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新型手持式物联网设备的供电设计

发布时间:2018-12-28 01:06:07 文章来源:未来智讯    
    新型手持式物联网设备的供电设计作者:未知   摘 要:无源超高频RFID设备功耗很大,特别是手持式超高频RFID设备往往选取高容量电池甚至是双电池设计方案,以满足设备长时间稳定事务的需要。介绍一种主副电池协同事务的手持式设备供电方案,实验表明,该方案的可靠性高,关机电流小,完全能满足手持式超高频RFID手持设备的供电需求。
  关键词:超高频;RFID;功耗;手持设备
  中图分类号:TN911 文献标识码:A 文章编号:2095-1302(2015)04-00-02
  0 引 言
  无源超高频RFID(Radio Frequency Identification)是指事务于840~960 MHz的一种射频识别技能。超高频RFID由于具有识读距离远,标签价格低廉等特点,获得了越来越多的应用。超高频手持式RFID设备已经成为手持式物联网设备的主流方向,已经在金融、畜牧业、酒类防伪、公共平安、仓库管理等众多领域得到了广泛的应用。超高频RFID属于无源RFID范畴,标签能量需要由读写设备来提供,理论证明,读写距离每增加一倍,发射功率需要增加6 dB[1]。在远距离的运用局面,手持式RFID设备的功耗很大,需要大容量电池来支撑设备的长时间事务[2]。
  1 新型超高频RFID供电设计方案概括
  手持式RFID设备为专用的设备,除超高频RFID本身外,还能够配备高本能条形码模块、WiFi/BT模块,GPS模块,以及2G/3G通信模块,这些工业级模块往往有很高的供电要求,为了保证这些模块在电池电压跌落后仍保持出色的本能,供电设计是重中之重。本方案设计了主副电池共用的供电结构,既保证了高事务效率,又保证了极低的关机电流。在本方案中,主电池需要选取双节锂离子电池串联的方式。同时,为了保证关机时的低功耗,系统也需要单节锂离子电池作为备份电源,以提供关机RTC用的备份电源。整个系统的供电方案如图1所示。
  2 供电方案分析
  图2是某典型的单节锂离子电池的放电曲线。这里设置BUCK1输出电压为3.8 V。
  从曲线上我们看到,在0.5C放电条件下,如果电池电压在3.2 V左右,电池的利用率能够达到98%,在3.6 V时,电池的利用率惟有60%左右。以海康科技的UFH RFID模块为例,常常UHF RFID模块正常事务的电压范围是3.8~5 V,为了提高电池的利用率,传统的手持设备往往选取先升压,再降压的方式给RFID模块供电[3]。假如升压电路的效率为85%,降压电压的效率是90%,那么总效率相当低,具体能够按式(1)计算得到。
  BUCK是开关型的降压电路,一般具有90%以上的转换效率。本方案中,系统在关机时,惟有副电池通过二极管给RTC芯片供电,开关管Q1和BUCK2是不事务的,因此,选取本方案的手持机设备能够做到很低的关机电流。系统在开机后,处理器抑制BUCK2事务,Q1导通,二极管D1处于截至状态,系统完全由主电池供电,RFID模块通过BUCK1电路提供事务电源。
  能够看到,传统的供电方式虽然能使电池电量的利用率达到98%以上,但整体效率低下。在本文的方案中,选取双节锂离子电池串联的方式,选取同样类型的电池,在0.5C放电条件下,电池电压在6.4 V左右时,电池的利用率能够达到98%以上,同时,由于RFID模块选取一级降压的方式获得所需要的电压,效率在90%以上,这大大增加了系统的运行时间,同时,系统运行的稳定性也大大提高。
  3 系统充电电路设计
  充电电路是设备供电的重要组成局部之一。UHF RFID的功耗相当大,以Impinj公司的R2000模块为例,在系统进行发射功率为30 dB以上的盘点操作时,整个系统的功耗能够达到10 W左右,即使是7.4 V,2 400 mA时的大容量电池,也只可连续事务2~2.5小时,因此,能快速充电是UHF RFID手持设备必须具备的特征[4]。本方案中选取了TI的BQ24171作为主电池充电抑制芯片,该充电芯片是高度集成的独立型锂离子及锂聚合物电池开关模式充电抑制器,具有两个集成型 N 沟道功率 MOSFET。该器件提供了一个恒定频率同步 PWM 抑制器,能正确抑制输入电流、充电电流和设置最高充电电压保护。这款芯片可严密地监视电池组的温度并提供了电池检测、预充电、充电终止和充电状态监视功能。以7.4V、2 400 mAh的电池为例,通过外部电路,设置输入电流2 A,充电电压为8.4 V,充电电流为800 mA,最高输入电压12 V,60 ℃温度保护。在该设置下,电池充满电大概需要3.5小时,由于BQ24171具备power path功能,因此设备能在充电时平安事务。
  对于副电池,主要是坚持关机时的电压,只需要选择容量较小的电池就行了,比如选择3.7 V,300 mAh的锂离子电池,并设置电池电压小于3.9 V时自动充电,充电电流设置为80 mA。框图如图3所示。图中U1为充电抑制芯片(以国产TP4056为例),U2为对照器(以LM331为例),VREF为参考电压,设置为3 V,并接入对照器的负端,根据R3/R3+R5=3/3.9,采用R3=300 kΩ,R5=1 MΩ。为方便起见,接入对照器正端的电压记为V+,接入对照器负端的电压记为V-。当电池电压大于3.9 V时,V+>V-,对照器输出高阻态,Q1截止,副电池中断充电,当电池电压小于3.9 V时,V+
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