射频能量收集电路设计基础

文章作者:Maurizio Di Paolo Emilio

移动电话、计算机和遥感系统等无线设备的使用不断增加，导致对电池使用的需求和依赖不断增加。

目前，大多数电子设备，主要是在消费市场(手机，可穿戴设备)，由电池供电有几个缺点:它们必须定期更换或充电，而且它们大多不实用的大小和重量。

市场挑战之一是潜在的减少大型电池和新的电源管理系统，以提高设备效率。一种可能性是从环境中提取能量来给电池充电或直接给电子设备供电。射频能量收集的理念是捕获传输的电磁波并将其存储起来供以后使用。该设计包括一个天线，其电路能够将射频信号转换为直流电压。天线的效率主要取决于它的阻抗和调节电路的阻抗。如果两个阻抗不匹配，那么它将不可能从自由空间接收所有可用的功率(图1)。

图1:射频能量收集系统的总体布局

天线

理解电磁波是设计能量收集射频系统的必要条件。电磁波的特性随距离、频率和工作环境的不同而不同。

因此，该系统的工程包括天线的设计，其目的是捕获电磁波(在这种情况下，RF)。Friis方程调节自由空间中的传输/接收:

其中Pi是发射和接收的功率(后者是评估能量收集电源最有趣的)，Gi是两个天线的增益，λ是射频波长，R是两个天线之间的距离。射频能量收集系统的总体布局包括一个设计适当的接收天线、一个整流器和一个连接到负载的直流-直流电路。通常，在天线和整流器之间采用阻抗匹配电路。在其最一般的形式中，我们发现一个DC-DC转换电路连接到一个能量存储系统(电池或电容器)，该储能系统连接到负载。

各种天线已经被用于射频能量收集的应用，从简单的偶极子到更复杂的设计，如螺旋天线。万博投注网址尽管后者提供了良好的极化性能，但它们通常仅限于几百兆赫兹宽度的宽带设计。万博投注网址目前，多频窄带设计通常受到限制，因为每个天线元件都需要一个复杂的馈电机构(图万博投注网址2)。

图2:简单的射频能量收集电路

降压/升压转换器是一种功率管理架构，适用于通过压电换能器通过射频能量从许多人工来源、运动或振动中获取能量。前端的保护分流器可以容纳各种不同的压电元件(图3)。

图3:LTC3588射频能量收集应用图

这些应用所需集成电路的性能特征如下:

• 低静止电流:一般小于6 μA;
• 低启动电压:从20 mV开始;
• 交流输入管理能力;
• 具有最小外部组件的紧凑解决方案。

由于能量收集装置的输出通常很小，而且是间歇性的，所以系统必须精心设计，并且可以包含多个控制器。此外，数字控制是任何能量收集系统的重要组成部分，允许单个设备管理具有非常不同需求的各种能源。电力转换和管理通常是现代能源收集系统的核心。考虑到能量预算和收集效率，仔细选择集成电源管理电路和储能设备是任何电子设备设计的基础。

通过薄膜电池和新的换能器技术(除了天线，我们还有压电)，能源收集可能成为可再生能源领域的下一个重要前沿。

- Maurizio Di Paolo Emilio是ASPENCORE电力电子和欧洲通讯员的编辑。