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[導(dǎo)讀]摘 要:無源超高頻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)計方案, 以滿足設(shè)備長時間穩(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,實驗證明,該方案的可靠性高,關(guān)機電流小,完全能滿足手持式超高頻RFID手持設(shè)備的供電需求。

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。

新型手持式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的供電設(shè)計

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。

新型手持式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的供電設(shè)計


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?

新型手持式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的供電設(shè)計

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。




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