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针对超低功耗应用的热能+RF能量混合采集电路设计

时间:2020-04-10 作者:Maurizio Di Paolo Emilio 阅读:
从电子产品到计算机芯片,技术进步令人惊讶。但是,有一个领域仍然缺乏进展,技术突破也有延迟:电池的快速放电和其低电池容量。鉴于此,本文所述解决方案旨在开发如热能和射频(RF)之类的两种可再生能源。通过收集这两类能源,有可能为超低功耗设备供电,并影响物联网(IoT)市场。
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技术的发展速度之快无法想象。从电子产品到计算机芯片,技术进步令人惊讶。因此,我们发现自己被各种小型电子设备包围着,无论是智能手机、平板电脑、笔记本电脑、可穿戴设备,还是其它物联网设备。但是,有一个领域仍然缺乏进展,技术突破也有延迟:电池的快速放电和其低电池容量。鉴于此,本文的重点是可再生能源,和利用这些能源让这些设备进行自供电。DSKEETC-电子工程专辑

本文所述解决方案旨在开发如热能和射频(RF)之类的两种可再生能源。通过收集这两类能源,有可能为超低功耗设备供电,并影响物联网(IoT)市场。DSKEETC-电子工程专辑

引言

根据物理定律,能量从一种形式转换为另一种形式时系统的总能量保持守恒。经典的例子是,两个台球碰撞产生了“能量声音”和在接触点产生的热量。在这种情况下,声音源自周围空气分子的振动。这种振动在数学上可以表示为波,但是对于人耳而言,它表现为一种声音,其强度与冲击力有关。因此,能量可以从一种形式转换为另一种形式。DSKEETC-电子工程专辑

我们可以从不同的环境能源中获得能量。DSKEETC-电子工程专辑

热能:我们周围的环境中温度和热流的差异无处不在。典型示例包括来自汽车发动机的废热、来自地下的地热、炼钢厂或其它工业过程中的冷却水产生的热量。热能可以通过热电发电机和一些电路转换为电能,并将电能保存到存储设备中。 热能转化为电能的基本原理是,热电发电机(TEG)将热流(温度差)转换为电能。热电发动机没有活动部件,通常尺寸很小,非常适合低功耗嵌入式设备。DSKEETC-电子工程专辑

RF能量:如今,RF能量代表了无线传感器网络中电源的重要来源;通过无线电力分配系统,可获得一个特设基础设施,能够通过单一传输源为由数百或数千个节点组成的整个网络供电。DSKEETC-电子工程专辑

RF能量可以通过使用RF能量采集器转化为电能。这些采集器把RF能量转换成电能。如今,我们身边到处都有由GSM、LTE、Wifi、无线电波等信号产生的RF能量,而这些信号在任何商业、住宅和工业领域都存在。DSKEETC-电子工程专辑

研究和开发这些技术的真正挑战是恢复公共电信服务(如电视和无线电广播或移动通信)传输的电力。DSKEETC-电子工程专辑

解决方案

我们将使用BQ25570 IC来进行热能采集,它能从热电发电机中提取微瓦至毫瓦的热能,并且还具有一个功率管理系统,该系统通过使用双重电路来提高电压,同时能防止电池过度充电或爆炸。DSKEETC-电子工程专辑

我们将使用P2110IC及其RF天线和前端来进行RF采集。该IC可在频率为902 - 928 Mhz的频段微调,也可以在其它频段运行,但效率较低。该波段的中心频率是2G,我们周围的任何地方都有此频率,它能让我们在地球的每一个角落采集能量。DSKEETC-电子工程专辑

通过结合这两个传感器,我们可以利用这些能量让小装置或低功耗的可穿戴设备进行自供电。这样,我们就无需在一段时间后再为其充电了。该方案可与超级电容器相结合,实现全面超低功耗管理。DSKEETC-电子工程专辑

RF和热采集电路的集成框图如图1所示。图1:解决方案框图DSKEETC-电子工程专辑

本项目所使用组件如下。DSKEETC-电子工程专辑

– 1 x TG.22.0222 (RF 天线 850MHZ/900MHZ WHIP RA)DSKEETC-电子工程专辑

– 1 x TG12-2.5-01LS (TEM 发电机 30X30X3.94MM)DSKEETC-电子工程专辑

– 1x BQ25570 ICDSKEETC-电子工程专辑

– 1 x P2110 ICDSKEETC-电子工程专辑

该解决方案的电路如图2所示DSKEETC-电子工程专辑

图2:该解决方案的电路图DSKEETC-电子工程专辑

当热电发电机的板间温度差足以在其端子上产生电压时,该过程即开始。BQ25570会提取电能。根据温度差,提取范围从微瓦到毫瓦不等。随后,集成的升压转换器会以93%的效率将电压提高到3.3V。DSKEETC-电子工程专辑

此外,P2110 RF能量采集器会将RF能量转换为电能。此RF能量将通过天线输入,然后通过其集成的阻抗匹配电路转换为直流电源。当设备使用的电流小于采集器电路产生的电流时,会在输出端添加一个电容器来存储能量。然后两种能源会结合在一起,以便可以同时运行。即使其中一个采集源很弱,另一个采集源仍会继续供电,并且系统会继续运行。DSKEETC-电子工程专辑

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硬件设计重要细节

为了采集能量,有两种选择:要么使用电容器来存储输入的能量,要么使用电池来存储电量。我们在该解决方案中使用了电容器。DSKEETC-电子工程专辑

以下为选择电容器的一些准则:DSKEETC-电子工程专辑

1 –选择低ESR(小于200mΩ)的电容器。DSKEETC-电子工程专辑

2 – 1.2V时漏电流必须小于1μA。DSKEETC-电子工程专辑

3 –大型电容器充电缓慢,但可以存储大量电流;小型电容器充电非常快,并增加了启动时间。根据应用,可以使用以下公式更改电容器的值:DSKEETC-电子工程专辑

C = 15*Vout *Iout *TonDSKEETC-电子工程专辑

其中:DSKEETC-电子工程专辑

Vout = P2110的输出电压DSKEETC-电子工程专辑

Ton = IC 接通时间DSKEETC-电子工程专辑

Iout = P2110的平均输出电流DSKEETC-电子工程专辑

IC的RF输入引脚可容纳任何标准天线。该解决方案中使用了50欧姆的天线,也是大多数用于阻抗匹配的RF器件通用的天线。P2110可以连接多种类型的天线。直流电短的天线必须具有与天线串联的直流电源阻断电容器。DSKEETC-电子工程专辑

由于RF非常容易受到噪声和EMI干扰的影响,在设计PCB时需要格外小心。最重要的是跟踪天线的阻抗匹配。由于该天线是我们电源的来源,因此阻抗匹配得越多,该采集器电路从RF端采集的效率就越高。RF跟踪必须严格确定为50欧姆,并且长度必须尽可能短。DSKEETC-电子工程专辑

应使用通孔将GND引脚连接到电路板接地。所有电阻和电容必须尽可能地靠近IC。DSKEETC-电子工程专辑

RF采集器和热采集器IC都使用具有高峰值电流和高开关频率的开关电源。在PCB布局中需要格外小心,否则系统可能会出现EMI和稳定性问题。DSKEETC-电子工程专辑

高电流的走线应是有短而宽的PCB走线。从地面返回的路径应尽可能短。旁路电容器和存储电容器应与IC的焊盘尽可能近。尽量不要在电容器的路径中使用任何通孔。这些电容器为系统在极端负载条件下提供了很大的稳定性。DSKEETC-电子工程专辑

为存储从热采集器采集的能量,我们将添加一个电容器。采集器不再采集能量时,此电容器足够向设备提供电源。DSKEETC-电子工程专辑

两个采集器的输出功率会合并在一起。这样可以提高总输出功率,最大限度地利用两种外界能量。任何情况下,如果热能不足,设备则会从RF采集器获得能量;如果RF功率较弱,热能则会持续提供能量。在其它情况下,如果这两种电源都不可用,则两个采集器的存储电容将使系统保持打开状态,但时间有限。热采集器可以用于那些产生热量、偶尔使用散热器散热的系统。采用了这种热采集解决方案后,便不需要使用散热器,并且热量会转换回系统,最终提高效率并减少设备功耗。DSKEETC-电子工程专辑

能效越来越高的设备问世,可为充分利用能量采集的新型解决方案铺平道路。DSKEETC-电子工程专辑

(参考原文: Thermal and RF Energy Harvesting Circuit For Ultra-Low Power Applications )DSKEETC-电子工程专辑

责编:Amy GuanDSKEETC-电子工程专辑

本文为《电子工程专辑》2020年4月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅 DSKEETC-电子工程专辑

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