一種射頻有源標簽充電器的設計與實現

2012-08-07 07:53:04石封茶

電子測試 2012年10期

關鍵詞：電能

石封茶，余劍，楊廣

（電子工程學院，合肥 230037）

0 引言

射頻識別(RFID：Radio Frequency Identification)技術是從20世紀90年代興起的一種自動識別技術，其通過無線射頻的方式進行非接觸雙向數據通信從而對目標進行識別。目前廣泛地應用于商品防偽、身份識別、倉儲管理、醫療衛生和國防軍事等諸多領域[1-2]。它的核心部件包括讀寫器和射頻標簽(tag)，標簽是RFID系統真正的數據載體，用來存儲需要識別和傳輸的信息。RFID系統按射頻標簽供電方式不同可分為無源系統和有源系統，其中無源系統的標簽內無電池，需要從讀寫器的射頻場獲得能量，而有源系統的標簽不需要從射頻場獲得能量，內部帶有電池能主動發送信號與讀寫器通信[3-4]。

由于某些特殊應用場合限制，有源標簽需要實現具有防水、防塵等性能的全密閉封裝。傳統的充電方式是通過各種插口和連接電纜給標簽電池充電，但在標簽的實際使用過程中傳統的充電方式已不適用，而目前日趨成熟的無線充電技術提供了較好的解決方案。

無線充電是指不通過物理聯接就能傳送電能，實現為MP3、藍牙耳機、低功耗無線傳感器網絡以及病人體內的醫用植入設備等耗電量相對較小的電子設備充電。目前，實現無線充電主要通過3種方式，即電磁感應、無線電波，以及電磁共振作用。電磁感應要求終端產品中次級線圈和電路之間必須進行屏蔽，增加了設計復雜度；無線電波方式傳輸功率小、功效低，發射的功率大部分以無線電波形式損耗掉[5-6]。

本文基于電磁共振原理設計實現了一種用于射頻有源標簽充電的微距離無線充電器。該充電器能同時對40個標簽充電且充電效果較好，經過多次充電測試實驗，充電器性能穩定。

1 無線充電原理

首先，振蕩源將電源管理模塊輸出的直流電轉換成高頻交流電，然后經功率放大，最后通過沒有任何有線連接的原、副線圈之間的耦合實現電能的無線饋送；副線圈耦合的電能經能量轉換模塊后，輸送給充電電池，控制電路模塊實現充電過程控制[7]。其無線電能傳輸基本方案如圖1所示。

圖1 無線電能傳輸方案示意圖

2 系統實現

2.1 電能發送部分

電能發送的關鍵是要將振蕩器的輸出波形進行功率放大，再利用發射回路發射出去，振蕩器電路有多種，本設計采用多諧振蕩器作為振蕩源。電能發送電路原理圖如圖2所示。

圖2 電能發送原理圖

圖2中，無源晶振Y1、非門N1和N2、電阻R1構成非對稱式多諧振蕩器[8]。這里無源晶振Y1相當于電容，而且經過實際測量用無源晶振代替電容產生的矩形波更穩定。

非門N1、N2和N3采用由6個LOCMOS非門組成的芯片4069中的3個非門，4069工作電壓為3 V到15 V，非門傳播延時最大為20 ns，輸出轉換時間最大為120ns，滿足設計要求。電阻R1阻值為1 MΩ，晶振Y1標稱值為10 MHz，4069供電電壓為5 V。由下式[8]：

可得振蕩器輸出矩形波的頻率。

振蕩器輸出的幅度5 V、頻率80 kHz方波，經過非門N3緩沖，來激勵場效應管Q1工作，并使其工作在放大區實現功率放大。Q1采用 MOSFET管 IRF540NS,其漏源擊穿電壓最小為100 V，漏源導通電阻最大為44mΩ，漏極電流最大為33 A，滿足設計要求。Q1由便攜式直流穩壓電源(7.5 V/13 A)供電，供電電壓為7.5 V。電路設計中，電感L1和電容C1構成的諧振回路采用與振蕩器的輸出方波頻率一致的諧振頻率，電感L1使用定制的單層多匝的平面空心矩形線圈，其感值為30 μH，由下式：

可得C1容值為150 nF。在諧振狀態時，雖然激勵是方波，但是L1中電壓是同頻率的正弦波，從而能夠通過耦合把電能發送出去。

但是，實際應用中往往有源標簽數目較多，如果充電設備只能給一個標簽充電則充電時間效率較低，若給多個標簽充電則需配備多個充電設備，增加了成本。因為CMOS非門具有較好的帶負載能力，因此本設計實現了40路并行獨立的電能發送單元，非門N3輸出的方波通過4069的另外3個非門的再次緩沖輸出3路獨立的方波，其中兩路方波各帶3個4069，另一路方波帶2個4069，這樣就輸出了40路并行獨立的方波，從而激勵40路功放管工作，最后通過40路諧振回路把電能發送出去。其具體實現原理圖如圖3所示。

實際PCB板的設計過程中，為了濾除器件產生的高頻噪聲經供電回路反饋傳播，并防止電源攜帶的噪聲對電路造成干擾，電源與地之間需要去耦電容。本設計采用的電容主要是：100 μF/25 V鉭電容與0.1 μF/25 V瓷片電容并聯聯接在7.5 V電源線與地之間(鉭電容1到2個，瓷片電容4到5個)；每個4069芯片電源引腳與地之間接0.1 μF/25 V瓷片電容；7805輸入、輸出引腳與地間分別接100 μF/25 V鉭電容（電源管理芯片輸入電壓7.5 V、輸出電壓5 V）；IRF540NS漏源兩極間(源極接地)用到了10 μF/25 V和100 μF/25 V兩種鉭電容(濾除不同頻率的諧波)。設計實現的PCB圖如圖4所示。

在同時為40個標簽充電的過程中，整個電能發送板消耗的功率約為60W，隨著充電時間的延長，需要解決功放管IRF540NS的散熱問題。本設計選用了鋸齒狀的鋁散熱條固定在IRF540NS的背面絕緣層上，電能發送板實物如圖5所示。

圖4 電能發送板PCB圖

圖5 電能發送板實物圖

2.2 電能接收部分

電能發送部分的線圈是采用與電容并聯諧振的架構，為了使回路獲得高Q值，進而能夠通過耦合獲得更大的電壓，因此電能接收部分的線圈也采用與電容并聯諧振的形式即利用電磁共振的方式進行電能傳輸，而且接收回路和發送回路的諧振頻率一致，這樣容易調整匹配且傳輸效率高[9]。

耦合接收的交流電能需轉換成直流電才能供標簽內電池充電，整流電路是實現能量轉換的最重要部分，它是將接收諧振回路耦合過來的頻率為80 kHz的交流電壓變換為直流電壓。整流電路一般有半波、全波、和橋式3種基本類型電路[10]。從電路復雜度看，橋式電路最復雜，全波電路次之，半波電路最簡單。考慮到標簽微型化和成本兩方面因素，最終選擇了半波整流電路作為標簽能量轉換關鍵電路，其電路原理圖和實物圖分別如圖6、圖7所示。

圖6 電能接收部分電路原理圖

圖7 標簽實物圖

電路設計中，次級回路的電感、電容規格與初級回路的電感、電容規格一致。次級回路L2、C2通過電磁共振把能量耦合到接收端，耦合過來的交流電通過整流二極管D1半波整流將交流電壓變成單極性直流電壓，整流二極管選擇適用于高頻高速電路的肖特基勢壘二極管PMEG2010，其具有超低前向導通電壓(最大值0.43V)、前向電流大(最大值為1A)、反向耐壓大(最大值為20V)等特點，滿足設計要求。濾波電容C3容值為2.2 μF，其兩端輸出較穩定的直流。

3 系統測試

3.1 波形測量

電能發送板由便攜式直流穩壓電源7.5 V/13 A供電，供電電壓為7.5 V，波形測量主要是振蕩器輸出的激勵波形和負責電能發送的LC回路輸出波形。用示波器測量到的激勵波形和LC回路輸出波形分別如圖8、圖9所示。

圖8 激勵波形

圖9 LC回路輸出波形

由圖8、圖9可得，激勵波形是幅度5.0 V，周期12.5 μs的方波，LC回路輸出波形幅度15 V，是與激勵波形同頻率的正弦波。

3.2 充電實驗

充電過程中，為了防止漏磁導致的發射能量損耗，提高電能傳輸效率，接收和發射線圈的中心軸必須對準且2者的垂直、水平距離應盡可能小。電能發送板同時給40個標簽充電，電池容量為80 mAh，帶有保護電路防止過充和過放，電池工作電壓3.5 V到4.2 V，標簽置于密封的容器內，容器厚度約為3 mm(充電距離3 mm左右)。進行10次充電實驗，每次充電3 h左右，每次充電前對標簽電池進行放電，使其電壓低于電池保護電路的保護電壓3.2 V。其充電實驗如圖10所示。