谢丫丫

如何从无线射频中进行能量收集?

0
阅读(60) 评论(0)

从太阳能和运动中获取能量并不是为系统供电的不常见方法。但是从RF中获取能量呢?以下是RF-DC技术的概述,以及Powercast专为此类电源转换而设计的独特套件。

关于无线能量转移技术

随着加速电荷沿导体移动,它们改变了周围空间的电磁场。电磁场的变化以光速向外传播。

电磁场不是恒定的; 当它从辐射元件扩散时,其强度降低。在天线附近,可以通过磁场传输大量能量。近场无线传输设备利用这一点并且可以在厘米距离上传输功率瓦特。远离天线,可以通过电场传输较少量的能量。Powercast使用远场提供距离最远25米(80英尺)的电力。

 

在该轮廓图动画中,近场被可视化,其中轮廓在天线元件附近“搭扣”在一起

 

选择使用哪种无线能量传输机制取决于您的应用和预期的电流消耗。有几种无线充电标准竞争优势  (Qi,PMA / AirFuel Alliance,WPC等),每种都有各种充电方法和最大充电距离。

从我们的手机到我们的Wi-Fi接入点,再到我们的微波炉,一切都会在我们周围的电磁场中产生可测量的干扰。这些干扰产生了具有随时间和/或距离变化的势能的空间区域。在存在潜在差异的地方,一个有进取心的工程师总能找到一种方法来做一些有用的工作。

可以使用这些电磁场的一种方式是能量收集。特别是,这可以通过RF-DC转换器实现 - 从环境中已经存在的无线电波中获取能量。

 

从RF中获取能量

RF是能量收集的丰富来源,尽管它确实需要接近发射天线。

从RF获取能量的概念并不新鲜,而且过程相对简单。无线电波到达天线并导致其长度上的电位差变化。该电位差使得电荷载流子沿着天线的长度移动以试图使场均衡,并且RF-DC集成电路能够从这些电荷载流子的移动中捕获能量。能量暂时存储在电容器中,然后用于在负载处产生所需的电位差。

 

 

可以创建一个电路,通过现成的组件为子系统执行RF到DC转换。利用天线,无线充电线圈,PMIC(电源管理IC),功率接收器芯片,激励器发射器等的各种组合可以产生能够从RF获取能量的系统。专门用于RF到DC转换的专用集成电路(IC)目前有点罕见,Powercast和E-Peas提供了目前唯一的商业解决方案。

 

调查Powercast射频能量收集硬件

可广泛使用的唯一RF-DC转换器之一来自  Powercast。该公司已经创建了一系列无线射频能量收集模块,可在远场运行,为充电设备或功率传感器提供mW的连续功率。 

根据Powercast的说法,他们的射频到直流技术尤其适用于可以运行数周或数月的3V电池(例如,游戏控制器,电视遥控器,环境传感器,耳机,无线安全摄像头)的设备。

 

专用变送器在环境中提供最大量的可预测能量。其他能源包括永远在线的Wi-Fi和蜂窝天线,最后是间歇性的广播公司。图片由Powercast的传感器博览会演示提供。

 

我最近借用了Powercast P2110评估套件,由Powercast提供,可以亲自探索RF-to-DC硬件。(注意:涉及Powercast没有交换资金。) 

P2110评估套件包含一个900 MHz发送器,一个2.4GHz接入点,两个无线传感器模块和两个基于P2110模块的P2110评估板。  

 

射频采集天线

设计用于感兴趣频率的天线连接到RF能量收集芯片,RF芯片又馈送存储电荷的电容器。

 

Powercast的贴片天线(900 MHz)包含在P2110评估套件中。

 

Powercast的偶极天线(900 MHz)包含在P2110评估套件中。

 

P2110评估板

评估板有12个测试点,允许评估模块的工程师连接示波器探头。可以添加额外的超级电容器(通孔或表面贴装)或连接电池引线。还有一个2.54毫米的小面包面板区域。评估板的目的是进行探测和测试,因此这个板实际上让我这样做很方便。

 

P2110评估板。来自Powercast的图片

 

在上图(SMA连接器附近)的左上侧是P2110模块,如下面更详细地显示。

 

P2110 Powerharvester 模块。

 

P2110模块围绕PCC110 RF-DC转换器和PCC210升压转换器构建。

 

P2110 Powerharvester模块的框图

 

RF能量被馈送到器件,在那里它到达RF-DC转换器IC(PCC110)。在那里,能量可以存储在连接到Vcap的电容器中或馈送到升压转换器(PCC210)。升压转换器默认为3.3V输出,但可以通过向Vset添加电阻来调整。INT引脚指示升压转换器正在运行,并且可以使用复位引脚来禁用转换器。DSET引脚可用于断开升压转换器与RF-DC模块的连接,以便从Dout引脚进行直接电能测量。

P2110评估板为WSN-EVAL-01无线传感器板提供电源,该传感器板具有湿度,温度和光传感器。可通过靠近电路板边缘的接线盒连接另一个传感器。

传感器板由Microchip的PIC24F16KA102控制。值得注意的是,该评估套件附带Microchip Pickit 3在线调试器和该传感器节点的完整源代码。

 

Powercast的WSN-EVAL-01

 

PIC24F16KA102大部分时间都处于睡眠模式,它消耗几十纳安的电流。当INT引脚通知微控制器3.3 V可用时,微控制器唤醒,读取传感器值,并通过板载无线模块将数据传输到远端接入点。然后它会一直睡到下一次传输。传输间隔由存储在板载电容器中的能量或源代码中的语句控制。

 

为什么这么多的电路板空间专用于电容器?

这些能量收集模块设计用作电池更换设备。每个工程师都需要计算功率预算并决定在电路中构建多少存储容量。电容过大会导致电路尺寸过大,费用过高,导通时间过长。在电路完成其设计任务之前,太小的电容和电源电压可能会降至必要的操作水平以下。我将引导您完成后续实验中的内容。

评估板包含一个1 mF(C3)和一个50 mF(C5)电容器,以及足够的空间来添加额外的电容器进行测试。让我们看看使用两个不同电容器的电压随时间的变化。第一个实验是在电路板上连接50 mF电容。这是通过将JP1设置到位置C5来实现的。你会注意到这些痕迹非常模糊,我稍后会解释。

 

使用50 mF电容时测量Vout。使用Tektronix MDO3104混合域示波器捕获的图像。

 

接下来,我将50 mF电容断开,并通过将跳线移至C3来连接1 mF电容。您将看到电压仅上升到2.5 V左右,并立即开始回落到原始水平。电压不够高,足够长,以允许微控制器读取传感器值并传输它们。

 

连接1 mF电容时测量Vout。

 

那么电路里发生了什么?我们可以通过监视电容器电压同时查看输出电压来了解更多信息。首先,让我们谈谈痕迹的模糊性。

如果我们放大,我们会看到一个结构良好的正弦波。它恰好是Powercast变送器的传输频率。电路或示波器探头中的任何东西都像天线一样起作用并拾取无线电能量,将915 MHz载波叠加在我测量的所有物体上。

 

915 MHz传输在所有测量信号上显示为伪像。

 

接下来,让我们看一下在与上面显示的输出电压波形相对应的周期内电容器电压的作用。我们首先看一下50 mF电容的情况。

 

Vout在通道1(黄色)上测量,Vcap在通道2上测量(青色)

 

您会注意到,当Vout处于3.3V时,电容器电压稳定下降,但整体下降不超过0.2 V.这是预期的,只要电容器电压高于关断电压,这不是问题升压转换器。

接下来,让我们考虑使用1 mF电容的情况。

 

Vout在通道1(黄色)上测量,Vcap在通道2上测量(青色)

 

你会注意到,随着Vout突然上升,Vcap显着下降,紧接着是Vout衰退。电容器上的大约0.5 V突然下降太大,升压转换器关闭。慢慢地,电容器电压将上升,升压转换器将打开,并且它将在无休止的故障循环中再次发生。像这样的突然下降永远不会好,并且电压立即增加后让我相信我正在使用的1 mF电容具有太高的ESR(等效串联电阻)。  

应该可以用一个或多个具有低ESR的去耦电容来增加1 mF电容,以平滑掉落。升压调节器的压差将决定是否需要显着增加电容。

我想像这样的情况是Powercast在评估板上包含如此多的电容器安装选项和测试点的原因 - 他们希望设计人员能够快速,轻松地确定他们为其应用选择的电容器是否能满足他们的要求。设计。

 

发射机的广播频谱

Powercast发射机工作在902-928 MHz ISM(工业,科学和医疗)频段,还有一些无线电定位和业余无线电业务。

 

在美国,FCC(联邦通信委员会)负责确定用于何种目的的频率

 

Powercast发射器位于该频段的中间。下图显示了测试环境的频谱范围为0 MHz至3 GHz。在916 MHz处显示清晰的峰值,以及与广播信道和2.4 GHz ISM频段(Wi-Fi,蓝牙,微波炉等)相对应的两个较小峰值。

 

Powercast变送器运行时,3 GHz频谱和瀑布图以1.5 GHz为中心。使用Tektronix MDO3104混合域示波器记录的数据

 

缩小跨度会更详细地显示传输。请记住,所讨论的ISM频段跨越916 MHz±15 MHz。下图显示了ISM频段的整个范围。

 

Powercast变送器运行时,30 MHz频谱和瀑布图以915 MHz为中心。使用Tektronix MDO3104混合域示波器记录的数据

 

您可以从上图中看出,Powercast发射器能够将其传输保持在频段的足够小部分内,以便在其他频率上仍有足够的空间进行数据传输。传输以915 MHz为中心,在中心频率的3 MHz范围内下降~50 dB。

 

结论

射频能量采集IC已经存在了相当长的一段时间。由于未来的IC继续具有越来越低的功率要求,否则可能会利用环境中的浪费能源为您的下一个设计提供无电池应用。你可能知道如何从光线甚至运动中获取能量 - 为什么不在你的技巧包中添加射频能量呢?