一種射頻有源標(biāo)簽充電器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

石封茶，余 劍， 楊 廣

（電子工程學(xué)院， 合肥 230037）

0 引言

射頻識(shí)別(RFID：Radio Frequency Identification)技術(shù)是從20世紀(jì)90年代興起的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其通過(guò)無(wú)線射頻的方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信從而對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別。目前廣泛地應(yīng)用于商品防偽、身份識(shí)別、倉(cāng)儲(chǔ)管理、醫(yī)療衛(wèi)生和國(guó)防軍事等諸多領(lǐng)域[1-2]。它的核心部件包括讀寫(xiě)器和射頻標(biāo)簽(tag)，標(biāo)簽是RFID系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體，用來(lái)存儲(chǔ)需要識(shí)別和傳輸?shù)男畔ⅰFID系統(tǒng)按射頻標(biāo)簽供電方式不同可分為無(wú)源系統(tǒng)和有源系統(tǒng)，其中無(wú)源系統(tǒng)的標(biāo)簽內(nèi)無(wú)電池，需要從讀寫(xiě)器的射頻場(chǎng)獲得能量，而有源系統(tǒng)的標(biāo)簽不需要從射頻場(chǎng)獲得能量，內(nèi)部帶有電池能主動(dòng)發(fā)送信號(hào)與讀寫(xiě)器通信[3-4]。

由于某些特殊應(yīng)用場(chǎng)合限制，有源標(biāo)簽需要實(shí)現(xiàn)具有防水、防塵等性能的全密閉封裝。傳統(tǒng)的充電方式是通過(guò)各種插口和連接電纜給標(biāo)簽電池充電，但在標(biāo)簽的實(shí)際使用過(guò)程中傳統(tǒng)的充電方式已不適用，而目前日趨成熟的無(wú)線充電技術(shù)提供了較好的解決方案。

無(wú)線充電是指不通過(guò)物理聯(lián)接就能傳送電能，實(shí)現(xiàn)為MP3、藍(lán)牙耳機(jī)、低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及病人體內(nèi)的醫(yī)用植入設(shè)備等耗電量相對(duì)較小的電子設(shè)備充電。目前，實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電主要通過(guò)3種方式，即電磁感應(yīng)、無(wú)線電波，以及電磁共振作用。電磁感應(yīng)要求終端產(chǎn)品中次級(jí)線圈和電路之間必須進(jìn)行屏蔽，增加了設(shè)計(jì)復(fù)雜度；無(wú)線電波方式傳輸功率小、功效低，發(fā)射的功率大部分以無(wú)線電波形式損耗掉[5-6]。

本文基于電磁共振原理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種用于射頻有源標(biāo)簽充電的微距離無(wú)線充電器。該充電器能同時(shí)對(duì)40個(gè)標(biāo)簽充電且充電效果較好，經(jīng)過(guò)多次充電測(cè)試實(shí)驗(yàn)，充電器性能穩(wěn)定。

1 無(wú)線充電原理

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

圖1 無(wú)線電能傳輸方案示意圖

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 電能發(fā)送部分

電能發(fā)送的關(guān)鍵是要將振蕩器的輸出波形進(jìn)行功率放大，再利用發(fā)射回路發(fā)射出去，振蕩器電路有多種，本設(shè)計(jì)采用多諧振蕩器作為振蕩源。電能發(fā)送電路原理圖如圖2所示。

圖2 電能發(fā)送原理圖

圖2中，無(wú)源晶振Y1、非門N1和N2、電阻R1構(gòu)成非對(duì)稱式多諧振蕩器[8]。這里無(wú)源晶振Y1相當(dāng)于電容，而且經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量用無(wú)源晶振代替電容產(chǎn)生的矩形波更穩(wěn)定。

非門N1、N2和N3采用由6個(gè)LOCMOS非門組成的芯片4069中的3個(gè)非門，4069工作電壓為3 V到15 V，非門傳播延時(shí)最大為20 ns，輸出轉(zhuǎn)換時(shí)間最大為120ns，滿足設(shè)計(jì)要求。電阻R1阻值為1 MΩ，晶振Y1標(biāo)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(jīng)過(guò)非門N3緩沖，來(lái)激勵(lì)場(chǎng)效應(yīng)管Q1工作，并使其工作在放大區(qū)實(shí)現(xiàn)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(dǎo)通電阻最大為44mΩ，漏極電流最大為33 A，滿足設(shè)計(jì)要求。Q1由便攜式直流穩(wěn)壓電源(7.5 V/13 A)供電，供電電壓為7.5 V。電路設(shè)計(jì)中，電感L1和電容C1構(gòu)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(tài)時(shí)，雖然激勵(lì)是方波，但是L1中電壓是同頻率的正弦波，從而能夠通過(guò)耦合把電能發(fā)送出去。

但是，實(shí)際應(yīng)用中往往有源標(biāo)簽數(shù)目較多，如果充電設(shè)備只能給一個(gè)標(biāo)簽充電則充電時(shí)間效率較低，若給多個(gè)標(biāo)簽充電則需配備多個(gè)充電設(shè)備，增加了成本。因?yàn)镃MOS非門具有較好的帶負(fù)載能力，因此本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了40路并行獨(dú)立的電能發(fā)送單元，非門N3輸出的方波通過(guò)4069的另外3個(gè)非門的再次緩沖輸出3路獨(dú)立的方波，其中兩路方波各帶3個(gè)4069，另一路方波帶2個(gè)4069，這樣就輸出了40路并行獨(dú)立的方波，從而激勵(lì)40路功放管工作，最后通過(guò)40路諧振回路把電能發(fā)送出去。其具體實(shí)現(xiàn)原理圖如圖3所示。

實(shí)際PCB板的設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了濾除器件產(chǎn)生的高頻噪聲經(jīng)供電回路反饋傳播，并防止電源攜帶的噪聲對(duì)電路造成干擾，電源與地之間需要去耦電容。本設(shè)計(jì)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(lián)聯(lián)接在7.5 V電源線與地之間(鉭電容1到2個(gè)，瓷片電容4到5個(gè))；每個(gè)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(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的PCB圖如圖4所示。

在同時(shí)為40個(gè)標(biāo)簽充電的過(guò)程中，整個(gè)電能發(fā)送板消耗的功率約為60W，隨著充電時(shí)間的延長(zhǎng)，需要解決功放管IRF540NS的散熱問(wèn)題。本設(shè)計(jì)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(fā)送板實(shí)物如圖5所示。

圖4 電能發(fā)送板PCB圖

圖5 電能發(fā)送板實(shí)物圖

2.2 電能接收部分

電能發(fā)送部分的線圈是采用與電容并聯(lián)諧振的架構(gòu)，為了使回路獲得高Q值，進(jìn)而能夠通過(guò)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(lián)諧振的形式即利用電磁共振的方式進(jìn)行電能傳輸，而且接收回路和發(fā)送回路的諧振頻率一致，這樣容易調(diào)整匹配且傳輸效率高[9]。

耦合接收的交流電能需轉(zhuǎn)換成直流電才能供標(biāo)簽內(nèi)電池充電，整流電路是實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的最重要部分，它是將接收諧振回路耦合過(guò)來(lái)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(fù)雜度看，橋式電路最復(fù)雜，全波電路次之，半波電路最簡(jiǎn)單?？紤]到標(biāo)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(biāo)簽?zāi)芰哭D(zhuǎn)換關(guān)鍵電路，其電路原理圖和實(shí)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(biāo)簽實(shí)物圖

電路設(shè)計(jì)中，次級(jí)回路的電感、電容規(guī)格與初級(jí)回路的電感、電容規(guī)格一致。次級(jí)回路L2、C2通過(guò)電磁共振把能量耦合到接收端，耦合過(guò)來(lái)的交流電通過(guò)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(shì)壘二極管PMEG2010，其具有超低前向?qū)妷?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(diǎn)，滿足設(shè)計(jì)要求。濾波電容C3容值為2.2 μF，其兩端輸出較穩(wěn)定的直流。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 波形測(cè)量

電能發(fā)送板由便攜式直流穩(wěn)壓電源7.5 V/13 A供電，供電電壓為7.5 V，波形測(cè)量主要是振蕩器輸出的激勵(lì)波形和負(fù)責(zé)電能發(fā)送的LC回路輸出波形。用示波器測(cè)量到的激勵(lì)波形和LC回路輸出波形分別如圖8、圖9所示。

圖8 激勵(lì)波形

圖9 LC回路輸出波形

由圖8、圖9可得，激勵(lì)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(lì)波形同頻率的正弦波。

3.2 充電實(shí)驗(yàn)

充電過(guò)程中，為了防止漏磁導(dǎo)致的發(fā)射能量損耗，提高電能傳輸效率，接收和發(fā)射線圈的中心軸必須對(duì)準(zhǔn)且2者的垂直、水平距離應(yīng)盡可能小。電能發(fā)送板同時(shí)給40個(gè)標(biāo)簽充電 ，電池容量為80 mAh，帶有保護(hù)電路防止過(guò)充和過(guò)放，電池工作電壓3.5 V到4.2 V，標(biāo)簽置于密封的容器內(nèi)，容器厚度約為3 mm(充電距離3 mm左右)。進(jìn)行10次充電實(shí)驗(yàn)，每次充電3 h左右，每次充電前對(duì)標(biāo)簽電池進(jìn)行放電，使其電壓低于電池保護(hù)電路的保護(hù)電壓3.2 V。其充電實(shí)驗(yàn)如圖10所示。

圖10 充電實(shí)驗(yàn)圖

10次充電結(jié)束后，計(jì)算得平均電壓如表1所示。

表1 充電結(jié)束后電池電壓平均值

用萬(wàn)用表對(duì)其中同一個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行10次充電電流的跟蹤，可得平均充電電流與充電時(shí)間的關(guān)系如圖11所示。

圖11 充電電流隨時(shí)間變化曲線圖

由于電池有保護(hù)電路，隨著充電時(shí)間推移，充電電流變小，充電過(guò)程變得緩慢，但此時(shí)電池容量越接近標(biāo)稱容量，直至電池充滿電后充電過(guò)程才結(jié)束。

3.3 放電實(shí)驗(yàn)

對(duì)其中另一標(biāo)簽的電池進(jìn)行10次放電實(shí)驗(yàn)，10次充電結(jié)束后該標(biāo)簽電池電壓平均值約為3.90 V。每次放電在相同條件下進(jìn)行，用75 Ω電阻接在電池的兩端，并用萬(wàn)用表跟蹤放電電流，可得平均放電電流與放電時(shí)間的關(guān)系如圖12所示。

圖12 放電電流隨時(shí)間變化曲線圖

放電初期，放電電流曲線較平緩且電流較大，但隨著時(shí)間推移，電池電壓減小，電流下降較快。當(dāng)電壓下降到一定程度時(shí)，保護(hù)電路發(fā)揮作用，放電過(guò)程結(jié)束。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的無(wú)線充電器能同時(shí)對(duì)多個(gè)有源標(biāo)簽內(nèi)的小容量鋰聚合物電池充電，免去了連接充電線纜和插座的煩惱，同時(shí)獲得了較好的充電效果。對(duì)其它可供耗電量相對(duì)較小的袖珍型移動(dòng)設(shè)備充電的無(wú)線充電器設(shè)計(jì)具有一定的參考的價(jià)值。目前，該充電器已應(yīng)用于某微型移動(dòng)裝置的充電系統(tǒng)中。

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