器Y1的IN1端；场效应管MS3的漏极和场效应管MS4的栅极均接超声波采集器Y1的IN2端；场效应管MS3和场效应管MS4的源极连接在一起提供地线。
[0033] 有源二极管模块2包括有源比较器模块Comp1和动态偏置模块。有源比较器模块Comp1包括场效应管M1～M7和缓冲器BUF；场效应管M1栅极接外部输入的基准电压V_BP1；基准电压V_BP1为有源比较器模块Comp1提供启动电压；场效应管M1的漏极接场效应管M2的源极，场效应管M2的漏极接场效应管M3的漏极；场效应管M3、场效应管M4和场效应管M5的栅极连接在一起；场效应管M3、场效应管M4、场效应管M5的源极和缓冲器BUF的负电源端均接双通稳压器模块4提供的输入电压V_LDO。场效应管M6的漏极接场效应管M4的漏极，栅极接场效应管M7的栅极。
[0034] 场效应管M7的漏极接场效应管M5的漏极和缓冲器BUF的信号输入端。或非门NOR的第一输入信号端及场效应管M2的栅极接入突发检测模块3提供的状态工作信号Pas/Act。或非门NOR的第二输入信号端接入启动工作信号SU。或非门NOR的输出信号端接场效应管M8的栅极；缓冲器BUF的输出信号端接场效应管M8的漏极及场效应管MS1的栅极。场效应管M1、M6、M8的源极、场效应管MS1的漏极、场效应管M1、M2的衬底和缓冲器BUF的正电源端连接在一起，输出整流器模块1提供的电源电压V_Rec。场效应管M7的源极与场效应管MS1的源极连接在一起，作为有源二极管模块2的信号输入端。两个有源二极管模块2的信号输入端与超声波采集器Y1的IN1端、IN2端分别连接。
[0035] 从原理上来讲，有源二极管模块2由比较器模块和动态偏置模块组成。比较器模块中有由一系列反相器构成的缓冲器BUF，缓冲器BUF由电源电压V_Rec和电压V_LDO供电，以驱动开关管MS1。状态工作信号Pas/Act为突发检测模块3的输出信号，启动工作信号SU为参考电压和启动电路模块5的输出信号。状态工作信号Pas/Act与启动工作信号SU信号通过或非门输出信号控制场效应管M8的导通与关断。参考电压V_BP1用于偏置开关管M1。当无外部信号输入时，Pas/Act信号为低，使开关管M2截止，切断电路内电流，以降低功耗。当无外部信号输入时或电路启动期间，场效应管M8导通，此时，场效应管MS1可看作二极管。
[0036] 所述有源二极管中比较器的分辨率Vin,min可以定义为比较器能够检测到的其高低电平切换之间的最小差分输入电压，可以用如下公式表示：
[0037]
[0038] 其中，VR2RS是比较器的轨到轨电源电压，ADC是比较器的直流增益。当比较器的输入差分电压增加到分辨率值以上时，比较器将进入大信号模式，并且其传播延迟(tP)主要取决于VR2RS和压摆率(SR)，如以下公式所示：
[0039]
[0040] 然而，压摆率(SR)依赖于比较器输出支路的电流驱动能力和比较器输出节点的寄生电容。因此，改善SR通常需要更高的功耗。因此，降低VR2RS可以提高比较器的tP，而不会产生额外的功耗。
[0041] 如图5所示，双通稳压器模块4包括串联稳压器模块和并联稳压器模块。双通稳压器模块4的第一参考输入端、第二参考输入端、第三参考输入端分别接入超声波采集器Y1的IN1端、电源电压V_Rec、基准电压V_Ref。串联稳压器模块包括比较器OPAMP1和场效应管M9。并联稳压器模块包括比较器OPAMP2、电阻R1、电流源IS1和场效应管M10。比较器OPAMP1的反向输入端接入基准电压V_Ref；比较器OPAMP1的同相输入端接场效应管M9的漏极、电阻R1的一端、比较器OPAMP2的正电源端、场效应管M10的源极、电容C_LDO的一端和电阻R_LDO的一端。比较器OPAMP1的正电源端接电源电压V_Rec，负电源端接地。电阻R1的另一端接电流源的负极和比较器OPAMP2的反相输入端。电流源IS1的正极、比较器OPAMP2的负电源端、场效应管M10的漏极、电容C_LDO的另一端和电阻R_LDO的另一端均接地。比较器OPAMP2的同相输入端接入基准电压V_Ref。
[0042] 从原理上讲，整流器模块1中的I_RU1和I_RU2分别表示寄生电容C_GS1的平均放电电流和比较器从V_Rec汲取的平均电流。同理，在有源二极管2中可以定义C_GS1、I_RU3和I_RU4。图中，
[0043]
[0044] I_RU＝I_RU1+I_RU2+I_RU3+I_RU4
[0045] 1)当I_LDO＜I_RU时，C_LDO上电压开始上升。此时，串联稳压器传导的平均电流为IShunt＝I_RU‑I_LDO,开关管M10将多余的电流接至地。
[0046] 2)当I_LDO＞I_RU时，C_LDO上电压开始降低。此时，串联稳压器传到的平均电流为ISeries＝I_LDO‑I_RU，以补偿负载电流I_LDO。
[0047] 在传统的线性稳压器中，电阻分压器用于将V_LDO调整到所需的参考电压。为了降低分压器电路的功耗，通常选择较大的电阻，在本电路中，通过使输入参考电压V_Ref等于所需的电压V_LDO来省略这一步。为减小稳压器的输出振荡，将参考电压V_Ref与比较器进行比较后输出。本发明中比较器OPAMP2中的反向输入端通过与一个电流源相接实现反向电压输入的功能。
[0048] 如图6所示，启动电路模块5包括反相器U1、反相器U2和场效应管M11～M21。电阻R2的一端、场效应管M17、M18的源极均接电源电压V_Rec。场效应管M18的栅极、场效应管M17的栅极、漏极、场效应管M21的漏极及场效应管M15的源极均接参考电压V_BP1；电阻R2的另一端与场效应管M21的栅极、反相器U1的输入端和场效应管M20的漏极相连。场效应管M18的漏极接场效应管M16的源极；场效应管M16的栅极、场效应管M15的栅极、漏极及场效应管M13的漏极均接参考电压V_BP2；场效应管M13的栅极、场效应管M14的栅极、漏极、场效应管M21的源极、场效应管M20的栅极及场效应管M16的漏极均接参考电压V_Ref；场效应管M20的源极接场效应管M19的漏极；场效应管M13的源极接场效应管M11的漏极。场效应管M11的栅极、场效应管M12的栅极、漏极、场效应管M14的源极及场效应管M19的栅极均接参考电压V_BN1；场效应管M11的源极接电阻R3的一端；场效应管M12、M19的源极及电阻R3的另一端均接地。反相器U1的输出端接反相器U2的输入端；反相器U2的输出端用于输出提供给整流器模块1的启动工作信号SU。
[0049] 从原理上将，参考电压和启动电路模块5用于向其他电路提供参考电压V_Ref和启动信号SU。当参考电压和启动电路模块工作时，场效应管M21导通。在场效应管M21的栅极串联两个反相器，输出的启动工作信号SU作为本发明中整流器模块1的启动信号。
[0050] 该低功耗超声波能量收集电路具体使用方法如下：
[0051] 步骤一、启动电路模块5向整流器模块1提供基准电压V_Ref、基准电压V_BP1和启动工作信号SU，向双通稳压器模块4和开关管6提供参考电压V_Ref。V_BP1用于偏置整流器模块1内的场效应管M1。
[0052] 步骤二、外部超声波发生器UT1发出超声波，超声波采集器Y1接收超声波信号并产生交变的电压。当交变电压频率达到一定阈值时，突发检测模块3向整流器模块1和开关管6模块发出的状态工作信号Pas/Act保持高电平，使得整流器模块1工作，且开关管6连接负载的输出端保持低电平，储能电容C_stor处于充电状态，作为负载的发光二极管LED1导通，进行发光。
[0053] 步骤三、当无外部超声波信号或外部超声波信号的频率低于某一阈值时，突发检测模块3输出的状态工作信号Pas/Act变为低电平，使得整流器模块1内的有源二极管模块2截止，且开关管6关断。
[0054] 连接负载的输出端变为高电平，作为负载的发光二极管LED1熄灭，电路功耗降低。同时基准电压由储能电容C_stor提供。
