結合熱能與RF能量採集為超低功耗裝置供電

作者 : Maurizio di Paolo Emilio,EE Times Europe

本文將聚焦於可再生能源,探討如何利用這類能源讓電子裝置自我供電。這裡要介紹的解決方案旨在開發如熱能和射頻(RF)類別的可再生能源,透過採集這兩類能源,有可能為超低功耗設備供電,並為物聯網市場帶來影響。

科技發展速度快到無法想像,從電子產品到電腦晶片,技術的演進令人驚訝;因此我們發現自己被各種小型電子裝置包圍著,無論是智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦、可穿戴裝置還是其他物聯網(IoT)裝置。但是有一個領域仍然缺乏進展,技術突破也有所延遲──電池的快速放電和其低容量。

有鑑於此,本文將聚焦於可再生能源,探討如何利用這類能源讓電子裝置自我供電。這裡要介紹的解決方案旨在開發如熱能和射頻(RF)類別的可再生能源,透過採集這兩類能源,有可能為超低功耗設備供電,並為物聯網市場帶來影響。

熱能與RF能量

根據物理定律,系統的總能量守恆,但能量可以從某種形式轉換為另一種形式。經典的例子是,兩顆撞球碰撞產生了清脆的聲音和在接觸點產生的熱量;在這種情況下,聲音源自周圍空氣分子的振動,這種振動在數學上可以表示為波形,但是對於人耳而言則是一種聲音表現,其強度與衝擊力有關。

由此可知,能量可以從某種形式轉換為另一種形式;而我們也可以從不同的環境能源中獲得能量,例如:

熱能──我們周遭環境中溫度和熱流的差異無處不在。典型範例包括來自汽車引擎的廢熱、來自地下的地熱、煉鋼廠或其他工業過程中的冷卻水產生的熱量;熱能可以透過熱電發電機(TEG)和一些電路轉換為電能,並將電能保留在儲存裝置中。熱能轉化為電能的基本原理是,熱電發電機將熱流(溫度差)轉換為電能。TEG沒有活動零件且通常尺寸很小,非常適合低功耗嵌入式裝置使用。

RF能量──如今,RF能量代表了無線感測器網路中電力的重要來源;透過無線配電系統,可建立一個點對點(ad hoc)的基礎設施,能夠透過單一傳輸源為由數百或數千個節點組成的整個網路供電。RF能量可以藉由使用RF能量採集器轉化為電能,這些採集器把RF能量轉換成電能。現在我們身邊到處都有由GSM、LTE、Wi-Fi、無線電波等訊號產生的RF能量,而這些訊號在任何商業、住宅和工業領域都存在;而研究和開發這類技術的真正挑戰在於如何彌補公共電信服務(包括電視、廣播或行動通訊)的電力傳輸。

可用的解決方案

以下我們使用BQ25570 IC來實現熱能採集;這個方案能從熱電發電機中提取微瓦(microwatts)至毫瓦(milliwatts)的熱能,還具備一個電源管理系統,該系統以雙重電路來提高電壓,同時能防止電池過電或爆炸。

在RF能量採集的部分,我們使用P2110 IC及其RF天線和前端。這個方案可在頻率為902~ 928MHz的頻段微調,也可以在其他頻段運作,但效率較低。該波段的中心頻率是2G,我們周圍的任何地方都有此頻率,它能讓我們在地球的每一個角落採集能量。

結合採用以上兩類感測器,我們可以就利用所收集的能量讓電子小玩意兒或低功耗的可穿戴裝置自我供電,如此一來就再也不用隔一段時間為它們充電。這些方案能與超級電容相結合,實現全面超低功耗管理。RF和熱能採集電路如圖1所示。

 

圖1:結合熱能與RF能量採集方案的原理圖。

 

本方案所使用元件包括:

  • 1 x TG.22.0222 (RF天線850MHZ/900MHZ WHIP RA)。
  •  1 x TG12-2.5-01LS (TEM發電機30X30X3.94MM)。
  • 1x BQ25570 IC。
  • 1 x P2110 IC。

該解決方案的詳細電路如圖2所示。當熱電發電機的板間溫度差足以在其端子上產生電壓時,該過程即開始。BQ25570會提取電能,根據溫度差,提取範圍從微瓦到毫瓦不等。隨後,整合的升壓轉換器會以93%的效率將電壓提高到3.3V。

此外,P2110 RF能量採集器會將RF能量轉換為電能。此RF能量將透過天線輸入,然後透過其整合的阻抗匹配電路轉換為直流電源。當裝置使用的電流小於採集器電路產生的電流時,會在輸出端添加一個電容器來儲存能量;然後兩種能源會結合在一起以便同時作用,即使其中一個採集源很弱,另一個採集源仍會繼續供電,系統也會繼續運作。

 

圖2:結合熱能與RF能量採集方案的電路圖。

硬體設計重要細節

為了實現採集能量的目的,有兩種選擇:一是使用電容器來儲存輸入的能量,二是以電池來儲存電力;我們在此解決方案中使用了電容器。

以下為選擇電容器的一些準則:

  1. 選擇低ESR(小於200mΩ)的電容器。
  2. 1.2V時漏電流必須小於1μA。
  3. 大型電容器充電緩慢,但可以儲存大量電流;小型電容器充電非常快,並增加了啟動時間。根據應用,可以使用以下公式更改電容器的值:

    C = 15*Vout *Iout *Ton

    其中:

    Vout = P2110的輸出電壓;

    Ton = IC 接通時間;

    Iout = P2110的平均輸出電流。

IC的RF輸入接腳可容納任何標準天線。解決方案中使用了50Ω的天線,也是大多數用於阻抗匹配的RF元件通用的天線。P2110可以連接多種類型的天線,DC短天線必須具有與天線串聯的隔直電容(DC blocking capacitor)。

由於RF非常容易受到雜訊和EMI干擾的影響,在設計PCB時需要格外小心,最重要的是天線走線的阻抗匹配。由於該天線是我們的電力來源,因此阻抗匹配得越多,採集器電路從RF端採集的效率就越高,RF走線必須嚴格確定為50Ω,並且長度必須盡可能短。應該使用通孔將GND接腳連接到電路板接地,所有電阻和電容必須盡可能地靠近IC。

RF採集器和熱能採集器IC都使用具有高峰值電流和高開關頻率的開關電源,在PCB佈線中需要格外小心,否則系統可能會出現EMI和穩定性問題。高電流的走線應是短而寬的PCB走線,從接地返回的路徑應盡可能短;旁路電容器和儲存電容器應與IC焊墊盡量接近。此外儘量不要在電容器路徑中使用任何通孔,在極端負載條件下,這些電容器對整體系統貢獻了很大一部份的穩定性。

為儲存從熱能採集器所採集到的能量,我們要添加一個電容器;當採集器不再採集能量時,此電容器足夠向設備提供電源。兩個採集器的輸出功率會合併在一起,如此可以提高總輸出功率,最大化兩種環境能量的利用。

任何情況下,如果熱能不足,裝置會從RF採集器獲得能量;如果RF功率較弱,熱能則會持續提供能量。在其他情況下,如果這兩種電源都不可用,則兩個採集器的儲存電容將使系統保持一段有限時間的開啟狀態。熱能採集器可以用於那些產生熱量、偶爾使用散熱器散熱的系統;採用了這種熱能採集解決方案後就不必使用散熱器,熱量會轉換回系統,最終提高效率並降低設備功耗。

隨著越來越高能效的裝置問世,可望為能夠充分利用能量採集的新型解決方案鋪平道路。

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2020年4月號

(參考原文:Thermal and RF Energy Harvesting Circuit For Ultra-Low Power Applications,by Maurizio di Paolo Emilio)

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