本技術(shù)涉及電子設(shè)備領(lǐng)域。更具體地，它涉及從環(huán)境能量收集電能的設(shè)備。

背景技術(shù)：

對(duì)電能預(yù)算非常低的電子設(shè)備的需求在不斷增長(zhǎng)，尤其是作為越來(lái)越多地向“物聯(lián)網(wǎng)”(IoT)移動(dòng)的部分，在物聯(lián)網(wǎng)中相對(duì)小的設(shè)備連接在一起，例如用于執(zhí)行任務(wù)(例如，監(jiān)測(cè)溫度或其他環(huán)境條件、控制家中的加熱、或控制街道照明)。雖然移動(dòng)和其他嵌入式應(yīng)用已經(jīng)被設(shè)計(jì)為相對(duì)于膝上型計(jì)算機(jī)和臺(tái)式計(jì)算機(jī)具有相對(duì)低的電能預(yù)算(因?yàn)樗鼈兊碾姵乇黄谕趩未纬潆姇r(shí)持續(xù)至少一天)，但是loT中的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和其他小型嵌入式設(shè)備的電能預(yù)算低了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。許多傳感器應(yīng)用不能選擇有線的電池充電，并且也不能從墻裝插座被供電。這種極端的能量限制與許多其他應(yīng)用(其中，設(shè)計(jì)權(quán)衡主要在速度和電能之間)不同。

因此，對(duì)能夠從其環(huán)境收集能量以減少電池使用和延長(zhǎng)電池壽命的傳感器的需求在不斷增長(zhǎng)。本技術(shù)尋求提供在電子設(shè)備中利用從環(huán)境源收集的能量的一種更節(jié)能的方式。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

從一方面看，本技術(shù)提供了一種電子設(shè)備，包括：

至少一個(gè)收集單元，該收集單元被配置為從環(huán)境能量收集電能；

至少一個(gè)電路，從至少一個(gè)收集單元向該至少一個(gè)電路供應(yīng)電能，該至少一個(gè)電路包括被配置為執(zhí)行數(shù)據(jù)處理的處理電路；以及

控制電路，該控制電路被配置為調(diào)整處理電路或至少一個(gè)收集單元的至少一個(gè)屬性，以減小所述至少一個(gè)收集單元的輸出阻抗與所述至少一個(gè)電路的輸入阻抗之間的阻抗失配。

電子設(shè)備具有用于從環(huán)境能量收集電能的至少一個(gè)收集單元。通常，因?yàn)榭捎糜谑占沫h(huán)境能量在變化，還因?yàn)橛墒占瘑卧?yīng)的電能的量取決于收集單元的輸出阻抗與由收集單元供電的至少一個(gè)電路的輸入阻抗匹配的緊密度，所以收集單元具有可變的輸出電能。通常存在最大電能提取點(diǎn)，它在收集器輸出阻抗與負(fù)載電路的輸入阻抗相匹配時(shí)出現(xiàn)。因此，為了實(shí)現(xiàn)高的電能提取效率并避免可用環(huán)境能量的浪費(fèi)，提供用于控制阻抗匹配的控制電路是十分有用的。

然而，在已知系統(tǒng)中通常通過(guò)調(diào)整電能轉(zhuǎn)換器的阻抗來(lái)進(jìn)行這種跟蹤，該電能轉(zhuǎn)換器被提供用于將由收集單元供應(yīng)的電能轉(zhuǎn)換為用于控制處理電路的穩(wěn)定電源。例如，可以使用DC-DC轉(zhuǎn)換器。這是因?yàn)樵谝阎到y(tǒng)中，向處理電路提供不變的穩(wěn)定電壓被認(rèn)為是必要的，所以DC-DC轉(zhuǎn)換器用于在環(huán)境能量的量變化時(shí)確保穩(wěn)定的輸出。因此，在已知系統(tǒng)中，通常通過(guò)調(diào)整DC-DC轉(zhuǎn)換器的屬性來(lái)實(shí)現(xiàn)最大電能提取點(diǎn)的跟蹤。

然而，本技術(shù)的發(fā)明人意識(shí)到這樣的電能轉(zhuǎn)換器通常需要一定的最小電壓來(lái)工作，并且在實(shí)踐中，有大量的時(shí)間能量收集器不能供應(yīng)足夠大的電壓來(lái)為轉(zhuǎn)換器供電。因此，在現(xiàn)有的系統(tǒng)中，存在處理電路不能工作(因?yàn)檗D(zhuǎn)換器停止工作)的時(shí)段。然而，可以以近或亞閾值模式工作的處理電路是可用的，在近或亞閾值模式中，向處理器供應(yīng)的電壓低于電能轉(zhuǎn)換器所需的最小電壓。因此，即使在由收集單元供應(yīng)的電能不足以運(yùn)行電能轉(zhuǎn)換器時(shí)，操作處理電路是可以的。

因此，本技術(shù)提供控制電路而不是使用電能轉(zhuǎn)換器來(lái)跟蹤電能收集效率，該控制電路調(diào)整處理電路或者至少一個(gè)收集單元的至少一個(gè)屬性，以減小收集單元的輸出阻抗與由收集單元供電的至少一個(gè)電路的輸入阻抗之間的阻抗失配。控制電路可以僅調(diào)整處理電路的屬性、或者僅調(diào)整收集單元的屬性、或者調(diào)整處理電路和收集單元兩者的屬性。這是不合乎直覺(jué)的，因?yàn)槿藗兺ǔ２豢紤]調(diào)整處理電路本身的操作以便實(shí)現(xiàn)更好的能量提取，因?yàn)榇蠖鄶?shù)系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成對(duì)處理電路的處理性能或能量效率進(jìn)行優(yōu)化，并且通過(guò)調(diào)整處理電路來(lái)改進(jìn)阻抗匹配實(shí)際上可能會(huì)增加處理電路消耗的能量。然而，發(fā)明人意識(shí)到的是，即使單獨(dú)的來(lái)看，調(diào)整會(huì)使得處理電路更不節(jié)能，但通過(guò)使能量收集單元能夠收集更多能量(由于改進(jìn)的阻抗匹配)可以改進(jìn)設(shè)備整體的總能量效率。

因此，通過(guò)調(diào)整處理器或收集單元的屬性，控制電路可以調(diào)整處理器和收集單元的相對(duì)阻抗以減小這些阻抗之間的失配。調(diào)整不需要精確地達(dá)到最優(yōu)電能提取點(diǎn)(在其中阻抗精確地匹配)，但如果可能的話最優(yōu)電能提取點(diǎn)是優(yōu)選的。使收集器輸出阻抗和電路輸入阻抗更接近就足夠了，而不是精確地匹配。例如，有時(shí)嘗試精確地匹配阻抗可能需要復(fù)雜的操作，并且執(zhí)行適當(dāng)?shù)淖杩蛊ヅ淇梢愿咝?，其中適當(dāng)?shù)淖杩蛊ヅ淙钥梢愿倪M(jìn)從收集器提取電能的效率。

通過(guò)執(zhí)行阻抗匹配(通過(guò)調(diào)整處理器或者一個(gè)或多個(gè)收集單元的屬性)，則不需要提供DC-DC轉(zhuǎn)換器或其他電能轉(zhuǎn)換器。因此，在電子設(shè)備的至少一種工作模式中，可以直接從由至少一個(gè)收集單元收集的電能為處理電路供電，而沒(méi)有任何介于中間的電能轉(zhuǎn)換器。這允許處理電路在低于為電能轉(zhuǎn)換器供電所需的閾值的電壓下工作。

在一些系統(tǒng)中，可能根本沒(méi)有在收集單元和處理器之間提供電能轉(zhuǎn)換器，使得處理電路直接耦接到收集器的輸出。通過(guò)消除電能轉(zhuǎn)換器，可以避免與轉(zhuǎn)換器相關(guān)聯(lián)的面積和電能開銷。

可選擇地，仍然可以提供電能轉(zhuǎn)換器，其可以從由收集單元生成的電能生成轉(zhuǎn)換電壓。在這種情況下，設(shè)備可以具有電能轉(zhuǎn)換工作模式以及非電能轉(zhuǎn)換模式，其中，在電能轉(zhuǎn)換工作模式中，使用來(lái)自電能轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換電壓來(lái)為處理電路供電，而在非電能轉(zhuǎn)換模式中，直接從至少一個(gè)收集單元為處理電路供電。例如，為了生成穩(wěn)定的電壓，可優(yōu)選的是：當(dāng)有足夠的能量來(lái)運(yùn)行電能轉(zhuǎn)換器時(shí)，則使用電能轉(zhuǎn)換器；但當(dāng)沒(méi)有足夠的能量用于運(yùn)行電能轉(zhuǎn)換器時(shí)，處理器可以使用來(lái)自能量收集器的直接能量來(lái)繼續(xù)工作。在這樣的系統(tǒng)中，在處于電能轉(zhuǎn)換模式時(shí)，控制電路還可以可選地調(diào)整電能轉(zhuǎn)換器的屬性以減小至少一個(gè)電路(下面稱為“負(fù)載電路”)和收集器輸出之間的阻抗失配。在非電能轉(zhuǎn)換模式期間，控制電路可以調(diào)整處理器或能量收集器的屬性，而非電能轉(zhuǎn)換器的屬性。

可以存在不同的方式來(lái)調(diào)整處理電路或至少一個(gè)收集單元的屬性以減小阻抗失配。例如，控制電路可以檢測(cè)至少一個(gè)收集器參數(shù)，該收集器參數(shù)指示由至少一個(gè)收集單元生成的電能的量或者至少一個(gè)收集單元的環(huán)境條件的屬性，并且控制電路可以基于檢測(cè)到的收集器參數(shù)來(lái)調(diào)整處理器或收集單元的至少一個(gè)屬性。例如，收集器參數(shù)可以是由收集單元生成的電壓或電流，或者是在收集單元的環(huán)境中檢測(cè)到的溫度或光強(qiáng)度，其可以影響收集器的輸出阻抗，并因此可以用于控制阻抗匹配?？刂齐娐房梢砸灾芷谛蚤g隔或連續(xù)地重復(fù)對(duì)收集器參數(shù)的檢測(cè)和對(duì)至少一個(gè)屬性的調(diào)整，以提供收集器或處理器阻抗的閉環(huán)調(diào)整，從而對(duì)收集器的條件變化作出反應(yīng)。

可以存在不同的方式來(lái)基于檢測(cè)到的收集器參數(shù)調(diào)整屬性。例如，數(shù)字或模擬電路或查找表可以用于提供收集器參數(shù)與處理器或收集單元的對(duì)應(yīng)屬性之間的某種關(guān)系。

在一個(gè)示例中，被調(diào)整以減小阻抗失配的至少一個(gè)屬性可以是供應(yīng)給處理電路的至少一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的屬性。例如，時(shí)鐘信號(hào)的屬性可以是它的頻率。提高時(shí)鐘頻率會(huì)改變處理電路的阻抗(例如，處理器的阻抗可以隨著時(shí)鐘頻率的上升而下降)。因此，如果處理器的阻抗太高，則可以提高時(shí)鐘頻率以減小其阻抗，并使阻抗更接近收集器的輸出阻抗以改進(jìn)電能提取?？梢园〞r(shí)鐘發(fā)生器，該時(shí)鐘發(fā)生器生成具有可變時(shí)鐘頻率的時(shí)鐘信號(hào)，并且控制電路可以控制時(shí)鐘發(fā)生器調(diào)整時(shí)鐘頻率以減少阻抗失配。例如，控制電路可以具有偏置發(fā)生器，該偏置發(fā)生器基于以上所討論的收集器參數(shù)來(lái)生成偏置控制參數(shù)，并且此偏置控制參數(shù)(例如電壓或電流)可以控制時(shí)鐘發(fā)生器來(lái)調(diào)整時(shí)鐘頻率。偏置發(fā)生器可以是模擬或數(shù)字電路，該模擬或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)檢測(cè)到的收集器參數(shù)與時(shí)鐘頻率之間的給定關(guān)系(例如，多項(xiàng)式關(guān)系)。當(dāng)時(shí)鐘發(fā)生器被提供時(shí)，則至少一個(gè)電路的輸入阻抗可以取決于處理器的阻抗和時(shí)鐘發(fā)生器的阻抗兩者。改變時(shí)鐘頻率可以改變時(shí)鐘發(fā)生器以及處理器的阻抗。因此，偏置發(fā)生器提供的映射可以考慮改變頻率對(duì)處理器和時(shí)鐘發(fā)生器兩者的影響。

調(diào)整時(shí)鐘信號(hào)的另一種方式可以是選擇性地選通時(shí)鐘信號(hào)的一些時(shí)鐘脈沖，以改變將哪些時(shí)鐘脈沖傳播到處理器。例如，位于時(shí)鐘發(fā)生器和處理器之間的時(shí)鐘路徑上的時(shí)鐘門可以由控制電路控制，以改變處理器看到的時(shí)鐘脈沖的數(shù)目，從而減小阻抗失配。

在一些示例中，處理電路可以具有被供應(yīng)不同相位的時(shí)鐘信號(hào)的不同部分或不同硬件設(shè)備，并且調(diào)整可以包括選擇哪些相位被供應(yīng)給處理電路或被停止。收集器看到的處理電路的阻抗隨有源電路的數(shù)量變化，因此可以利用它來(lái)改進(jìn)負(fù)載電路的輸入阻抗和收集器的輸出阻抗的匹配。

可以被調(diào)整以減小阻抗失配的處理器的另一屬性可以是偏置信號(hào)，該偏置信號(hào)偏置處理電路內(nèi)的晶體管。例如，可以向MOS晶體管的阱區(qū)施加偏置電壓或電流來(lái)使偏置晶體管正向偏置不同的量，以調(diào)諧處理器的性能，并且因此收集器為負(fù)載電路的輸入阻抗供電。在一些情況下，處理器的偏置信號(hào)還可以應(yīng)用于電路的其它部分中的晶體管，因此也可以影響至少一個(gè)電路的其他部分的阻抗，而不僅僅是處理器的。

此外，控制電路可以調(diào)整處理電路的哪些硬件設(shè)備處于省電狀態(tài)。這可以通過(guò)如上所述選擇性地選通時(shí)鐘信號(hào)到設(shè)備，或通過(guò)對(duì)硬件設(shè)備(例如，處理器使用的存儲(chǔ)器、緩存、傳感器或射頻單元)進(jìn)行上電和下電(通過(guò)使用電源門來(lái)隔離供應(yīng)到硬件設(shè)備的電能)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

控制電路還可以控制處理器選擇哪些軟件進(jìn)程來(lái)由處理電路執(zhí)行。例如，與其他軟件進(jìn)程相比，某些軟件進(jìn)程可以與整個(gè)處理電路的更高阻抗相關(guān)聯(lián)(例如，一些軟件進(jìn)程可能需要更多活動(dòng)的硬件單元)。對(duì)于一些傳感器節(jié)點(diǎn)或其它loT設(shè)備，執(zhí)行某些進(jìn)程的精確時(shí)間可能不是特別重要，因此處理器可以有自由精確地選擇何時(shí)執(zhí)行某些進(jìn)程。例如，可以有在其內(nèi)應(yīng)當(dāng)執(zhí)行進(jìn)程的時(shí)間窗，并且因此在調(diào)度處理器上的進(jìn)程之前，若執(zhí)行該進(jìn)程時(shí)收集器的輸出阻抗與負(fù)載電路的輸入阻抗相匹配(或更接近)，則控制電路可以等待一段時(shí)間。

還可以調(diào)整收集單元的屬性。例如，可以改變影響阻抗的收集單元的工作條件。例如，一些收集單元具有兩個(gè)或更多具有不同阻抗的不同配置，并且因此可以根據(jù)負(fù)載電路的輸入阻抗來(lái)選擇這些配置中的一個(gè)。例如，多個(gè)光伏電池可以并聯(lián)或串聯(lián)連接以產(chǎn)生不同的阻抗。此外，控制電路可以調(diào)整收集器的外部條件，例如，可以通過(guò)相關(guān)聯(lián)的加熱元件來(lái)調(diào)整光伏電池的工作溫度，或者可以使用可變磁體來(lái)調(diào)整射頻收集單元的諧振頻率，其可以影響收集器的阻抗。

此外，如果在同一設(shè)備中提供多個(gè)收集單元，則控制電路可以控制由哪個(gè)收集單元向處理器供應(yīng)電能以改進(jìn)阻抗匹配。例如，設(shè)備可以具有光伏電池以及熱能收集器，并且控制電路可以選擇其阻抗在給定時(shí)刻與負(fù)載電路的輸入阻抗匹配最佳的收集器。此外，可以使用具有不同工作參數(shù)的相同類型的多個(gè)收集器(例如，針對(duì)不同波段的光伏電池)。在其它示例中，一個(gè)收集器可以用于為處理電路供電，而另一個(gè)收集器為諸如電池或電容器的存儲(chǔ)設(shè)備充電，并且調(diào)整可以包括對(duì)為處理電路供電的收集器以及為存儲(chǔ)設(shè)備供電的收集器進(jìn)行交換，以改進(jìn)阻抗匹配。其他系統(tǒng)可以對(duì)每個(gè)收集器進(jìn)行時(shí)分復(fù)用使用，控制電路可以基于阻抗匹配來(lái)在每個(gè)收集器用于向至少一個(gè)電路供電時(shí)調(diào)整相對(duì)時(shí)間長(zhǎng)度。

此外，當(dāng)在具有多個(gè)能量收集單元的系統(tǒng)中調(diào)整處理電路的屬性以減小阻抗失配時(shí)，控制電路可以根據(jù)可用收集單元中的哪個(gè)正用于向處理電路供電來(lái)執(zhí)行不同量的調(diào)整或不同類型的調(diào)整。例如，可以根據(jù)當(dāng)前向處理電路供電的特定收集單元實(shí)現(xiàn)不同時(shí)鐘頻率的改變。

有時(shí)，能量收集單元生成的電能可以多于處理電路或至少一個(gè)電路的其余部分所需的電能，或者能量收集單元能夠在處理電路不活動(dòng)時(shí)收集能量。可以提供諸如電池或電容器之類的能量存儲(chǔ)設(shè)備用于存儲(chǔ)由收集單元提供的能量，使得稍后當(dāng)能量收集器不能為處理器生成足夠的電能時(shí)，可以從存儲(chǔ)設(shè)備向處理器供電。因此，可以有由收集單元為處理器供電的第一工作模式以及由能量存儲(chǔ)設(shè)備為處理電路供電的第二工作模式。

控制電路僅可以在第一工作模式中而非在第二工作模式中執(zhí)行阻抗調(diào)整控制。當(dāng)處于第一工作模式時(shí)，調(diào)整處理器或能量收集器的屬性可以增加處理器消耗的電能(例如，時(shí)鐘頻率的提高可以增加消耗的電能)。當(dāng)處于第一模式中時(shí)，這并不是問(wèn)題，因?yàn)樘幚砥魉牡碾娔艿脑黾涌梢孕∮谕ㄟ^(guò)改進(jìn)阻抗匹配實(shí)現(xiàn)的由收集單元提取的電能的增加。然而，當(dāng)處于第二模式時(shí)，則阻抗調(diào)整會(huì)冒著更快地耗盡存儲(chǔ)在存儲(chǔ)設(shè)備中的能量的風(fēng)險(xiǎn)，因此為了節(jié)省能量，控制電路可以停止跟蹤電能提取效率。相反，可以改為調(diào)整處理器以節(jié)省能量(例如通過(guò)降低時(shí)鐘頻率、降低阱偏置電壓、或減少活動(dòng)硬件單元或軟件進(jìn)程的數(shù)目)。

能量存儲(chǔ)設(shè)備可以具有電能轉(zhuǎn)換電路，用于將從能量收集單元得到的第一電壓轉(zhuǎn)換為要提供給存儲(chǔ)設(shè)備以對(duì)其充電的第二電壓。例如，電池所需要的電壓可能高于由能量收集器生成的電壓。當(dāng)提供電能轉(zhuǎn)換器時(shí)，至少一個(gè)電路的輸入阻抗可以取決于電能轉(zhuǎn)換器以及處理器的阻抗。類似地，當(dāng)能量存儲(chǔ)設(shè)備放電來(lái)為處理電路供電時(shí)，電能轉(zhuǎn)換電路可以將由能量存儲(chǔ)設(shè)備供應(yīng)的第三電壓轉(zhuǎn)換為處理器使用的第四電壓。為了減小電路面積和泄露，同一電路可以用于兩種轉(zhuǎn)換。例如，電能轉(zhuǎn)換器可以具有兩個(gè)輸入/輸出節(jié)點(diǎn)，并且在對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備充電時(shí)，來(lái)自收集單元的第一電壓被供應(yīng)到第一輸入/輸出節(jié)點(diǎn)，使得第二電壓被從第二輸入/輸出節(jié)點(diǎn)供應(yīng)，在電池放電時(shí)，利用從存儲(chǔ)設(shè)備供應(yīng)到第二輸入/輸出節(jié)點(diǎn)的第三電壓和從第一輸入/輸出節(jié)點(diǎn)供應(yīng)到處理器的第四電壓執(zhí)行反向過(guò)程。雖然大多數(shù)電能轉(zhuǎn)換器可以以這種方式被反向操作，但是實(shí)際上不常以這種方式使用它們。發(fā)明人意識(shí)到的是，這種方法允許從先前的設(shè)備中刪減電能轉(zhuǎn)換器，先前的設(shè)備通常提供用于對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備充電的一個(gè)電能轉(zhuǎn)換器和用于從存儲(chǔ)設(shè)備為處理器供電的另一個(gè)電能轉(zhuǎn)換器。

可以使用可以收集環(huán)境能量的任何類型的收集單元。在本申請(qǐng)中，術(shù)語(yǔ)“環(huán)境”能量指存在于電子設(shè)備附近或鄰近的能量，其不通過(guò)有線連接提供。環(huán)境能量可以包括有意地向設(shè)備供應(yīng)的能量(例如，由專用發(fā)射器提供的用于為設(shè)備供電的光或無(wú)線電傳輸)以及恰好在附近的能量(例如，太陽(yáng)輻射、熱梯度、或截獲的無(wú)線電廣播)。收集單元的示例包括用于從光收集能量的光伏(太陽(yáng)能)電池、用于從溫度變化或梯度收集能量的熱電收集單元、用于從機(jī)械或聲振動(dòng)收集能量的壓電能量收集器、或用于從射頻輻射收集能量的射電能量收集器。

從另一方面來(lái)看，本技術(shù)提供一種電子設(shè)備，包括：

至少一個(gè)收集裝置，用于從環(huán)境能量收集電能；

至少一個(gè)電路裝置，從至少一個(gè)收集單元向該至少一個(gè)電路裝置供應(yīng)電能，至少一個(gè)電路裝置包括用于執(zhí)行數(shù)據(jù)處理的處理裝置；以及

控制電路裝置，用于調(diào)整處理裝置或至少一個(gè)收集裝置的至少一個(gè)屬性，以減小至少一個(gè)收集裝置的輸出阻抗與至少一個(gè)電路裝置的輸入阻抗之間的阻抗失配。

從另一方面來(lái)看，本技術(shù)提供一種操作電子設(shè)備的方法，包括以下步驟：

通過(guò)使用至少一個(gè)收集單元從環(huán)境能量收集電能；

從至少一個(gè)收集單元向至少一個(gè)電路供電，至少一個(gè)電路包括被配置成執(zhí)行數(shù)據(jù)處理的處理電路；并且

調(diào)整處理電路或至少一個(gè)收集單元的至少一個(gè)屬性以減小所述至少一個(gè)收集單元的輸出阻抗與所述至少一個(gè)電路的輸入阻抗之間的阻抗失配。

從另一方面來(lái)看，本技術(shù)提供一種為電子設(shè)備設(shè)計(jì)集成電路布局的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，該計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法包括使用自動(dòng)設(shè)計(jì)工具來(lái)生成限定集成電路布局的數(shù)據(jù)，集成電路布局包括：

輸入節(jié)點(diǎn)，用于接收由至少一個(gè)收集單元從環(huán)境能量收集的電能；

至少一個(gè)電路，從輸入節(jié)點(diǎn)向該電路供應(yīng)電能，該至少一個(gè)電路包括被配置成執(zhí)行數(shù)據(jù)處理的處理電路；以及

控制電路，該控制電路被配置為調(diào)整處理電路或至少一個(gè)收集單元的至少一個(gè)屬性，以減小至少一個(gè)收集單元的輸出阻抗與至少一個(gè)電路的輸入阻抗之間的阻抗失配。

自動(dòng)設(shè)計(jì)工具可以用于根據(jù)本技術(shù)設(shè)計(jì)電子設(shè)備。例如，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)工具可以使用定義了可用于選擇以包括在集成電路布局內(nèi)的一組標(biāo)準(zhǔn)單元的單元庫(kù)。該單元庫(kù)可以包括與以上所述至少一個(gè)電路、處理電路和控制電路相對(duì)應(yīng)的單元。至少一個(gè)收集單元不必包括在集成電路布局內(nèi)，而是可以提供用于從收集單元接收電能的輸入節(jié)點(diǎn)，該收集單元在制造的稍后階段被集成到包括集成電路的電子設(shè)備中。所生成的限定集成電路布局的數(shù)據(jù)接下來(lái)可用于控制具有設(shè)計(jì)布局的集成電路的制造。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明的進(jìn)一步的特征優(yōu)點(diǎn)和方面將從以下結(jié)合附圖閱讀的示例的描述中顯而易見(jiàn)，其中：

圖1示出了使用能量收集器的已知電子設(shè)備的問(wèn)題；

圖2示出了具有用于調(diào)整處理器或收集單元的屬性以減少阻抗失配的控制電路的電子設(shè)備的第一示例；

圖3示出了另一個(gè)示例，其中設(shè)備具有DC-DC轉(zhuǎn)換器；

圖4是示出在不同電壓或電流和不同光強(qiáng)度下由收集單元輸出的電能的變化的曲線圖；

圖5示出了調(diào)整供應(yīng)給處理器的時(shí)鐘的時(shí)鐘頻率以減小阻抗的示例；

圖6是示出阻抗隨電壓變化的曲線圖；

圖7是示出阻抗隨時(shí)鐘信號(hào)的頻率變化的曲線圖；

圖8示出了具有用于生成用于控制振蕩器的時(shí)鐘頻率的偏置參數(shù)的偏置發(fā)生器的電子設(shè)備的示例；

圖9示出了用于偏置發(fā)生器的示例電路；

圖10示出了具有用于存儲(chǔ)由收集單元收集的能量的存儲(chǔ)設(shè)備的電子設(shè)備的示例；

圖11示出了使用所存儲(chǔ)的能量為處理器供電的示例；以及

圖12示出了具有多個(gè)收集單元的設(shè)備的示例。

具體實(shí)施方式

圖1示出了已知的電子設(shè)備2，該電子設(shè)備2具有用于執(zhí)行處理操作的CPU系統(tǒng)4和用于從環(huán)境源收集能量的能量收集器6。例如，能量收集器可以是太陽(yáng)能電池。提供存儲(chǔ)元件(例如，電容器或電池)8用于存儲(chǔ)由收集器6收集的能量。DC-DC轉(zhuǎn)換器10將由收集器6生成的電壓轉(zhuǎn)換為較高的電壓用于對(duì)存儲(chǔ)元件8充電。提供另一DC-DC轉(zhuǎn)換器12用于將由存儲(chǔ)元件8輸出的電壓轉(zhuǎn)換為要供應(yīng)給CPU系統(tǒng)4的電壓。轉(zhuǎn)換器10、12需要一定的電壓以能夠工作。例如，DC-DC轉(zhuǎn)換器可能需要約0.6V的最小工作電壓。然而，如圖1底部的圖所示，能量收集器6可能隨著環(huán)境條件的改變而輸出變化的電壓，并且可能存在輸出電壓掉到0.6V以下的時(shí)段20。因?yàn)镈C-DC轉(zhuǎn)換器10在這些時(shí)段20期間不能工作，CPU系統(tǒng)4將不得不依賴于所存儲(chǔ)的能量，并且因此已由收集器6收集的能量被浪費(fèi)。CPU的最小工作電壓可以低于DC-DC轉(zhuǎn)換器的最小工作電壓。例如，一些系統(tǒng)可以在臨近閾值或亞閾值電壓(例如，約0.3V)下工作。因此，對(duì)于由收集單元6收集的能量的利用，存在改進(jìn)的空間。

圖2示出了根據(jù)本技術(shù)的電子設(shè)備50的示例。設(shè)備50具有用于從環(huán)境能量收集電能的收集單元52。收集單元52可以是用于從環(huán)境光收集能量的光伏電池。此外，收集單元52可以是從溫度梯度或變化生成能量的熱電設(shè)備。例如，如果設(shè)備50是可穿戴設(shè)備(例如，嵌入在手表、一副眼鏡或一件衣服中)，則緊挨著佩戴該設(shè)備的人皮膚的設(shè)備的一部分可能比暴露于外部空氣中的設(shè)備的另一部分溫暖，因此這些極端之間的溫度梯度可以用于利用熱電效應(yīng)的能量收集。能量收集器的其他示例包括用于從環(huán)境振動(dòng)(包括機(jī)械或聲音噪聲)收集能量的壓電設(shè)備，或用于從射頻或其它波長(zhǎng)的電磁輻射收集能量的收集器。設(shè)備50還具有用收集單元52直接供電的電路54。與圖1不同，沒(méi)有在收集單元52和電路54之間提供電能轉(zhuǎn)換器。54的電路可以包括由收集器供電的任何電路，并且至少包括用于執(zhí)行數(shù)據(jù)處理的處理器56。電路54的其它元件可以例如包括存儲(chǔ)器單元、總線、無(wú)線電發(fā)射器/接收器單元、傳感器等。

可以從收集單元52收集的電能不僅取決于環(huán)境條件(例如光、溫度梯度或噪聲的量)，還取決于收集單元52的輸出阻抗Zout與電路54的輸入阻抗Zin的匹配程度。因此，提供控制電路60以跟蹤最大電能提取并調(diào)整收集單元52或處理器56(或兩者)的至少一個(gè)屬性以減少收集器52的輸出阻抗Zout與電路54的輸入阻抗Zin之間的失配。例如，如圖2所示，控制電路可檢測(cè)由收集單元52生成的電壓或電流，并且可以使用該電壓或電流來(lái)設(shè)置處理器56或收集單元5的屬性(例如，時(shí)鐘頻率或阱偏置電壓)。通過(guò)調(diào)整收集器54或處理器56的屬性以改進(jìn)阻抗匹配，可以使DC-DC轉(zhuǎn)換器最小化，同時(shí)仍然將系統(tǒng)保持在具有最大(或接近最大)電能提取的優(yōu)選工作點(diǎn)處。當(dāng)由收集器52輸出的電能(電壓或電流)下降得太低而不能為DC-DC轉(zhuǎn)換器10供電時(shí)，現(xiàn)直接從收集器52供電的處理器56可以繼續(xù)工作。

如圖3所示，電子設(shè)備50還可以包括電能轉(zhuǎn)換器70，例如DC-DC轉(zhuǎn)換器，用于將收集單元52生成的電流或電壓轉(zhuǎn)換為用于為處理器56供電的電壓。系統(tǒng)的其他元件與圖2中的相同。與圖1不同，圖3的設(shè)備50可以在非電能轉(zhuǎn)換模式下或者電能轉(zhuǎn)換模式下工作，其中，在非電能轉(zhuǎn)換模式中，使用直接從由收集單元52收集的電能中導(dǎo)出的電壓為處理器56和其它電路54供電，在電能轉(zhuǎn)換模式中，向電路54供應(yīng)由DC-DC轉(zhuǎn)換器70提供的轉(zhuǎn)換電壓。因此，當(dāng)收集單元52生成足以運(yùn)行轉(zhuǎn)換器70的電能時(shí)，轉(zhuǎn)換器可以生成穩(wěn)定的電壓供處理器56使用。當(dāng)所生成的電能下降到用于運(yùn)行轉(zhuǎn)換器70的閾值以下時(shí)，系統(tǒng)可以切換到直接從收集器52為處理器供電。圖3中的控制電路60可以控制處理器56或收集單元52的屬性以與圖2相同的方式減少阻抗失配。再次，圖3所示的布置允許處理器56在較低電壓下工作，以便從由收集單元52收集的更多電能中提取有用功。

圖4是示出由收集單元52提取的電能隨由電路54汲取的電壓或電流變化的示例的曲線圖。對(duì)于給定量的環(huán)境能量(例如，在此示例中給定量的光強(qiáng)度)，電能隨著由電路54汲取的電流量增加到最大工作點(diǎn)(MPP)而逐漸增加，然后隨著負(fù)載電流繼續(xù)增加而開始減小。當(dāng)負(fù)載和收集器的阻抗匹配時(shí)，出現(xiàn)最大電能提取。如圖4所示，最大工作點(diǎn)會(huì)隨著諸如光強(qiáng)度之類的環(huán)境能量的不同水平而變化(例如，參見(jiàn)在連續(xù)更高量的光強(qiáng)度下，在不同的電壓或電流A、B和C處的最大能量提取)。

因此，考慮到增加的能量提取，控制電路60可以重復(fù)地或連續(xù)地監(jiān)控收集單元52的操作，并調(diào)整處理器56或收集單元52的工作條件以改進(jìn)阻抗匹配。例如，控制電路可以具有感測(cè)收集器的光強(qiáng)度、溫度梯度或收集器另一環(huán)境條件的傳感器，并且控制電路60可以根據(jù)檢測(cè)到的條件來(lái)調(diào)整處理器56或收集器52的屬性。此外，控制電路60可以檢測(cè)由收集器生成的電壓或電流，并且使用它來(lái)調(diào)整處理電路56或收集器52的屬性。例如，控制電路60可以具有查找表或者模擬或數(shù)字電路，其提供從檢測(cè)到的收集器參數(shù)到收集器52或處理電路56的對(duì)應(yīng)屬性的映射。可選擇地，控制電路60可以使用諸如爬山法之類的另一種方法(其中，控制電路60在特定方向上調(diào)整屬性，然后確定收集到的電能增加還是減少，然后繼續(xù)進(jìn)行調(diào)整直到電能最大化)，而不是使用檢測(cè)到的收集器參數(shù)與處理器56和/或收集器52的屬性之間預(yù)先定義的關(guān)系。

控制電路60不必尋求在最大電能點(diǎn)處精確地操作設(shè)備50。在一些情況下，控制電路60可以旨在減少Zout和Zin之間的阻抗失配，而不是消除失配。這仍然可以有助于推動(dòng)工作點(diǎn)更接近峰值電能提取以提高能量效率。

控制電路可以調(diào)整系統(tǒng)的各種屬性以改進(jìn)阻抗匹配。例如，控制電路可以例如通過(guò)改變收集器的工作點(diǎn)(通過(guò)使用磁體調(diào)諧電磁輻射收集器的諧振頻率、加熱太陽(yáng)能電池或通過(guò)在諸如太陽(yáng)能電池的串聯(lián)或并聯(lián)布置之類的不同配置之間進(jìn)行選擇)調(diào)整收集器52的條件。當(dāng)改變處理器的屬性時(shí)，該屬性可以包括改變處理器的活動(dòng)的或不活動(dòng)的部位，或者改變由處理器運(yùn)行的軟件算法，其可以影響電路54的整體阻抗。例如，可能存在一些不必要的軟件進(jìn)程，該軟件進(jìn)程可以被關(guān)閉或啟動(dòng)來(lái)改變阻抗Zin?？刂齐娐?0還可以調(diào)整電路54內(nèi)的晶體管的阱或襯底偏置電壓或電流。

圖5示出了對(duì)提供給處理器56的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)鐘頻率進(jìn)行調(diào)整的示例。電路54包括為處理器56生成時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)鐘發(fā)生器70。電路54的整體阻抗Z_in-eff既取決于處理器56的輸入阻抗Z_in-cpu，還取決于時(shí)鐘發(fā)生器70的輸入阻抗Z_in-osc。阻抗Z_in-cpu和Z_in-osc都取決于時(shí)鐘頻率，因此可以通過(guò)調(diào)整時(shí)鐘頻率來(lái)調(diào)整電路54的有效阻抗Z_in-eff以減少與收集器52的輸出阻抗的失配。例如，時(shí)鐘發(fā)生器70可以是振蕩器，并且控制電路60可以改變由振蕩器(例如，可以使用壓控振蕩器)生成的時(shí)鐘信號(hào)的頻率。因此，通過(guò)動(dòng)態(tài)地調(diào)整處理器的時(shí)鐘頻率以減少阻抗失配，可以實(shí)現(xiàn)增加的電能提取。

在其它示例中，控制電路60可以控制在時(shí)鐘發(fā)生器70和處理器56之間提供的時(shí)鐘門來(lái)減少提供給處理器56的脈沖數(shù)目，而不是調(diào)整生成的時(shí)鐘的頻率。此外，控制電路60可以將提供給處理器56的一些部分的時(shí)鐘信號(hào)停止，同時(shí)繼續(xù)為其它部分生成時(shí)鐘信號(hào)，或者為處理器56的不同部分提供不同的時(shí)鐘頻率，以改變處理器56的阻抗。

圖6是示出阻抗隨由收集器52生成的電壓變化的曲線圖。該曲線圖示出了振蕩器阻抗Z_in-osc和處理器阻抗Z_in-cpu以及收集單元52的輸出阻抗Z_out-pv。圖6中的虛線表示振蕩器70和處理器56組合的有效阻抗Z_in-eff。隨著收集單元52生成的電壓降低，振蕩器和CPU阻抗變得更接近于收集器的輸出阻抗，因此在非常低的電壓下跟蹤最大電能點(diǎn)變得不那么值得。因此，在一些實(shí)施例中，設(shè)備50可以具有將收集器52輸出的電壓與閾值進(jìn)行比較的比較器，并且如果電壓下降到該閾值以下，則控制電路60可以停止跟蹤阻抗匹配并調(diào)整處理器或收集單元的屬性。

圖7示出了阻抗隨時(shí)鐘頻率的變化。再次，虛線示出了包括振蕩器70和處理器56的整個(gè)負(fù)載電路54的有效阻抗。如圖7所示，虛線與表示收集單元52阻抗的線在給定點(diǎn)處相交，因此可以通過(guò)增加/減小頻率調(diào)諧負(fù)載電路54的有效阻抗以與收集器的輸出阻抗匹配(或減少與收集器輸出阻抗的失配)，從而提高電能提取效率。

圖8示出了設(shè)備50的示例，其中提供偏置發(fā)生器100，用于響應(yīng)于收集器52的參數(shù)來(lái)設(shè)置時(shí)鐘振蕩器70的頻率。例如，可以將由收集器52生成的電壓或電流供應(yīng)給生成偏置電壓的偏置發(fā)生器100，該偏置電壓控制振蕩器70生成具有給定頻率的時(shí)鐘信號(hào)。例如，偏置發(fā)生器可以包括模擬或數(shù)字電路，該模擬或數(shù)字電路將檢測(cè)到的電壓或電流映射到對(duì)應(yīng)的工作頻率?？梢曰谡谑褂玫氖占瘑卧?2和負(fù)載電路54的具體類型來(lái)提前確定映射數(shù)據(jù)?？蛇x擇地，偏置發(fā)生器100可以簡(jiǎn)單地在一個(gè)方向或其他方向上調(diào)整時(shí)鐘頻率，并且看由收集器生成的電能是增加還是減少。圖8的示例還包括DC-DC轉(zhuǎn)換器120和能量存儲(chǔ)設(shè)備110，其對(duì)于此實(shí)施例不是必要的，并且將參照?qǐng)D10和11更詳細(xì)地描述。

圖9示出了使用偏置發(fā)生器控制的概念振蕩器。偏置控制參數(shù)可以是電阻兩端的電壓降(V_CTRL)，該電阻可以由數(shù)字輸入控制來(lái)固定輸出時(shí)鐘的絕對(duì)頻率(F_clk)。來(lái)自能量收集器的輸出(V_EH)被用作壓控電流源(VCCS)的控制參數(shù)，VCCS隨后根據(jù)輸入電壓(V_EH)控制絕對(duì)頻率的變化，從而實(shí)現(xiàn)用輸入電壓控制頻率。

圖10示出了電子設(shè)備50的另一示例，電子設(shè)備50具有能量存儲(chǔ)設(shè)備110，用于基于由收集單元52供應(yīng)的電能來(lái)存儲(chǔ)能量。例如，當(dāng)處理器56不活動(dòng)時(shí)或者當(dāng)處理器活動(dòng)但存在來(lái)自收集器52的處理器56不需要的多余可用能量時(shí)，則多余能量可以用于對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備110充電。存儲(chǔ)設(shè)備110可以例如是電池或超級(jí)電容器。在收集器52和存儲(chǔ)設(shè)備110之間提供附加的電能轉(zhuǎn)換器(例如DC-DC轉(zhuǎn)換器)120來(lái)將所生成的電能轉(zhuǎn)換成適合于存儲(chǔ)設(shè)備110的電壓。例如，與電路的其余部分相比，存儲(chǔ)設(shè)備110可以在更高的電壓下工作。轉(zhuǎn)換器120可以是可逆電路，使得同一轉(zhuǎn)換器既可以用于將來(lái)自收集器52的電壓轉(zhuǎn)換為存儲(chǔ)設(shè)備110使用的電壓，還可以用于將由存儲(chǔ)設(shè)備110生成的電壓轉(zhuǎn)換為CPU 56使用的電壓(當(dāng)該轉(zhuǎn)換器被逆向使用時(shí))。例如，CPU使用的電壓可以低于電池提供的電壓以節(jié)省能量。通過(guò)提供可在存儲(chǔ)設(shè)備110充電和放電時(shí)都轉(zhuǎn)換電壓的可逆電路，避免了如圖1的示例中提供兩個(gè)單獨(dú)電源轉(zhuǎn)換器10、12的需要。在圖10中，選通控制器130選通由振蕩器70生成的時(shí)鐘信號(hào)，該選通控制器130選擇將時(shí)鐘信號(hào)的哪些脈沖發(fā)送到轉(zhuǎn)換器120或發(fā)送到處理器56。因此，選通控制器130可用于選擇是對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備110充電還是(由處理器56)從存儲(chǔ)設(shè)備110中汲取電能。在圖10中，負(fù)載電路54的有效阻抗現(xiàn)取決于電能轉(zhuǎn)換器120、處理器56和振蕩器70組合的阻抗。這些阻抗全部取決于由振蕩器70生成的時(shí)鐘頻率F_clk，因此控制電路60可以以與先前示例類似的方式控制有效阻抗，但是由于附加的電能轉(zhuǎn)換器120，頻率和阻抗之間可能存在不同的關(guān)系，其可以反映在偏置發(fā)生器100或提供的用于調(diào)整時(shí)鐘頻率的其它控制電路60中。

圖10示出了在下述模式中工作的設(shè)備50：將來(lái)自收集器52的能量供應(yīng)給處理器56，并且任何多余的能量都用于對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備110充電。如圖11所示，在另一工作模式中，如果無(wú)法從能量收集器52獲得足夠的能量，可以經(jīng)由轉(zhuǎn)換器120從存儲(chǔ)設(shè)備110向處理器56供應(yīng)電能。在這種情況下，收集器52可以可選擇地與電路的其余部分隔離，這可以是有用的，因?yàn)槿绻占鳑](méi)有與系統(tǒng)的其余部分解耦，則一些收集器可以從存儲(chǔ)設(shè)備110汲取能量。通過(guò)在存儲(chǔ)設(shè)備110為處理器供電時(shí)解耦收集器52，可以節(jié)省存儲(chǔ)設(shè)備上的電荷。在圖11所示的存儲(chǔ)能量模式期間，控制電路60可以停止跟蹤收集器52的最大工作點(diǎn)。相反，可以調(diào)諧振蕩器70的時(shí)鐘頻率以減少處理器56消耗的能量，而不是用于最大電能的提取(例如，通過(guò)降低時(shí)鐘頻率)。這有助于節(jié)省存儲(chǔ)設(shè)備110中的能量。

在具有如圖10和11所示的存儲(chǔ)設(shè)備110的系統(tǒng)中，本技術(shù)是非常有用的。通過(guò)允許處理器56在來(lái)自收集器52的電壓太低而不能運(yùn)行電能轉(zhuǎn)換器的時(shí)段20期間使用由收集器52供應(yīng)的能量來(lái)工作，這避免了在這些時(shí)段20期間耗盡存儲(chǔ)設(shè)備110中的電荷的需要，使得所存儲(chǔ)的能量壽命增加。

如圖12所示，設(shè)備50可以包括多個(gè)能量收集單元52，例如具有不同類型或特性的收集器。在此示例中，收集器52包括光伏電池、熱電收集器和振動(dòng)收集器(其可以從聲學(xué)或機(jī)械振動(dòng)收集能量)。還可以提供具有不同工作特性的相同類型的收集單元，例如針對(duì)不同波長(zhǎng)優(yōu)化的光伏電池。由能量管理單元150控制哪些收集單元52用于為電路的其余部分供電。例如，能量管理單元150可以確定哪個(gè)收集器52具有最多可用能量，或者哪個(gè)收集器52的提取對(duì)于給定情況是最有效的。例如，能量管理單元150可以確定哪個(gè)收集器52具有針對(duì)給定任務(wù)與負(fù)載電路54的阻抗最接近匹配的輸出阻抗Zout。因此，能量管理單元150可以形成先前實(shí)施例中所示的控制電路60的一部分，使得被調(diào)整以減少與負(fù)載電路54的阻抗失配的屬性是選擇使用哪個(gè)收集器。在其他系統(tǒng)中，不同的收集器可以用于不同的目的，例如，一個(gè)收集器用于為處理器56供電，而另一個(gè)收集器用于對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備110充電。在一些情況下，偏置發(fā)生器100可以向能量管理單元150反饋關(guān)于負(fù)載電路54有效阻抗的一些信息，以允許能量管理單元150控制哪個(gè)源52來(lái)用于實(shí)現(xiàn)最佳能量提取。

雖然本文已經(jīng)參照附圖詳細(xì)描述了本發(fā)明的說(shuō)明性實(shí)施例，但是應(yīng)理解的是，本發(fā)明不限于這些精確的實(shí)施例，并且所屬領(lǐng)域技術(shù)人員可以在其中進(jìn)行各種改變和修改，而不背離由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍和精神。