前行中的射頻能量采集技術(shù)

能量采集是實(shí)現(xiàn)低功耗電子器件(如無線傳感器)長期免維護(hù)工作的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。通過捕獲環(huán)境中的多余能量(如照明、溫差、振動(dòng)和無線電波(射頻能量))，完全可以讓低功耗電子器件正常工作。在這些微功率能源中，來自射頻發(fā)射器的能量具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，包括隨距離變化可預(yù)測(cè)和一致的功率，從而允許能量采集器遠(yuǎn)離能源的束縛。

環(huán)境射頻能量如今可以從全球數(shù)十億個(gè)無線發(fā)射器獲得，包括移動(dòng)電話、手持無線電設(shè)備、移動(dòng)基站以及電視/無線廣播臺(tái)等。捕獲這類能量的能力有助于創(chuàng)建新的無電池設(shè)備，并允許電池供電設(shè)備通過無線方式實(shí)現(xiàn)點(diǎn)滴式充電。除了環(huán)境射頻能量外，還有一種方式是使用專門的發(fā)射器發(fā)送功率，這能使無線電源系統(tǒng)提供更高的性能。在許多應(yīng)用中這是首選的解決方案，但成本比較高。政府法規(guī)一般將使用免許可頻帶的無線電設(shè)備輸出功率限制為4W有效全向輻射功率(EIRP)，就像射頻標(biāo)簽(RFID)詢問器那樣。作為對(duì)比，基于模擬技術(shù)的早期移動(dòng)電話的最大發(fā)射功率為3.6W，而Powercast公司的新款TX91501發(fā)射器功率為3W。

環(huán)境射頻(RF)能量采集有個(gè)明顯吸引人的地方，即收集的是完全“免費(fèi)的”能量。雖然具有這種能力的設(shè)備在充電時(shí)可以移動(dòng)，但許多射頻能量采集方案要求使用指向已知能源(如移動(dòng)基站)的定向天線。在移動(dòng)電話領(lǐng)域的應(yīng)用前景是能夠收集足夠多的環(huán)境射頻能量來與移動(dòng)手機(jī)的待機(jī)功耗相匹配。如果可能的話，那么移動(dòng)電話將具有連續(xù)的待機(jī)能力，而不僅僅是幾天時(shí)間。雖然這種特殊應(yīng)用目前還不實(shí)用，但許多系統(tǒng)級(jí)要素的匯集正在推動(dòng)適合其它應(yīng)用的環(huán)境射頻能量采集方案。這些要素包括低功耗元件不斷普及、有更多的發(fā)射器作為能源、無源射頻采集器的射頻靈敏度提升以及低等效串聯(lián)電阻(ESR)雙層電容(也稱為超級(jí)電容)的推廣。

諸如微控制器等低功耗電子元件的制造商正在不遺余力地降低元件功耗，同時(shí)提高性能。來自這些公司的數(shù)據(jù)手冊(cè)和其它行銷廣告都在有意宣傳幾個(gè)納安級(jí)的待機(jī)電流，以及能夠從電壓不到1V的電池進(jìn)行升壓的片上DC/DC轉(zhuǎn)換器。其它元件(如傳感器等)被越來越多地設(shè)計(jì)成有助于降低總體系統(tǒng)功耗的無源器件。這對(duì)無電池設(shè)備來說尤其重要。通過充分的實(shí)時(shí)能量采集，無電池設(shè)備可以連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，但如果能量太低，就必須先儲(chǔ)存起來，直到足夠維持一次工作周期。隨著元件功率水平的降低，由能量采集技術(shù)供電的系統(tǒng)可以工作得更加頻繁。

無線電發(fā)射器的數(shù)量，特別是用于移動(dòng)基站和手機(jī)的發(fā)射器數(shù)量正在不斷增加。據(jù)ABI Research公司和iSupply公司估計(jì)，移動(dòng)手機(jī)用戶數(shù)量近期已經(jīng)超過50億，ITU估計(jì)其中有10億多是移動(dòng)寬帶用戶。此外還有眾多的Wi-Fi路由器以及諸如筆記本電腦等無線終端設(shè)備。在一些城市環(huán)境中，有可能檢測(cè)到數(shù)百個(gè)Wi-Fi接入點(diǎn)。在短距離范圍內(nèi)，比如同一房間內(nèi)，可以從發(fā)射功率為50mW至100mW的典型Wi-Fi路由器中收集到微小的能量。在更長距離的情況下，需要使用具有更高增益的更長天線才能真正收集到來自移動(dòng)基站和無線廣播塔的射頻能量。2005年，Powercast公司在距一個(gè)小型5kW AM廣播電臺(tái)1.5英里(大約2.4公里)的地方成功演示了環(huán)境能量采集的實(shí)現(xiàn)。

無源射頻接收器或射頻能量采集器件(如Powercast公司的P2110 Powerharvester接收器)工作時(shí)的射頻輸入電平要大于等于-11dBm。提高射頻靈敏度允許在距射頻能量源更遠(yuǎn)的距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)射頻至直流(RF/DC)電源轉(zhuǎn)換，但隨著距離的增加，可用功率將降低，充電時(shí)間將延長。低漏電流的能量存儲(chǔ)技術(shù)非常重要，特別是在輸入功率非常低時(shí)，這樣才能最大限度地減小采集到能量的損失，使能量采集過程盡可能高效。

射頻能量采集器的一個(gè)重要性能是在寬范圍的條件下正常工作的能力，包括輸入功率和輸出負(fù)載電阻的變化。例如，Powercast的射頻能量采集元件無需額外的耗能電路來實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)，而這是將太陽能轉(zhuǎn)換為電能等其它能量采集技術(shù)不可或缺的。Powercast元件可以在很寬的工作范圍內(nèi)保持較高的射頻至直流轉(zhuǎn)換效率，因而具有跨應(yīng)用和OEM設(shè)備的擴(kuò)展性。能夠適應(yīng)多頻帶或?qū)拵ьl率范圍并且支持自動(dòng)頻率調(diào)諧的射頻能量采集電路可以進(jìn)一步提高輸出電能，也因此能擴(kuò)展移動(dòng)性，簡化安裝。Powercast元件采用標(biāo)準(zhǔn)50Ω輸入阻抗設(shè)計(jì)，不僅有利于縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，而且支持使用現(xiàn)成的天線。

圖1顯示了Powercast P2110 Powerharvester接收器在多個(gè)頻段的性能，包括中心頻率為915MHz的工業(yè)-科學(xué)-醫(yī)療(ISM)頻段。

圖1：圖中曲線顯示了P2110 Powerharvester模塊在三種ISM頻段工作時(shí)射頻輸入功率與轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系。

存儲(chǔ)利用能量采集技術(shù)捕獲到的能量有幾種方式，包括傳統(tǒng)的可再充電電池、新興的薄膜電池和電容。在過去20年中，鋰(鋰離子)電池、鎳氫電池(NiMH)和薄膜電池都有了長足的發(fā)展。隨著能量密度的提高和封裝尺寸的縮小，這些產(chǎn)品已被成功地用于長時(shí)間地維持微功率傳感器設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。這些產(chǎn)品的缺點(diǎn)是，就像一次性電池那樣，可再充電電池也有有限的壽命和充電次數(shù)，最終必須要更換。這正是許多行業(yè)需要考慮和研究能量采集與替代性能量存儲(chǔ)方案(如超級(jí)電容)的原因。

傳統(tǒng)的超級(jí)電容或眾所周知的電化學(xué)雙層電容器(EDLC)在2.5V或5V時(shí)具有數(shù)百歐姆的ESR值，這種電容在能量儲(chǔ)備應(yīng)用中已經(jīng)有30多年的使用歷史了，包括用作各種消費(fèi)設(shè)備(如錄像機(jī)、收音機(jī)和其它電子系統(tǒng))時(shí)鐘的后備能量。這些時(shí)鐘在低電壓下工作時(shí)消耗電流不到10μA，在許多電路的實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)應(yīng)用中也有使用。這些低功耗應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，EDLC器件是必須被頻繁更換的電池與在實(shí)用封裝(如鈕扣電池)下無法提供足夠電荷存儲(chǔ)的靜電/電解電容之間的極好折衷產(chǎn)品。

針對(duì)客戶的要求，在過去10年中業(yè)界開發(fā)出了低ESR的EDLC電容。這種電容能夠在高脈沖功率應(yīng)用中的接近5V電壓條件下提供數(shù)安的電流。這種EDLC電容體積小，ESR值低(2OmΩ至50mΩ)，容量大(6.8mF至1F)，額定工作電壓范圍是2.5V至20V。這些電容可以提供許多應(yīng)用要求的數(shù)安培的高電流脈沖，比如無線條碼掃描機(jī)、智能抄表系統(tǒng)以及許多類型的GSM/GPRS蜂窩應(yīng)用。這些低ESR元件現(xiàn)在還設(shè)計(jì)用于微功率能量采集系統(tǒng)等新興應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兙哂袃煞N獨(dú)特性能：低漏電流和低ESR。現(xiàn)在這些電容已經(jīng)代替其它電容或其它小型電池成為這類應(yīng)用的首選。例如AVX公司的BestCap元件就具有低ESR、低漏電流和高電流脈沖特性，非常適合環(huán)境能量采集使用。它們不僅具有很小的ESR值，而且具有不到幾個(gè)微安的低漏電流。

圖2是EDLC電容的橫截面圖。從圖中可以看到兩個(gè)由電解液包圍著的納米顆?；钚蕴紝樱娊庖褐虚g則有一個(gè)“隔離”層。這兩個(gè)碳層與集電極相接觸，并由集電極將電流輸送到外部。這兩個(gè)碳層由兩個(gè)串聯(lián)電容組成，因此命名為雙層電容或DLC。由于電容內(nèi)的電荷載體實(shí)際上處于離子態(tài)，因此使用了術(shù)語電化學(xué)DLC(或EDLC)。這張圖也顯示了簡單的原理，其中電荷主要集中在集電極-碳接口。電容(C)直接正比于有效面積(A)，并反比于這些電荷(或C a A/d)之間的隔離距離(d)。雙層電容的正負(fù)電荷之間的間距在納米范圍，這正是EDLC電容容量如此大的原因(因?yàn)檫@個(gè)間距要比靜電電容的電荷間距小好幾個(gè)數(shù)量級(jí))。

圖2：電化學(xué)雙層電容(EDLC)的橫截面圖。

基于含水電解液的BestCap器件使用質(zhì)子(一種最小的離子)作為電荷載體。與使用較大離子的其它超級(jí)電容技術(shù)相比，這種電容設(shè)計(jì)方法可實(shí)現(xiàn)每單位有效面積更低的ESR。由于其自身設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了更小的漏電流，BestCap架構(gòu)也具有更高的可靠性。這種技術(shù)還可以在相同封裝內(nèi)構(gòu)建不同的電容，最終能夠在同一封裝尺寸下靈活地實(shí)現(xiàn)不同的額定電壓。這種封裝內(nèi)部不需要外部平衡。

環(huán)境中的無線電波數(shù)量非常龐大，特別是在人口稠密的城市內(nèi)，而且頻率范圍越來越大，功率水平越來越高。如果這種自由流動(dòng)的射頻能量能夠被有效和高效地采集，那么這些無線電波就能夠成為一種獨(dú)特且廣泛可用的微能源。數(shù)量不斷增加的無線發(fā)射器將導(dǎo)致射頻功率密度和可用性日漸提高。專用功率發(fā)射器將進(jìn)一步使可實(shí)現(xiàn)、可預(yù)測(cè)的無線電源解決方案成為可能。隨著電子元件功耗的持續(xù)降低、無源射頻接收器靈敏度的提高以及低ESR雙層超級(jí)電容性能的改進(jìn)，通過射頻能量采集方式實(shí)現(xiàn)無繩充電的實(shí)用性應(yīng)用將不斷推陳出新。