由于無線通信的普及，環(huán)境RF能量的可用性為許多低功率設(shè)計提供了越來越有吸引力的電源。RF能量收集為許多應(yīng)用提供了顯著的優(yōu)勢，但它需要密切關(guān)注關(guān)鍵部件，包括接收線圈和這種方法所需的功率調(diào)節(jié)電路。對于工程師來說，由于各種制造商提供的可用元件和IC，包括Intersil、Linear Technology、ROHM Semiconductor、STMicroelectronics、德州儀器(ti)和Vishay Dale，高效RF能量收集的設(shè)計變得更加簡單。

射頻能量無處不在，而且有望擴(kuò)大，因?yàn)橄M(fèi)者和工業(yè)市場削減了電力線，更多地依靠無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)從短距離到長距離的各種通信。除了無處不在的Wi-Fi信號源，工程師還可以找到射頻能源，包括藍(lán)牙和ZigBee等短程技術(shù)，以及蜂窩服務(wù)背后的各種遠(yuǎn)程技術(shù)。

隨著可用性的提高，射頻能量收集為系統(tǒng)設(shè)計本身帶來了多重好處。除了減少布線和布線要求之外，由環(huán)境RF能量驅(qū)動的設(shè)計可以完全密封，并且免受環(huán)境條件和危險材料的影響。降低維護(hù)要求不僅提供了自身的優(yōu)勢，還允許工程師將系統(tǒng)放置在難以到達(dá)的位置或其他環(huán)境能源(如光、溫度或振動)的可用性降低的位置。對于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，例如物聯(lián)網(wǎng)(IoT)中設(shè)想的網(wǎng)絡(luò)，工程師可以將射頻能量收集與復(fù)雜的設(shè)備到設(shè)備通信相結(jié)合，并使用每個設(shè)備對射頻源進(jìn)行環(huán)境反向散射調(diào)制。

采集能量至少需要幾個基本組件，包括能量傳感器、整流器、儲能器和輸出電壓調(diào)節(jié)器(圖1)。對于RF能量收集，接收線圈被用作響應(yīng)與RF發(fā)射器的電磁耦合而產(chǎn)生電壓的能量源。與一般的能量收集一樣，RF能量收集的挑戰(zhàn)在于在給定的環(huán)境能量水平下最大化傳感器(這里是接收線圈)的輸出。

圖1:能量采集器電路通常對傳感器采集的環(huán)境能量的電壓輸出進(jìn)行整流。大多數(shù)應(yīng)用需要一種方法來存儲產(chǎn)生的能量，并調(diào)整輸出到負(fù)載的電壓(由線性技術(shù)提供)。

通過射頻能量收集，工程師在確保最大能量輸出方面面臨獨(dú)特的挑戰(zhàn)。從根本上說，工程師必須處理微弱的環(huán)境射頻源。雖然各種形式的射頻能量會滲透到大多數(shù)封閉區(qū)域，但其水平通常低于工程師預(yù)期的替代環(huán)境源(圖2)。

圖2:雖然越來越普遍，但Wi-Fi和蜂窩GSM等環(huán)境射頻源通常比其他源更有效，但它們通常會導(dǎo)致收集的功率減少(由德州儀器提供)。

射頻發(fā)射器通信通常受到它們能夠輻射的功率量的限制。此外，對于給定的無線電源，接收天線的功率隨著距離的變化而降低，如Friis傳輸方程所預(yù)測的:

在這種環(huán)境下，接收天線的設(shè)計在最大化能量收集效率方面起著關(guān)鍵作用。雖然接收天線可以蝕刻在印刷電路板上，但工程師可以找到專門為此任務(wù)設(shè)計的接收線圈組件。與同類產(chǎn)品中的許多此類設(shè)備一樣，Vishaydale 48mm x 32mm Iwas-3827 EC-50接收線圈(圖3)具有低DC電阻(200 mω)和電感(9.7μH)。這些接收線圈針對無線電源應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，通常具有高磁導(dǎo)率屏蔽，可用于阻擋來自其他電路元件的充電通量。

圖3:接收線圈，如Vishay Dale IWAS-3827EC-50，針對無線電源應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，并使用屏蔽功能來保護(hù)鄰近的電子設(shè)備(由Vishay Dale提供)。

當(dāng)通過線圈產(chǎn)生最大電壓時，工程師通常會并聯(lián)一個電容器，形成一個諧振電路，調(diào)諧到最高功率射頻信號的頻率。在與負(fù)載適當(dāng)調(diào)整和匹配之后，諧振電路的輸出將代表最佳RF源的最佳可能輸出。

在輸入端，M24LR16E-R提供兩個引腳用于接收RF輸入線圈。除了在輸出端支持NFC/RFID應(yīng)用功能，該器件還提供一個專用的Vout模擬引腳。當(dāng)設(shè)置為電能收集模式時，器件使用Vout輸出器件從RF場捕獲的多余電能。上電Vout僅限于保證M24LR16E-R有足夠的內(nèi)部功率，但這個剩余功率足以驅(qū)動各種低功耗應(yīng)用電路。工程師可以通過使用ST的Robot-M24L16E-A評估板探索器件的能量收集模式，評估板包括蝕刻感應(yīng)天線、M24LR16E-R IC、PC連接器和相關(guān)元件。

對無線供電日益增長的興趣和無線充電的應(yīng)用也促進(jìn)了IC的出現(xiàn)，可以滿足更常見的射頻能量采集需求。德州儀器(TI)BQ51221旨在支持無線功率協(xié)議，但它具有更一般的RF電能收集設(shè)計所需的完整功率調(diào)節(jié)路徑(圖4)。IC集成效率為79%，集成了效率為96%的同步整流器和效率為97%的穩(wěn)壓器。

圖4:德州儀器BQ51221無線功率接收器為更一般的射頻能量采集應(yīng)用提供功率調(diào)節(jié)功能(德州儀器提供)。

結(jié)論

隨著移動系統(tǒng)和無線技術(shù)的快速發(fā)展，智能傳感器繼續(xù)推動各種形式的無線通信的爆炸式增長，這導(dǎo)致環(huán)境射頻能量幾乎普遍可用。對于工程師來說，射頻能量收集為提供低功耗設(shè)計提供了越來越有利的選擇，例如無線傳感器和其他為物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的設(shè)備。有了可用的元件，工程師們可以很容易地構(gòu)建可以收集射頻能量的電路；然而，無線電源IC的日益普及為任何低功耗設(shè)計中的射頻能量收集提供了現(xiàn)成的解決方案。

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