射頻感應(yīng)充電評估套件用于傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)

自從特斯拉在1901年試圖在大西洋上傳輸電力以來，無線電力傳輸已經(jīng)走過了漫長的道路。今天你可以把你的手機(jī)扔到‘充電墊’上并無線充電。特斯拉會感到失望的是，這只能在幾厘米而不是幾千英里的范圍內(nèi)工作。但是，與他的權(quán)力塔不同，它起作用，而且效果很好。

乍一看，感應(yīng)充電似乎是消除電線的浪費(fèi)方式。但是，通過電感耦合諧振系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)超過90％的效率，感應(yīng)充電已經(jīng)在商業(yè)，工業(yè)甚至汽車應(yīng)用中得到廣泛接受。 Cymbet的CBC-EVAL-11射頻感應(yīng)充電評估套件（見圖1）演示了如何輕松地將這種能源用于RFID，傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。本文將介紹該套件并評估其操作。

圖1：EnerChip CC射頻感應(yīng)充電評估套件。

Cymbet套件包括一個(gè)工作頻率為13.56 MHz的感應(yīng)式無線發(fā)射器板和一個(gè)為薄膜蓄電池充電的感應(yīng)式無線接收器模塊。兩塊板都包括大型印刷平面電感器以及形成諧振回路電路的可變電容器。發(fā)射器板由USB供電，而接收器板包含EnerChip?CBC3150 3.3 V/50μA薄膜電池，集成電源管理。

Cymbet的充電系統(tǒng)依賴于RF場的磁性成分來耦合能量，因此耦合任何大量功率必然是近場現(xiàn)象。 Cymbet的系統(tǒng)不是將兩個(gè)線圈緊密耦合在鐵或鐵氧體磁芯上，而是將兩個(gè)線圈分開，這兩個(gè)線圈是并聯(lián)調(diào)諧電路的一部分。能量傳遞的效率高度依賴于線圈的設(shè)計(jì)，并且也與它們之間的距離的平方成反比。由于這些變量在實(shí)踐中難以量化，因此Cymbet沒有說明能量轉(zhuǎn)移的效率因素，盡管像這樣的緊耦合調(diào)諧槽電路在短距離內(nèi)非常有效。

Cymbet的發(fā)射器板非常簡單，但它的接收器非常有趣（見圖2）。儲能電路的輸出饋入全波整流器，其輸出通過德州儀器（TI）的TPS780330220 LDO穩(wěn)壓器，成為CBC3150的VIN。當(dāng)VIN大于3.0 V時(shí)，CBC3150將采集的功率直接路由至能量收集連接器J3（引腳5）。此時(shí)，CBC3150的RESET線（引腳8）變?yōu)楦唠娖?接收器的LED亮;并且能量收集連接器上的CHARGE指示燈變低。 CBC3150中的EnerChip薄膜電池現(xiàn)在開始充電;只要VIN保持在3.0 V以上，它就可以在30分鐘內(nèi)從完全耗盡狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆潆姷?0％.CBC3150（VOUT）的輸出通過1，000μF電容濾波，以便能夠處理高脈沖例如，連接的無線設(shè)備可以發(fā)送數(shù)據(jù)突發(fā)的電流。

圖2：CBC-EVAL-11接收板的示意圖（圖片提供） Cymbet的）。

一旦接收器板從發(fā)射器的磁場中移除，VIN立即降至3.0 V以下; RESET線變低; LED熄滅;充電指示燈變?yōu)楦唠娖?并且CBC3150接管為連接到J3的任何設(shè)備供電。請注意，雖然CBC3150負(fù)責(zé)為其內(nèi)部電池充電，但在輸出端，安森美半導(dǎo)體MAX810TTRG復(fù)位監(jiān)視器可防止快速瞬態(tài)毛刺。

CBC3150（見圖3）包含EnerChip薄膜電池（VBAT，引腳1）以及電荷泵和充電控制電路（VCHG，引腳4）。當(dāng)電壓降至低于J3負(fù)載所需的電平時(shí)，VIN的電壓將施加于電荷泵。

圖3：EnerChip CC CBC3150內(nèi)部框圖（由Cymbet提供）。

在這種情況下，VMODE與地面相連。低電平時(shí)，ENABLE引腳關(guān)閉電荷泵。 VOUT由VIN或EnerChip電池供電。 RESET是一種數(shù)字輸出（而不是輸入），當(dāng)VOUT由VIN供電時(shí)變?yōu)楦唠娖?，而在電池供電時(shí)為低電平。

J3和J4都使連接的設(shè)備能夠?qū)ζ淠芰渴占?a target="_blank">電源進(jìn)行一定程度的控制。當(dāng)BATOFF線路變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，CBC3150上的ENABLE引腳變?yōu)榈碗娖?，?dāng)電池充滿電時(shí)，禁用EnerChip電池的充電電路。這延長了電池的壽命，因?yàn)樗淖苑烹娐史浅５?。沒有必要在不使用時(shí)保持充值。

前面提到的CHARGE線路也連接到兩個(gè)插孔，并向連接的設(shè)備指示RESET線路的狀態(tài)。在德州儀器（TI）EZ430-2500T目標(biāo)板上 - 可以插入J3的無線設(shè)備之一 - 引腳1和6是通用數(shù)字I/O引腳，分別在UART模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，或者可以充當(dāng)從設(shè)備中的從設(shè)備。在SPI模式下/主機(jī)輸出（引腳1）或從機(jī)輸出/主機(jī)輸入（引腳6）。

薄膜電池在能量收集應(yīng)用方面具有許多優(yōu)勢，但它們也有一些局限性。 CBC3150中的EnerChip電池每年的自放電率僅為1.5％，并且可以在不到20分鐘內(nèi)從10％的充電狀態(tài)充電5000次以上;如果有足夠的環(huán)境能源，EnerChip電池理論上可以在超低功耗設(shè)計(jì)中無限期使用。最后，EnerChip薄膜電池具有相對平坦的放電曲線，類似于紐扣電池，減少了電池供電的MCU控制設(shè)備中對外部電荷泵的需求。

另一方面，CBC3150包含一個(gè)非常小的電池，因此10到30 mA范圍內(nèi)的無線傳感器脈沖電流可能會出現(xiàn)問題。如果這些脈沖很短 - 在5到50毫秒范圍內(nèi) - 如果允許一分鐘左右再充電，則1000μF電容可以處理浪涌;但是，長時(shí)間的高放電率會損壞電池。如果您打算以感應(yīng)方式充電并考慮如何以及經(jīng)常影響該充電，您需要查看總體功率預(yù)算。

使用Cymbet套件，在接收器板上為CBC3150充電和充電非常簡單（見圖4）。我插入發(fā)射器板并將接收器板放在其充電區(qū)域的頂部 - 通過印刷在電路板底部的大型平面天線。當(dāng)兩塊板相距約8毫米時(shí)，接收板上的LED開始閃爍。此時(shí)，TP1上的電壓（見圖2）測量為3.0 V.當(dāng)接收器板直接位于發(fā)射器板頂部時(shí)，LED保持接通且電壓接通，TP1測量約為4.5 V，盡管這略有不同，具體取決于我放置了接收器板。有趣的是，當(dāng)接收器板長達(dá)12厘米時(shí)，TP1上的電壓開始增加，但不足以啟動充電。

圖4：對CBC3150進(jìn)行感應(yīng)充電。

看了供應(yīng)方面，我很好奇電路板能夠處理負(fù)載。 Cymbet規(guī)定CBC3150在50μAh時(shí)具有相對恒定的輸出電壓，直到它從懸崖上掉下來（見圖5）。為了檢查這一點(diǎn)，我使用圖6所示的復(fù)雜測試設(shè)置在VOUT和地之間（J4的引腳5和6）之間連接了一個(gè)可變電阻，以連接電流表和DVM。我調(diào)整了50μA的負(fù)載并開始了我的業(yè)務(wù)。 CBC3150在完全出院前確實(shí)保持了將近一個(gè)小時(shí)。

圖5：CBC3150放電曲線（由Cymbet提供）。

再次將電路板充電20分鐘，我慢慢增加負(fù)載，直到保護(hù)電路切斷。據(jù)報(bào)道，當(dāng)電流脈沖足夠短以至于大輸出電容可以處理它時(shí)，電壓沒有自動恢復(fù) - 例如，ZigBee發(fā)射突發(fā)。然而，當(dāng)將發(fā)射器板移回接收器下方時(shí)，一旦LED亮起 - 表明RESET線路已經(jīng)變高 - VOUT再次向上射擊，表明電池仍然有足夠的壽命。

圖6：測量CBC3150在負(fù)載下的性能。

結(jié)論

Cymbet CBC3150集成了EnerChip薄膜電池，為無線傳感器節(jié)點(diǎn)等超低功耗應(yīng)用提供了非常強(qiáng)大的電源。實(shí)際上，圖2所示的電路與其他能量清除源的工作方式相同，可以實(shí)現(xiàn)不依賴于一個(gè)環(huán)境電源的設(shè)計(jì)。如果您的目標(biāo)應(yīng)用是可以利用RF感應(yīng)充電的應(yīng)用，Cymbet的方法值得認(rèn)真考慮。