新型手持式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的供電設(shè)計(jì)

季瑞松　趙偉

摘 要：無(wú)源超高頻RFID設(shè)備功耗很大，特別是手持式超高頻RFID設(shè)備往往采用高容量電池甚至是雙電池設(shè)計(jì)方案，以滿足設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作的需要。介紹一種主副電池協(xié)同工作的手持式設(shè)備供電方案，實(shí)驗(yàn)證明，該方案的可靠性高，關(guān)機(jī)電流小，完全能滿足手持式超高頻RFID手持設(shè)備的供電需求。

關(guān)鍵詞：超高頻；RFID；功耗；手持設(shè)備

中圖分類號(hào)：TN911 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）04-00-02

0 引 言

無(wú)源超高頻RFID（Radio Frequency Identification）是指工作于840～960 MHz的一種射頻識(shí)別技術(shù)。超高頻RFID由于具有識(shí)讀距離遠(yuǎn)，標(biāo)簽價(jià)格低廉等特點(diǎn)，獲得了越來(lái)越多的應(yīng)用。超高頻手持式RFID設(shè)備已經(jīng)成為手持式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的主流方向，已經(jīng)在金融、畜牧業(yè)、酒類防偽、公共安全、倉(cāng)庫(kù)管理等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。超高頻RFID屬于無(wú)源RFID范疇，標(biāo)簽?zāi)芰啃枰勺x寫(xiě)設(shè)備來(lái)提供，理論表明，讀寫(xiě)距離每增加一倍，發(fā)射功率需要增加6 dB[1]。在遠(yuǎn)距離的運(yùn)用場(chǎng)合，手持式RFID設(shè)備的功耗很大，需要大容量電池來(lái)支撐設(shè)備的長(zhǎng)時(shí)間工作[2]。

1 新型超高頻RFID供電設(shè)計(jì)方案概述

手持式RFID設(shè)備為專用的設(shè)備，除超高頻RFID本身外，還可以配備高性能條形碼模塊、WiFi/BT模塊，GPS模塊，以及2G/3G通訊模塊，這些工業(yè)級(jí)模塊往往有很高的供電要求，為了保證這些模塊在電池電壓跌落后仍保持出色的性能，供電設(shè)計(jì)是重中之重。本方案設(shè)計(jì)了主副電池共用的供電結(jié)構(gòu)，既保證了高工作效率，又保證了極低的關(guān)機(jī)電流。在本方案中，主電池需要采用雙節(jié)鋰離子電池串聯(lián)的方式。同時(shí)，為了保證關(guān)機(jī)時(shí)的低功耗，系統(tǒng)也需要單節(jié)鋰離子電池作為備份電源，以提供關(guān)機(jī)RTC用的備份電源。整個(gè)系統(tǒng)的供電方案如圖1所示。

2 供電方案分析

圖2是某典型的單節(jié)鋰離子電池的放電曲線。這里設(shè)置BUCK1輸出電壓為3.8 V。

從曲線上我們看到，在0.5C放電條件下，如果電池電壓在3.2 V左右，電池的利用率可以達(dá)到98%，在3.6 V時(shí)，電池的利用率只有60%左右。以海康科技的UFH RFID模塊為例，通常UHF RFID模塊正常工作的電壓范圍是3.8～5 V，為了提高電池的利用率，傳統(tǒng)的手持設(shè)備往往采用先升壓，再降壓的方式給RFID模塊供電[3]。假設(shè)升壓電路的效率為85%，降壓電壓的效率是90%，那么總效率非常低，具體可以按式（1）計(jì)算得到。

BUCK是開(kāi)關(guān)型的降壓電路，一般具有90%以上的轉(zhuǎn)換效率。本方案中，系統(tǒng)在關(guān)機(jī)時(shí)，只有副電池通過(guò)二極管給RTC芯片供電，開(kāi)關(guān)管Q1和BUCK2是不工作的，因此，采用本方案的手持機(jī)設(shè)備可以做到很低的關(guān)機(jī)電流。系統(tǒng)在開(kāi)機(jī)后，處理器控制BUCK2工作，Q1導(dǎo)通，二極管D1處于截至狀態(tài)，系統(tǒng)完全由主電池供電，RFID模塊通過(guò)BUCK1電路提供工作電源。

可以看到，傳統(tǒng)的供電方式雖然能使電池電量的利用率達(dá)到98%以上，但總體效率低下。在本文的方案中，采用雙節(jié)鋰離子電池串聯(lián)的方式，采用同樣類型的電池，在0.5C放電條件下，電池電壓在6.4 V左右時(shí)，電池的利用率可以達(dá)到98%以上，同時(shí)，由于RFID模塊采用一級(jí)降壓的方式獲得所需要的電壓，效率在90%以上，這大大增加了系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，同時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性也大大提高。

3 系統(tǒng)充電電路設(shè)計(jì)

充電電路是設(shè)備供電的重要組成部分之一。UHF RFID的功耗非常大，以Impinj公司的R2000模塊為例，在系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)射功率為30 dB以上的盤點(diǎn)操作時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的功耗可以達(dá)到10 W左右，即使是7.4 V，2 400 mA時(shí)的大容量電池，也只能連續(xù)工作2～2.5小時(shí)，因此，能快速充電是UHF RFID手持設(shè)備必須具備的特征[4]。本方案中采用了TI的BQ24171作為主電池充電控制芯片，該充電芯片是高度集成的獨(dú)立型鋰離子及鋰聚合物電池開(kāi)關(guān)模式充電控制器，具有兩個(gè)集成型 N 溝道功率 MOSFET。該器件提供了一個(gè)恒定頻率同步 PWM 控制器，能準(zhǔn)確控制輸入電流、充電電流和設(shè)置最高充電電壓保護(hù)。這款芯片可嚴(yán)密地監(jiān)視電池組的溫度并提供了電池檢測(cè)、預(yù)充電、充電終止和充電狀態(tài)監(jiān)視功能。以7.4V、2 400 mAh的電池為例，通過(guò)外部電路，設(shè)置輸入電流2 A，充電電壓為8.4 V，充電電流為800 mA，最高輸入電壓12 V，60 ℃溫度保護(hù)。在該設(shè)置下，電池充滿電大概需要3.5小時(shí)，由于BQ24171具備power path功能，因此設(shè)備能在充電時(shí)安全工作。

對(duì)于副電池，主要是維持關(guān)機(jī)時(shí)的電壓，只需要選擇容量較小的電池就行了，比如選擇3.7 V，300 mAh的鋰離子電池，并設(shè)置電池電壓小于3.9 V時(shí)自動(dòng)充電，充電電流設(shè)置為80 mA。框圖如圖3所示。圖中U1為充電控制芯片（以國(guó)產(chǎn)TP4056為例），U2為比較器（以LM331為例），VREF為參考電壓，設(shè)置為3 V，并接入比較器的負(fù)端，根據(jù)R3/R3+R5=3/3.9，選取R3=300 kΩ，R5=1 MΩ。為方便起見(jiàn)，接入比較器正端的電壓記為V+，接入比較器負(fù)端的電壓記為V-。當(dāng)電池電壓大于3.9 V時(shí)，V+>V-，比較器輸出高阻態(tài)，Q1截止，副電池停止充電，當(dāng)電池電壓小于3.9 V時(shí)，V+

4 結(jié) 語(yǔ)

測(cè)試條件：操作系統(tǒng)WIN CE 6.0，硬件平臺(tái)AM3715，海康科技Impinj R2000模塊，E47標(biāo)簽。傳統(tǒng)供電設(shè)計(jì)的手持設(shè)備采用3.7 V，4 600 mAh的電池。新型供電設(shè)計(jì)的手持設(shè)備采用7.4 V，2 300 mAh，兩者具有相當(dāng)?shù)哪芰棵芏取?/p>

參考文獻(xiàn)

[1][美]RAPPAPORT T S.無(wú)線通信原理與應(yīng)用[M].蔡濤，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

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