我們都聽(tīng)到了空氣中有能量的表達(dá)。大多數(shù)人都將其與興奮和熱情聯(lián)系在一起，但實(shí)際上，根據(jù)其定義，空氣中存在能量：來(lái)自利用物理或化學(xué)資源提供工作能力的能量。從純物理學(xué)的角度來(lái)看，只要某些東西不是絕對(duì)零，它就有能量。從經(jīng)典的牛頓觀點(diǎn)來(lái)看，大量的光子，電子，氣體分子和運(yùn)動(dòng)中的粒子都有能量。從愛(ài)因斯坦的觀點(diǎn)來(lái)看，空氣分子的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為E = MC 2 能量。

更好的是，所有這些自然產(chǎn)生的能源都加入了我們現(xiàn)代化的射頻技術(shù)，將數(shù)百萬(wàn)瓦特輸送到大氣中。這種RF能量在AM和FM等不同頻段內(nèi)是穩(wěn)定狀態(tài)，甚至在擴(kuò)頻范圍內(nèi)也是如此 - 只要您的調(diào)諧電路可以從與RF傳輸相關(guān)的電磁場(chǎng)中提取可用能量。

本文著眼于從RF信號(hào)中獲取能量，以及如何將其用于為眾多無(wú)線和分布式傳感器，無(wú)線電和物聯(lián)網(wǎng)連接的監(jiān)控設(shè)備供電。

空間利用

如果您正在開(kāi)發(fā)用于手持設(shè)備的IC，那么“越小越好”這一概念可能屬實(shí)，但在能量收集方面，小一些并不總是更好RF能量，其中表面積或橫截面積與可收集的能量的量成比例。例如，較大的天線可用于增加拾取信號(hào)強(qiáng)度。在某些情況下，天線陣列可以構(gòu)建在一個(gè)結(jié)構(gòu)中，而不是視覺(jué)上的減法。甚至可以將天線陣列編織成壁紙或紡織品。

更重要的是，沒(méi)有理由不能使用聚光器，特別是在房間的角落。簡(jiǎn)單的反射器可以使有效表面積倍增，從而為實(shí)際拾取點(diǎn)提供更集中的能量。可以把它想象成一個(gè)低分辨率的有限元拋物面碟。當(dāng)您對(duì)無(wú)線能量傳輸源有清晰的視線時(shí)，這種方法會(huì)變得更加吸引人。

這為收集射頻能量以供電子電路和傳感器提供了另一個(gè)考慮因素。如果沒(méi)有來(lái)自本地源的足夠環(huán)境RF能量，我們可以設(shè)計(jì)激勵(lì)器發(fā)射器，可用于為遠(yuǎn)距離傳感器陣列供電。然后，每個(gè)傳感器可以無(wú)線通信。例如，超高電氣隔離的好處可以使這些類型的無(wú)線能量采集器直接連接到超高壓電力線。

實(shí)際的捕捉元素可以是天線，天線陣列或感應(yīng)線圈。正確調(diào)諧后，線圈可以非常有效地?zé)o線傳輸能量。值得注意的一點(diǎn)是，當(dāng)沒(méi)有射頻源時(shí)，可以無(wú)線提取能量。例如，吉他拾音器將從近距離的金屬振動(dòng)中獲取能量。此外，正如許多非雙線圈吉他手所知，它還會(huì)拾取寬帶射頻能量甚至無(wú)線電臺(tái)信號(hào)。

在其他情況下，平面平面線圈可以安裝在薄的保護(hù)層后面，不會(huì)削弱射頻能量。通常，直徑越大，波長(zhǎng)越長(zhǎng);天線線圈的每個(gè)連續(xù)包裹都與提取的能量相加。

設(shè)計(jì)工程師可以設(shè)計(jì)自己的定制線圈以獲得最佳配合，或使用預(yù)制線圈和線圈組件。一種途徑是使用設(shè)計(jì)用于近距離無(wú)線充電的線圈組件。如果耦合到低損耗調(diào)諧電路并且在存在足夠信號(hào)提取時(shí)，這些可以適于從不同頻帶提取RF能量。接收器可以通過(guò)使用更多的線圈匝數(shù)和更大的橫截面積來(lái)最大化提取的信號(hào)，因此可以在此使用單線圈組件或模塊，如TDK WT-505060-10K2-A11-G和WRM483245-15F5-5V-G （圖1）。這些可以輕松地作為發(fā)射器或接收器安裝到您自己的面板上。

圖1：平面預(yù)制線圈組件可用于創(chuàng)建近距離，電隔離的電力傳輸?shù)綗o(wú)線傳感器，如穿墻傳感。

Wurth Electronics 760308104119等多線圈組件可以從對(duì)齊的源中提取更多能量，并可用于為微控制器和模擬信號(hào)級(jí)提供真正隔離和獨(dú)立的能量。注意，任何平面發(fā)射器和接收器的方向應(yīng)垂直于波傳播方向。使用這些線圈的穿墻式隔離無(wú)線傳感器可以允許化學(xué)倉(cāng)庫(kù)在其封閉容積內(nèi)使用無(wú)活性能源來(lái)監(jiān)測(cè)爆炸性條件。

收獲時(shí)間

一旦你建立了能量捕獲技術(shù)并且正在捕獲未經(jīng)調(diào)節(jié)的原始電源，德州儀器的專用電源管理IC等部件就可以將這些電源調(diào)節(jié)為可用的形成。一個(gè)很好的例子是TI BQ25570RGRT，它可以提取低至488 nA的電流并使其可用。初始冷啟動(dòng)電壓為330 mV將觸發(fā)此組合升壓/降壓穩(wěn)壓器，效率高達(dá)93％（圖2）。一旦激活，可以從低至100 mV的電壓源提取可用功率，以驅(qū)動(dòng)內(nèi)部電池充電器和電壓監(jiān)控器。該部件還具有過(guò)充電保護(hù)和電壓監(jiān)控器。

圖2：結(jié)合升壓轉(zhuǎn)換器和降壓轉(zhuǎn)換器技術(shù)，該能量采集器即使在低電壓下也能提供高轉(zhuǎn)換效率。

TI的BQ25570EVM-206能量收集評(píng)估套件將幫助工程師以低成本快速測(cè)試該技術(shù)。其納米功率管理功能還包括可編程的最大功率點(diǎn)跟蹤采樣網(wǎng)絡(luò)。這樣可以優(yōu)化功率傳輸。

也可以使用像Qi這樣的更復(fù)雜的無(wú)線充電協(xié)議，但這些協(xié)議應(yīng)限于近距離傳感器，例如穿墻傳感器驅(qū)動(dòng)器。有趣的是，這是一個(gè)高級(jí)協(xié)議，雙向通信回到充電器激勵(lì)器。此外，還有幾種符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)質(zhì)IC。

例如，考慮專用發(fā)射器芯片，如TI的BQ500210RGZT，或東芝TB6860WBG，EL功率接收器芯片。在每種情況下，它們都可以是低功耗微控制器和傳感器陣列的外圍芯片。雖然這些符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的短距離充電，但更高功率水平，聚焦發(fā)射器和聚光接收器可以讓這種設(shè)置在更長(zhǎng)的距離上工作，用于穿墻式攝像機(jī)，通信集線器和無(wú)線網(wǎng)橋。

更長(zhǎng)距離的鏈接

對(duì)于更長(zhǎng)的距離，其他射頻技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)可能更適合。例如，RFID Gen II標(biāo)準(zhǔn)提供幾乎5瓦的發(fā)射功率，可以為電路供電，為電池和超級(jí)電容器充電，并在距離高達(dá)30英尺的地方為通信鏈路供電。

amsSL900A-AQFM傳感器標(biāo)簽使用符合RFID Gen II UHF標(biāo)準(zhǔn)的RFID應(yīng)答器和嵌入式讀寫非易失性存儲(chǔ)器（圖3）。這是遠(yuǎn)程和分布式傳感器以及數(shù)據(jù)記錄器的理想選擇。本地SPIO可以將低功耗微配置，記錄和傳輸數(shù)據(jù)傳回接收器，所有RF和電源管理功能均可通過(guò)1.5 V單節(jié)充電電池工作。它還支持讀者領(lǐng)域的能量收集。

ams視頻“利用傳感器解決方案塑造世界”描述了這項(xiàng)技術(shù)，可以在Digi-Key網(wǎng)站上找到。

圖3：RFID Gen II系統(tǒng)一次可提供近5瓦的射頻功率。這允許感官標(biāo)簽從RF場(chǎng)收集足夠的能量并傳回。

為什么不使用Wi-Fi？

Wi-Fi發(fā)射器也能耗盡功率，可用作為傳感器和收發(fā)器供電的能源。與低頻無(wú)線充電器和UHF標(biāo)簽不同，Wi-Fi使用2.4和5 GHz頻段并且“突發(fā)”并且有些不一致，因?yàn)樗蕾囉诹髁磕Ｊ揭约霸谠S多時(shí)隙頻率中放置一定量的RF能量酒花。

然而，這里有能源，華盛頓大學(xué)已經(jīng)證明Wi-Fi信號(hào)可以為遠(yuǎn)程傳感器，電池充電器和視頻鏈路提供足夠的能量。 > 1 （圖4）。

圖4：Wi-Fi驅(qū)動(dòng)的傳感器，電池充電器和視頻鏈接現(xiàn)在開(kāi)始取得進(jìn)展。期待看到更多。

在生活區(qū)和工作場(chǎng)所長(zhǎng)期和長(zhǎng)期接觸大量射頻能量的安全性和影響方面，還有很多工作要做，也有很多討論。但是使用RF進(jìn)行能量收集的技術(shù)顯然是可行的。由于發(fā)現(xiàn)了巧妙的方法來(lái)提取我們周圍的能量，因此對(duì)于許多應(yīng)用而言，使用能量電池和電池的需求最終可能成為過(guò)去。

有關(guān)本文中討論的部分的更多信息，請(qǐng)使用提供的鏈接訪問(wèn)Digi-Key網(wǎng)站上的產(chǎn)品頁(yè)面。

參考文獻(xiàn)

Wi-Fi Ambient反向散射通信