一种射频有源标签充电器的设计与实现

2012-08-07 07:53:04石封茶

电子测试 2012年10期

石封茶，余剑，杨广

（电子工程学院，合肥 230037）

0 引言

射频识别(RFID：Radio Frequency Identification)技术是从20世纪90年代兴起的一种自动识别技术，其通过无线射频的方式进行非接触双向数据通信从而对目标进行识别。目前广泛地应用于商品防伪、身份识别、仓储管理、医疗卫生和国防军事等诸多领域[1-2]。它的核心部件包括读写器和射频标签(tag)，标签是RFID系统真正的数据载体，用来存储需要识别和传输的信息。RFID系统按射频标签供电方式不同可分为无源系统和有源系统，其中无源系统的标签内无电池，需要从读写器的射频场获得能量，而有源系统的标签不需要从射频场获得能量，内部带有电池能主动发送信号与读写器通信[3-4]。

由于某些特殊应用场合限制，有源标签需要实现具有防水、防尘等性能的全密闭封装。传统的充电方式是通过各种插口和连接电缆给标签电池充电，但在标签的实际使用过程中传统的充电方式已不适用，而目前日趋成熟的无线充电技术提供了较好的解决方案。

无线充电是指不通过物理联接就能传送电能，实现为MP3、蓝牙耳机、低功耗无线传感器网络以及病人体内的医用植入设备等耗电量相对较小的电子设备充电。目前，实现无线充电主要通过3种方式，即电磁感应、无线电波，以及电磁共振作用。电磁感应要求终端产品中次级线圈和电路之间必须进行屏蔽，增加了设计复杂度；无线电波方式传输功率小、功效低，发射的功率大部分以无线电波形式损耗掉[5-6]。

本文基于电磁共振原理设计实现了一种用于射频有源标签充电的微距离无线充电器。该充电器能同时对40个标签充电且充电效果较好，经过多次充电测试实验，充电器性能稳定。

1 无线充电原理

首先，振荡源将电源管理模块输出的直流电转换成高频交流电，然后经功率放大，最后通过没有任何有线连接的原、副线圈之间的耦合实现电能的无线馈送；副线圈耦合的电能经能量转换模块后，输送给充电电池，控制电路模块实现充电过程控制[7]。其无线电能传输基本方案如图1所示。

图1 无线电能传输方案示意图

2 系统实现

2.1 电能发送部分

电能发送的关键是要将振荡器的输出波形进行功率放大，再利用发射回路发射出去，振荡器电路有多种，本设计采用多谐振荡器作为振荡源。电能发送电路原理图如图2所示。

图2 电能发送原理图

图2中，无源晶振Y1、非门N1和N2、电阻R1构成非对称式多谐振荡器[8]。这里无源晶振Y1相当于电容，而且经过实际测量用无源晶振代替电容产生的矩形波更稳定。

非门N1、N2和N3采用由6个LOCMOS非门组成的芯片4069中的3个非门，4069工作电压为3 V到15 V，非门传播延时最大为20 ns，输出转换时间最大为120ns，满足设计要求。电阻R1阻值为1 MΩ，晶振Y1标称值为10 MHz，4069供电电压为5 V。由下式[8]：

可得振荡器输出矩形波的频率。

振荡器输出的幅度5 V、频率80 kHz方波，经过非门N3缓冲，来激励场效应管Q1工作，并使其工作在放大区实现功率放大。Q1采用 MOSFET管 IRF540NS,其漏源击穿电压最小为100 V，漏源导通电阻最大为44mΩ，漏极电流最大为33 A，满足设计要求。Q1由便携式直流稳压电源(7.5 V/13 A)供电，供电电压为7.5 V。电路设计中，电感L1和电容C1构成的谐振回路采用与振荡器的输出方波频率一致的谐振频率，电感L1使用定制的单层多匝的平面空心矩形线圈，其感值为30 μH，由下式：

可得C1容值为150 nF。在谐振状态时，虽然激励是方波，但是L1中电压是同频率的正弦波，从而能够通过耦合把电能发送出去。

但是，实际应用中往往有源标签数目较多，如果充电设备只能给一个标签充电则充电时间效率较低，若给多个标签充电则需配备多个充电设备，增加了成本。因为CMOS非门具有较好的带负载能力，因此本设计实现了40路并行独立的电能发送单元，非门N3输出的方波通过4069的另外3个非门的再次缓冲输出3路独立的方波，其中两路方波各带3个4069，另一路方波带2个4069，这样就输出了40路并行独立的方波，从而激励40路功放管工作，最后通过40路谐振回路把电能发送出去。其具体实现原理图如图3所示。

实际PCB板的设计过程中，为了滤除器件产生的高频噪声经供电回路反馈传播，并防止电源携带的噪声对电路造成干扰，电源与地之间需要去耦电容。本设计采用的电容主要是：100 μF/25 V钽电容与0.1 μF/25 V瓷片电容并联联接在7.5 V电源线与地之间(钽电容1到2个，瓷片电容4到5个)；每个4069芯片电源引脚与地之间接0.1 μF/25 V瓷片电容；7805输入、输出引脚与地间分别接100 μF/25 V钽电容（电源管理芯片输入电压7.5 V、输出电压5 V）；IRF540NS漏源两极间(源极接地)用到了10 μF/25 V和100 μF/25 V两种钽电容(滤除不同频率的谐波)。设计实现的PCB图如图4所示。

在同时为40个标签充电的过程中，整个电能发送板消耗的功率约为60W，随着充电时间的延长，需要解决功放管IRF540NS的散热问题。本设计选用了锯齿状的铝散热条固定在IRF540NS的背面绝缘层上，电能发送板实物如图5所示。

图4 电能发送板PCB图

图5 电能发送板实物图

2.2 电能接收部分

电能发送部分的线圈是采用与电容并联谐振的架构，为了使回路获得高Q值，进而能够通过耦合获得更大的电压，因此电能接收部分的线圈也采用与电容并联谐振的形式即利用电磁共振的方式进行电能传输，而且接收回路和发送回路的谐振频率一致，这样容易调整匹配且传输效率高[9]。

耦合接收的交流电能需转换成直流电才能供标签内电池充电，整流电路是实现能量转换的最重要部分，它是将接收谐振回路耦合过来的频率为80 kHz的交流电压变换为直流电压。整流电路一般有半波、全波、和桥式3种基本类型电路[10]。从电路复杂度看，桥式电路最复杂，全波电路次之，半波电路最简单。考虑到标签微型化和成本两方面因素，最终选择了半波整流电路作为标签能量转换关键电路，其电路原理图和实物图分别如图6、图7所示。

图6 电能接收部分电路原理图

图7 标签实物图

电路设计中，次级回路的电感、电容规格与初级回路的电感、电容规格一致。次级回路L2、C2通过电磁共振把能量耦合到接收端，耦合过来的交流电通过整流二极管D1半波整流将交流电压变成单极性直流电压，整流二极管选择适用于高频高速电路的肖特基势垒二极管PMEG2010，其具有超低前向导通电压(最大值0.43V)、前向电流大(最大值为1A)、反向耐压大(最大值为20V)等特点，满足设计要求。滤波电容C3容值为2.2 μF，其两端输出较稳定的直流。

3 系统测试

3.1 波形测量

电能发送板由便携式直流稳压电源7.5 V/13 A供电，供电电压为7.5 V，波形测量主要是振荡器输出的激励波形和负责电能发送的LC回路输出波形。用示波器测量到的激励波形和LC回路输出波形分别如图8、图9所示。

图8 激励波形

图9 LC回路输出波形

由图8、图9可得，激励波形是幅度5.0 V，周期12.5 μs的方波，LC回路输出波形幅度15 V，是与激励波形同频率的正弦波。

3.2 充电实验

充电过程中，为了防止漏磁导致的发射能量损耗，提高电能传输效率，接收和发射线圈的中心轴必须对准且2者的垂直、水平距离应尽可能小。电能发送板同时给40个标签充电，电池容量为80 mAh，带有保护电路防止过充和过放，电池工作电压3.5 V到4.2 V，标签置于密封的容器内，容器厚度约为3 mm(充电距离3 mm左右)。进行10次充电实验，每次充电3 h左右，每次充电前对标签电池进行放电，使其电压低于电池保护电路的保护电压3.2 V。其充电实验如图10所示。