无线功率传输:无牵无挂

2007-10-17 08:58:28来源: EDN China

任何能免除设备的电源线和墙上插座的技术都肯定会赋予电子设备一种明显的销售优势。能从无线电源获得利益的应用包括各种便携式消费电子设备,如手机和 MP3 播放机,它们可以丢弃自己的墙上插座和电源适配器;低功耗无线传感器网络,它们可以免除频繁更换电池的麻烦;另外还有病人的医用植入设备,以避免更换电池的手术。

但我们距离真正实用的电源线替代目标还有多远,有哪些选项?这些选项对功率大小、频率和设备位置有什么限制?最后,远距传输功率是否会损害健康?

使用可充电电动牙刷的人都熟悉一种无线技术,即电感耦合,它与其充电部件之间没有导电触点(图 1a)。充电部件连接到交流电源上,底座内是一个变压器的初级线圈,变压器次级线圈位于手持的牙刷中,其中嵌入了一个铁芯键。当你刷完牙后,一般会将刷头从牙刷部件上取下,并将牙刷部件放回充电底座。牙刷部件(有一个铁芯键)可完全套在初级上。该键配合一个通过牙刷部件次级中心的孔(图 1b)。这种键式结构保证了初、次级线圈在 x、y、z 平面上的物理对准。这种精密对准是必需的,如果初、次级之间错位几分之一英寸,则功率传送就将无效。手机制造商也可以使用类似结构进行充电,而不必采用充电部件。不过,对于那些必须装在钱包或口袋中(而不是放在浴室台面上)的消费设备来说,变压器次级过于庞大。并且,牙刷座采用电感式电源耦合的主要原因并不是易于连接,而是因为底座处在潮湿环境中,必须采用密封式的功率耦合。

为避免电感耦合方式要求接近、精确对准的局限,eCoupled 推出了“自适应电感耦合”方式,其中功率电路会从两个线圈最优定位检测到任何变动,然后寻找最佳工作点。电路负载的移动会造成电路阻抗以及电路共振频率的变化。另外,eCoupled 还增加了一个数字控制回路,以响应变压器耦合器件以外的负载变化。据 eCoupled 先进技术总监 Dave Baarman 称,这种自适应电感耦合与数字回路的结合意味着,即使设备在 x 和 y 方向偏离数英寸,而沿 z 轴偏离不到 1 英寸时,电源电路仍可以维持对设备的供电。

表皮厚度

但这种不到一英寸的限制性并不像乍看起来这么严重。Baarman 解释说:“你需要的(z 轴)距离只不过是 MP3 播放机或手机的‘表皮厚度’”。这足以使人们随意地将某个设备放在一个台面上的充电区。你可以通过磁性感受到设备是否与充电点对准,从而保证台面上 x、y 方向的对准。该公司已宣布了多家获得自适应电感耦合许可的伙伴公司,如摩托罗拉、Visteon 和 Herman Miller,不过这些公司还没有公布任何采用自适应电感耦合技术的产品。但据 Herman Miller 的企业通信经理 Mark Sherman 称,该公司在 2008 年初将发布产品。该技术还有一个成绩:eCoupled 的子公司 Fulton Technologies 从 2002 年起就使用自适应电感耦合技术为其水净化系统中电子设备供电。Baarman 称 eCoupled 已经在高达 1400W 的功率上测试了自适应电感耦合技术。

电感耦合的特点是有相对较高的功率电平,但距离短。对于像无线传感器网络这类应用,你可能希望用更远的功率传输范围来换取大功率。发射 RF 能量可能是针对这些应用的一种考虑。Powercast 开发了 Powercaster 发射机和 Powerharvester 接收机芯片,它们工作在 900 MHz,你可以用它们来散播和接收能量(图 2)。它们的工作距离为数米,而功率电平可高达 100 mW。这种低功率电平可能不会成为局限性:如果你的设备(如一个无线传感器网络上的某个节点)在长时间睡眠状态后需要较高功率,则应考虑为设备增加电池,并使用 RF 功率接收机作涓流充电。该器件销售单价不到 5 美元(大批量)。

该器件用于无线传感器网络的一个实例是匹兹堡动物园企鹅展馆与 PPG 水族馆内的温度与湿度监控网络。在这种寒冷潮湿的环境中,不能用电源,展馆的开发者不能拉电缆。他们最初建立传感器网络时采用碱性电池为节点供电,但电池数周内就会耗尽。Powercast 用 Powerharvester 接收机改造了这些节点,用于电路供电,并在展馆天花板上距接收机约 30 英尺远的地方放置了一个 Powercaster 发射机及接插天线。每过两分钟,发射机的一个脉冲会唤醒传感器节点,节点返回温度、湿度和充电状态信息。然后又回到睡眠状态。但它们仍不断由发射的 RF 功率充电,使可充电碱性电池的电压保持在恒定 3V。

安全的功率电平

据Powercast 销售与营销副总裁 Keith Kressin 说,联邦通信委员会的工程与技术办公室的65 号通报负责 RF 安全事项。该公报会告知你一台传送RF的设备允许多大的功率(参考文献 1)。微波炉的泄漏功率为 50 mW/cm2 ,与一部手机辐射的 RF 能量相当。电视/电台发射机辐射能量为 10 mW/cm2,而 RF 功率发射机的辐射大约为 20 μW/cm2,远远低于日常生活中的一般水平(参考文献 2)。

能量采集环境中的 RF 功率是 RF 功率传输的另一种可能选项,但是,天下没有免费的午餐,你应特别小心地估计来自 RF 能量的可用功率。Zoya Popovic 博士是 Colorado—Boulder 大学的一名电子与计算工程教授,他建议应牢记三点:首先,环境功率覆盖了很宽的频率范围。获得 RF 能量的最佳方式是设计一款专门针对某频率的天线和功率电路;你需要一种可以工作在该环境下的天线和功率电路,这意味着它必须是宽频带的,或至少是多频段的。

其次,当采集环境 RF 时,你并不知道电磁波的极性。Popovic 给出了一个例子:“如果你用一根线状天线,从房间的一角发射一个垂直极化波,当能量在房间中碰撞并到达另一侧时,功率会在水平极化和垂直极化两个方向平均分配。如果你希望高效地捕捉能量,就必须针对两种极化作设计。”

第三,由于存在多路径的环境,RF 接收机的功率不仅随频率和极化方式而变化,而且在功率电平上也有变动。Popovic 的团队设计了带有“整流天线”(rectennas)的 RF 功率接收机电路,该天线的整流电路能产生直流电压。当功率电平改变时,天线输出端的直流电压也发生变化。由于能量储存设备(如电池和电容器)不能承受宽的电压摆幅,所以该小组在整流天线和能量储存元件之间放置了一个功率管理与缓冲级(见附文“高效 RF 整流天线设计”)。

另外一种技术(但不是无接触式)是 Wildcharge 的无线新技术。一个带 Wildcharge 功能的设备通过一种欧姆触点(采用光刻工艺制作的一种溅射金属垫)与充电垫接触,为手机或类似消费设备充电。Wildcharge 计划今年夏季推出一种 40 美元的 15W 充电垫,它可以为多种低功耗设备充电。设备使用该充电垫时将需要一个适配器,但它们也可以内置 Wildcharge 技术,并从任何 Wildcharge 垫充电。

新型无线功率传输技术仍处于研究阶段。马萨诸塞州立技术学院物理学家 Marin Soljacic 宣布了一种用于数米内的“非辐射式共振能量传输”技术。该技术主要依赖于在相同磁场中调谐为共振的铜线圈(参考文献 3)。另外,东京大学的研究人员也开发了一种带印刷线圈、有机晶体管和 MEMS(微机电系统)开关的四层塑料片,它采用电感耦合方式为带接收线圈的设备供电(参考文献 4)。这两种技术都在正在开发阶段,商业化至少需要数年时间。

但是,即使是 cCoupled 和 Powercast 的方案也仍很新,有潜在的缺陷和未知数。另外还应记住电池技术也在发展。所有的电池在制造时都不是相同的,寿命少于 1 年的碱性可充电电池不是低功耗设备充电的唯一选项。例如,Tadiran 称其工业级和军用级锂亚硫酰氯电池的寿命超过 20 年,故障率小于百万分之一。这些非可充电电池有低的泄漏电流和高容量。例如,Tadiran 的 AA 型大功率锂电池标称电压为 4V,而消费设备中的 AA 电池是 1.5V。大功率件的单芯可用净容量亦可超过 2 Ahr。电池将能为系统连续供电 20 年,以 3V 的截止寿命电压计算,年功耗为 81 mAhr。这些电池的价格每只不到 10 美元,或每年不到 50 美分。因此在冒险采用更昂贵的新技术以前,要考虑工业级的电池是否能满足你的设计要求。

更多信息

Colorado Power Electronics Center: http://ece-www.colorado.edu/~pwrelect?
eCoupled:
www.ecoupled.com
Fulton Technologies:
www.fultontech.com
Herman Miller:
www.hermanmiller.com
Motorola:
www.motorola.com
Powercast:
www.powercastco.com
Splashpower:
www.splashpower.com
Tadiran Batteries:
www.tadiran.com
Visteon Corp:
www.visteon.com
Wildcharge:
www.wildcharge.com

参考文献

1. OET Bulletin 65, “Evaluating Compliance With FCC Guidelines for Human Exposure to Radiofrequency Electromagnetic Fields”.
2. Popovic, Zoya, Regan Zane, A Dolgov, J Branna, J Moroni, T Paing, and J Shin, “Efficient low-power energy harvesting and power management,” NanoPower Forum 2007, Colorado PowerElectronics Center, Department of Electrical and Computing Engineering, University of Colorado at Boulder.
3. Fildes, Jonathan, “Wireless energy promise powers up,” BBC News.
4. Takamiya, Makoto, Tsuyoshi Sekitani, Yoshio Miyamoto, Yoshiaki Noguchi, Hiroshi Kawaguchi, Takao Someya, and Takayasu Sakurai, “Design Solutions for a Multi-Object Wireless Power Transmission Sheet Based on Plastic Switches,” 2007 IEEE International Solid-State Circuits Conference.

附文:高效 RF 整流天线设计

“rectenna”(整流天线)是一种带整流作用的天线。它最简单的形式就是一个肖特基二极管和一根天线,将接收到的 RF 功率转换为直流电压。挑战在于,如何使整流天线对输入功率电平(如 0dBm 以下)的功率转换效率最大化。我们采用一种将整流电路与微带接插天线直接匹配的方法,这样两者之间就不需要有匹配网络,从而提高了整流天线的效率。这种匹配技术可自动抑制微带接插天线的谐波再辐射,因为谐波是失配的。

采用探测馈送式天线的传统平面微带整流天线的 PCB(印刷电路板)布局与一个微带网络共享一个公共的接地层(图 A)。我们采用了有助于天线和整流器的分析模型,设计出用于低输入功率电平的单层、带内部匹配和滤波的 PCB 整流天线。

我们用一个空腔模型分析了矩形微带接插天线。新开发的有效长度与宽度可处理到微带接插天线的边缘区域。一个四阶 Runge-Kutta 例程用于解算出封装二极管的电压,以及发生器电流。然后 FFT 将这些时域参数转换到频域,并对每个谐波确定封装二极管对一个固定入射功率电平的阻抗。

找到复杂二极管的阻抗以后,我们就确定了微带接插边缘的馈入点,获得二极管的配对阻抗,从而完成了天线与二极管之间的匹配(图 B)。

通过采用先进的分析模型,我们可以精确地确定作为天线输入功率函数的整流天线输出电压(图 C)。这种设计在 2.45 GHz 下实现了 0 dBm 输入功率的 52% 效率,比传统整流天线设计高出 10% 以上(参考文献 A)。串联这些整流天线就可以为一台 6 米以外的标准家用壁钟供电(图 D)。不过,最终的应用将是远距离充电电池。

参考文献

1. Akkermans, JAG, MC van Beurden, GJN Doodeman, and HJ Visser, "Analytical Models for Low-Power Rectenna Design," Antennas and Wireless Propagation Letters, Volume 4, 2005, pg 187.

关键字:电感  耦合  变压  接收

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/wltx/RFID/200710/1776.html
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