隨著電子設備的增加 從RF收集能量作為電源的方案越來越普遍

2020-11-26 電子發燒友

隨著電子設備的增加 從RF收集能量作為電源的方案越來越普遍

電子發燒友 發表於 2019-01-23 14:59:38

工業和商業應用中的電子設備越來越多了，從RF收集能量作為電源的方案越來越普遍。

日常生活中的電子設備越來越多了，它們都需要某種形式的電源才能維持正常工作。幸運的是，我們周圍存在很多種能量形式，既可以把風能、光能、物體運動動能轉換成電能，甚至從高頻無線電信號的傳輸中也可以收集部分能量。這個世界的電子設備日益增多，在可能的情況下復用能量（比如RF、微波信號）就顯得更有意義了，這樣可以幫助提升整體能量使用效率。

太陽能可能是最為廣為人知的能量採集方案了。特別對於那些只需要消耗少量電能的設備，使用較小太陽能電池板就可以將來自太陽的光能轉換為可供設備所用的直流電壓。

在一些人煙稀少的地區，人們常常看到居民住宅的房頂上鋪滿了大量太陽能電池板，這些能源可以作為當地電力公司的備用電源甚至是替代性電源。同樣，在一些風量充足的開闊平原地帶，比如美國的中西部地區，經常能夠看到風力發電廠，將風這種「來去自由」的能量轉換成電力。

如今，可以轉換成直流電壓形式電源的太陽光可能是最受人類歡迎的能源了。ADI公司、Silicon Laboratories和德州儀器等公司提供大量廣泛的太陽能供電的無線收發器、振蕩器和其他高頻組件。此外，EnOcean開發了一系列使用太陽能作為電源的自供電開關，以及太陽能供電、在ISM頻段上進行無線通信的IC。最近推出的相關產品是使用太陽能供電、用於藍牙照明控制系統的空間佔用傳感器，它可以使用藍牙低功耗（BLE）協議簡化室內自動化應用的部署。

相比之下沒有那麼普遍但是正在迅速普及的則是從RF/微波信號中收集能量的方案，它可以從無線電/電視廣播站和無線設備上獲取能量。在物聯網（IoT）傳感器和射頻識別（RFID）標籤等低功耗應用中，這種能量收集方案可以替換電池。重複使用能量可以降低運營成本，並提高現有電子系統和設備的能源使用效率。

從RF/微波信號中收集能量是一個清晰明確的物理過程。可以使用包含無線電接收器和升壓轉換器等基本組件的集成電路，將來自一根天線上的RF信號能量轉換成交流或直流電壓，然後將這些電能傳輸到可充電電池或電容器等電能存儲設備中。Vivaldi直接前向天線設計顯示出卓越的優勢，可以覆蓋超寬帶頻段（比如100MHz-6GHz），並支持很多RF能量收集IC。

轉換射頻能量

Powercast公司的P2110B Powerharvester是一個典型的商用射頻能量收集接收器，它可以把射頻信號轉換成直流電壓形式（如圖所示）。這是一款可以用在ISM頻段較低頻率區段（902至928 MHz）的接收器。

在一根天線的輔助下，P2110B可以處理-12至+10 dBm的RF輸入電平，將其轉換為直流電壓，並將能量存儲在電容器中，以供需要時使用。這麼高的接收靈敏度使得它可以在距離RF信號源相當遠的地方即能實現有效的能量收集。這款緊湊型器件只是當前可用的RF能量收集技術中的一個案例，它能幫助小型電子產品在沒有電池的情況下正常工作。

P2110B內部有顆電容可以幫助執行受控的能量轉換。在最大電流為50毫安的情況下，能量收集器可以把電壓穩定在2V-5.5V範圍內。當電容器累積電荷，超出高電壓閾值時就能輸出有效電壓，當電荷低於低電壓閾值時便會關斷電壓輸出。正如製造商所建議的那樣，可以將能量收集器和微處理器一起結合使用，利用微處理器的編程能力優化功率使用，並改善電子設備（比如傳感器）的性能表現。

無限物聯網傳感器即將迎來快速增長，5G蜂窩網絡也對遠程無線傳感器存在大量需求，在這樣的背景下，能量收集無疑將會採用多種形式，包括光伏和熱電形式。比利時能源收集集成電路公司e-peas半導體提供的AEM10940就是一顆從光伏獲取能量的IC，它可以提供兩路獨立的穩態電壓，幫助延長電池壽命，或者在電子系統中直接替代電池。

最近，該公司開發了兩款從RF信號源提取能量的半導體器件，型號為AEM30940和AEM40940。這兩款器件都集成了升壓轉換器，旨在從低功耗的ISM頻段信號中提取能量，向電池或者電容器充電。AEM30940的射頻輸入水平可低至-18.2 dBm（863至868 MHz和915至921 MHz）、-14 dBm（2110至2170 MHz）和-9.5 dBm（2.4至2.5 GHz）。採用表面貼裝封裝，具有可簡化不同工作模式的實現的配置引腳，並具備低壓和高壓封裝引腳，可提供50mV至5V的全範圍電壓。

另一款器件AEM40940從RF信號源提取交流電能，產生兩個可以獨立調節的輸出電壓。它內部集成了一個低功率整流器和一個升壓轉換器，採用四方扁平封裝，塑料外殼尺寸僅為5×5 mm。 它可用於ISM頻段中的868 MHz、915 MHz和2.45 GHz，輸入功率範圍為-20至+10 dBm。該RF能量採集器具有相對較高的整體效率（測量路徑為從輸入埠到升壓轉換器的輸出），在868和915 MHz頻段，輸入功率水平為-20到0 dBm時效率通常大於20%，在2.45 GHz頻段，輸入功率電平為-10至+5 dBm時效率通常大於10%。

現在有多種形式的能量收集設備，可以利用許多不同形式的能源，包括陽光、風、運動、熱量，甚至可以從用戶的身體熱量中捕獲微小的功率。每種能量收集方案的採集能力各不相同，相比之下，太陽能仍然是當下最受歡迎、也是最有效的能量收集形式。不過，隨著全球範圍內無限通信設備的日益普及，以及大多數人口密集地區充斥大量射頻/微波信號能量，使用射頻能量採集技術給低功耗電子設備（比如數以十億計的物聯網傳感器）供電的應用越來越多，並將在未來幾年中普及到世界各地。

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