射频感应充电评估套件用于传感器和无线网络

自从特斯拉在1901年试图在大西洋上传输电力以来，无线电力传输已经走过了漫长的道路。今天你可以把你的手机扔到‘充电垫’上并无线充电。特斯拉会感到失望的是，这只能在几厘米而不是几千英里的范围内工作。但是，与他的权力塔不同，它起作用，而且效果很好。

乍一看，感应充电似乎是消除电线的浪费方式。但是，通过电感耦合谐振系统实现超过90％的效率，感应充电已经在商业，工业甚至汽车应用中得到广泛接受。 Cymbet的CBC-EVAL-11射频感应充电评估套件（见图1）演示了如何轻松地将这种能源用于RFID，传感器和无线网络应用。本文将介绍该套件并评估其操作。

图1：EnerChip CC射频感应充电评估套件。

Cymbet套件包括一个工作频率为13.56 MHz的感应式无线发射器板和一个为薄膜蓄电池充电的感应式无线接收器模块。两块板都包括大型印刷平面电感器以及形成谐振回路电路的可变电容器。发射器板由USB供电，而接收器板包含EnerChip™CBC3150 3.3 V/50μA薄膜电池，集成电源管理。

Cymbet的充电系统依赖于RF场的磁性成分来耦合能量，因此耦合任何大量功率必然是近场现象。 Cymbet的系统不是将两个线圈紧密耦合在铁或铁氧体磁芯上，而是将两个线圈分开，这两个线圈是并联调谐电路的一部分。能量传递的效率高度依赖于线圈的设计，并且也与它们之间的距离的平方成反比。由于这些变量在实践中难以量化，因此Cymbet没有说明能量转移的效率因素，尽管像这样的紧耦合调谐槽电路在短距离内非常有效。

Cymbet的发射器板非常简单，但它的接收器非常有趣（见图2）。储能电路的输出馈入全波整流器，其输出通过德州仪器（TI）的TPS780330220 LDO稳压器，成为CBC3150的VIN。当VIN大于3.0 V时，CBC3150将采集的功率直接路由至能量收集连接器J3（引脚5）。此时，CBC3150的RESET线（引脚8）变为高电平;接收器的LED亮;并且能量收集连接器上的CHARGE指示灯变低。 CBC3150中的EnerChip薄膜电池现在开始充电;只要VIN保持在3.0 V以上，它就可以在30分钟内从完全耗尽状态转变为完全充电的80％.CBC3150（VOUT）的输出通过1，000μF电容滤波，以便能够处理高脉冲例如，连接的无线设备可以发送数据突发的电流。

图2：CBC-EVAL-11接收板的示意图（图片提供） Cymbet的）。

一旦接收器板从发射器的磁场中移除，VIN立即降至3.0 V以下; RESET线变低; LED熄灭;充电指示灯变为高电平;并且CBC3150接管为连接到J3的任何设备供电。请注意，虽然CBC3150负责为其内部电池充电，但在输出端，安森美半导体MAX810TTRG复位监视器可防止快速瞬态毛刺。

CBC3150（见图3）包含EnerChip薄膜电池（VBAT，引脚1）以及电荷泵和充电控制电路（VCHG，引脚4）。当电压降至低于J3负载所需的电平时，VIN的电压将施加于电荷泵。

图3：EnerChip CC CBC3150内部框图（由Cymbet提供）。

在这种情况下，VMODE与地面相连。低电平时，ENABLE引脚关闭电荷泵。 VOUT由VIN或EnerChip电池供电。 RESET是一种数字输出（而不是输入），当VOUT由VIN供电时变为高电平，而在电池供电时为低电平。

J3和J4都使连接的设备能够对其能量收集电源进行一定程度的控制。当BATOFF线路变为高电平时，CBC3150上的ENABLE引脚变为低电平，当电池充满电时，禁用EnerChip电池的充电电路。这延长了电池的寿命，因为它的自放电率非常低。没有必要在不使用时保持充值。

前面提到的CHARGE线路也连接到两个插孔，并向连接的设备指示RESET线路的状态。在德州仪器（TI）EZ430-2500T目标板上 - 可以插入J3的无线设备之一 - 引脚1和6是通用数字I/O引脚，分别在UART模式下发送和接收数据，或者可以充当从设备中的从设备。在SPI模式下/主机输出（引脚1）或从机输出/主机输入（引脚6）。

薄膜电池在能量收集应用方面具有许多优势，但它们也有一些局限性。 CBC3150中的EnerChip电池每年的自放电率仅为1.5％，并且可以在不到20分钟内从10％的充电状态充电5000次以上;如果有足够的环境能源，EnerChip电池理论上可以在超低功耗设计中无限期使用。最后，EnerChip薄膜电池具有相对平坦的放电曲线，类似于纽扣电池，减少了电池供电的MCU控制设备中对外部电荷泵的需求。

另一方面，CBC3150包含一个非常小的电池，因此10到30 mA范围内的无线传感器脉冲电流可能会出现问题。如果这些脉冲很短 - 在5到50毫秒范围内 - 如果允许一分钟左右再充电，则1000μF电容可以处理浪涌;但是，长时间的高放电率会损坏电池。如果您打算以感应方式充电并考虑如何以及经常影响该充电，您需要查看总体功率预算。

使用Cymbet套件，在接收器板上为CBC3150充电和充电非常简单（见图4）。我插入发射器板并将接收器板放在其充电区域的顶部 - 通过印刷在电路板底部的大型平面天线。当两块板相距约8毫米时，接收板上的LED开始闪烁。此时，TP1上的电压（见图2）测量为3.0 V.当接收器板直接位于发射器板顶部时，LED保持接通且电压接通，TP1测量约为4.5 V，尽管这略有不同，具体取决于我放置了接收器板。有趣的是，当接收器板长达12厘米时，TP1上的电压开始增加，但不足以启动充电。

图4：对CBC3150进行感应充电。

看了供应方面，我很好奇电路板能够处理负载。 Cymbet规定CBC3150在50μAh时具有相对恒定的输出电压，直到它从悬崖上掉下来（见图5）。为了检查这一点，我使用图6所示的复杂测试设置在VOUT和地之间（J4的引脚5和6）之间连接了一个可变电阻，以连接电流表和DVM。我调整了50μA的负载并开始了我的业务。 CBC3150在完全出院前确实保持了将近一个小时。

图5：CBC3150放电曲线（由Cymbet提供）。

再次将电路板充电20分钟，我慢慢增加负载，直到保护电路切断。据报道，当电流脉冲足够短以至于大输出电容可以处理它时，电压没有自动恢复 - 例如，ZigBee发射突发。然而，当将发射器板移回接收器下方时，一旦LED亮起 - 表明RESET线路已经变高 - VOUT再次向上射击，表明电池仍然有足够的寿命。

图6：测量CBC3150在负载下的性能。

结论

Cymbet CBC3150集成了EnerChip薄膜电池，为无线传感器节点等超低功耗应用提供了非常强大的电源。实际上，图2所示的电路与其他能量清除源的工作方式相同，可以实现不依赖于一个环境电源的设计。如果您的目标应用是可以利用RF感应充电的应用，Cymbet的方法值得认真考虑。