射频能量收集的无线电源IC解决方案

由于无线通信的普及，环境射频能量的可用性为许多低功耗设计提供了越来越有吸引力的电源。射频能量收集为许多应用提供了显着的优势，但它需要仔细关注关键部件，包括接收线圈和这种方法所需的功率调节电路。对于工程师而言，得益于各种制造商提供的可用元件和IC，包括Intersil，Linear Technology，ROHM Semiconductor，STMicroelectronics，Texas Instruments和Vishay Dale等，高效的RF能量采集设计变得更加简单。

射频能源比比皆是，并有望扩大，因为消费者和工业市场削减了电力线，并且更加依赖无线技术来实现从短距离到长距离的各种通信。除了无处不在的Wi-Fi信号源外，工程师还可以找到射频能源，包括蓝牙和ZigBee等短距离技术，以及蜂窝服务背后的各种远程技术。

随着可用性的增长，RF能量收集为系统设计本身带来了多重好处。除了减少布线和布线要求外，由环境射频能量驱动的设计可以完全密封并防止受到环境条件和危险材料的影响。减少维护要求不仅提供了自身的优点，而且还允许工程师将系统放置在难以到达的位置或者遭受其他环境能源（例如光，温度或振动）的可用性降低的位置。对于网状网络，例如物联网（IoT）中设想的网状网络，工程师可以将RF能量采集与复杂的设备到设备通信结合起来，使用每个设备对RF源进行环境反向散射调制。

收获能源至少需要几个基本组件，包括能源传感器，整流器，存储和输出稳压器（图1）。对于RF能量收集，接收线圈用作能量源，响应于与RF发射器的电磁耦合而产生电压。与一般的能量收集一样，RF能量收集的挑战在于在给定的环境能量水平下使传感器（这里是接收线圈）的输出最大化。

图1：能量采集器电路通常对由传感器收集的环境能量的电压输出进行整流。大多数应用需要一种方法来存储产生的能量并调节输出到负载的电压输出（由Linear Technology提供）。

通过RF能量收集，工程师在确保最大能量输出方面面临着独特的挑战。从根本上讲，工程师必须应对微弱的环境射频源。尽管RF能量的形式渗透到大多数封闭区域，但它们的水平通常低于工程师预期的替代环境源（图2）。

图2：虽然越来越普遍，但Wi-Fi和蜂窝GSM等环境射频源通常比其他来源的效率更高，但通常会导致收集功率降低（德州仪器公司提供）。

射频发射器通信通常受限于它们可以辐射的功率量。此外，对于给定的无线电源，接收天线的功率随着距离的变化而下降，如Friis传输方程所预测的那样：

在此环境中接收天线的设计在最大化能量收集效率方面起着关键作用。虽然接收天线可以蚀刻到印刷电路板上，但工程师可以找到专门为此任务设计的可用接收线圈组件。与同类产品中的许多此类设备一样，Vishay Dale 48 mm x 32 mm IWAS-3827EC-50接收线圈（图3）具有低直流电阻（200mΩ）和电感（9.7μH）。这些接收线圈针对无线电源应用进行了优化，通常具有高磁导率屏蔽，可用于阻止来自其他电路元件的充电通量。

图3：接收线圈，如Vishay Dale IWAS-3827EC-50，针对无线电源应用进行了优化，并采用屏蔽功能来保护相邻的电子设备（由Vishay Dale提供）。

产生最大电压通过线圈，工程师通常会并联一个电容器，以形成一个调谐到最高功率RF信号频率的谐振电路。经过适当调整并与负载匹配，该谐振电路的输出将代表最佳射频源的最佳可能输出。

使用射频能量为应用电路供电通常需要一个功率级来驱动负载或者为诸如超级电容器或薄膜电池的能量存储装置充电。过去，希望实施RF能量收集的工程师需要设计一个定制功率级，其中至少包括一个整流器，如ROHM Semiconductor FMN1或ROHM FMP1等等。此外，功率级通常需要在负载使用之前使用DC/DC升压转换器（例如Intersil ISL9111或Linear Technology LTC3429）来提升整流电压输出，或者为存储设备充电。

在输入端，M24LR16E-R提供两个引脚用于接收RF输入线圈。除了支持输出端的NFC/RFID应用功能外，该器件还提供专用的Vout模拟引脚。当以编程方式设置为能量收集模式时，设备使用Vout输出设备从RF场捕获的多余能量。上电Vout仅限于确保M24LR16E-R具有足够的内部功率，但这种剩余功率足以驱动各种低功率应用电路。工程师可以使用ST的ROBOT-M24LR16E-A评估板探索器件的能量收集模式，该评估板包括蚀刻感应天线，M24LR16E-R IC，PC连接器和相关组件。

对无线电源的兴趣增加无线充电应用也推动了IC的出现，能够满足更普通的RF能量收集的需求。德州仪器（TI）BQ51221旨在支持无线电源协议，但具有更通用的RF能量收集设计所需的全功率调节路径（图4）。该IC集成效率为79％，集成了效率为96％的同步整流器和效率为97％的稳压器。

图4：德克萨斯州仪器BQ51221无线电源接收器提供更通用的RF能量收集应用所需的电源调节功能（德州仪器公司提供）。

结论

移动系统和无线技术快速增长智能传感器继续推动所有形式的无线通信的爆炸性增长，从而导致环境射频能量的近乎普遍的可用性。对于工程师而言，射频能量收集为提供低功耗设计提供了越来越有利的选择，例如无线传感器和为物联网构建的其他设备。使用可用组件，工程师可以轻松构建能够收集RF能量的电路;但无线电源IC的日益普及为任何低功耗设计中的射频能量收集提供了现成的解决方案。