新型手持式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的供電設(shè)計

引 言

無源超高頻 RFID（Radio Frequency Identification）是指工作于 840~960 MHz 的一種射頻識別技術(shù)。超高頻 RFID 由于具有識讀距離遠(yuǎn)，標(biāo)簽價格低廉等特點，獲得了越來越多的應(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、倉庫管理等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。超高頻 RFID 屬于無源RFID 范疇，標(biāo)簽?zāi)芰啃枰勺x寫設(shè)備來提供，理論表明，讀寫距離每增加一倍，發(fā)射功率需要增加 6 dB[1]。在遠(yuǎn)距離的運用場合，手持式RFID 設(shè)備的功耗很大，需要大容量電池來支撐設(shè)備的長時間工作[2]。

1 新型超高頻 RFID供電設(shè)計方案概述

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)計是重中之重。本方案設(shè)計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， 為了保證關(guān)機時的低功耗，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 RTC 用的備份電源。整個系統(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，電池的利用率只有 60% 左右。以?？悼萍嫉腢FH 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）計算得到。

BUCK 是開關(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)機時，只有副電池通過二極管給RTC 芯片供電，開關(guān)管 Q1 和BUCK2 是不工作的，因此，采用本方案的手持機設(shè)備可以做到很低的關(guān)機電流。系統(tǒng)在開機后，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，電池的利用率可以達(dá)到98% 以上，同時，由于RFID 模塊采用一級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)的運行時間，同時，系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性也大大提高。

3 系統(tǒng)充電電路設(shè)計

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 以上的盤點操作時，整個系統(tǒng)的功耗 可以達(dá)到 10 W 左右，即使是 7.4 V，2 400 mA 時的大容量 電池，也只能連續(xù)工作 2 ～ 2.5 小時，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 的獨立型鋰離子及鋰聚合物電池開關(guān)模式充電控制器，具有 兩個集成型 N 溝道功率 MOSFET。該器件提供了一個恒定頻 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、預(yù)充電、充電終止和充電狀態(tài)監(jiān)視功能。以 7.4 V、2 400 mAh 的電池為例，通過外部電路，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，由于 BQ24171 具備 power path 功能，因此設(shè)備 能在充電時安全工作。

對于副電池，主要是維持關(guān)機時的電壓，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 時自動充電，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，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，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，V+ ＜ V －，比較器輸出 低點平，Q1 導(dǎo)通，副電池開始充電，充電電流通過電阻 R2 進(jìn) 行設(shè)置。R4 和 C4 構(gòu)成低通濾波器，保證了副電池充電電路不 被誤觸發(fā)。

 4 結(jié) 語

測試條件 ：操作系統(tǒng) WIN CE 6.0，硬件平臺 AM3715， ?？悼萍?Impinj R2000 模塊，E47 標(biāo)簽。傳統(tǒng)供電設(shè)計的手 持設(shè)備采用 3.7 V，4 600 mAh 的電池。新型供電設(shè)計的手持 設(shè)備采用 7.4 V，2 300 mAh，兩者具有相當(dāng)?shù)哪芰棵芏取?

測試結(jié)果表明，新型供電設(shè)計的手持機可以大大提高整 機的連續(xù)工作時間。