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[导读]摘 要:无源超高频RFID设备功耗很大,特别是手持式超高频RFID设备往往采用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工作的需要。介绍一种主副电池协同工作的手持式设备供电方案,实验证明,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。

引 言

无源超高频 RFID(Radio Frequency Identification)是指工作于 840~960 MHz 的一种射频识别技术。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、公共安全、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,理论表明,读写距离每增加一倍,发射功率需要增加 6 dB[1]。在远距离的运用场合,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工作[2]。

1 新型超高频 RFID供电设计方案概述

手持式 RFID 设备为专用的设备,除超高频 RFID 本身外,还可以配备高性能条形码模块、WiFi/BT 模块,GPS 模块,以及 2G/3G 通讯模块,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性能,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,既保证了高工作效率,又保证了极低的关机电流。在本方案中,主电池需要采用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,电池的利用率可以达到 98%,在 3.6 V 时,电池的利用率只有 60% 左右。以海康科技的UFH RFID 模块为例,通常UHF RFID 模块正常工作的电压范围是 3.8 ~ 5 V, 为了提高电池的利用率,传统的手持设备往往采用先升压, 再降压的方式给RFID 模块供电 [3]。假设升压电路的效率为85%,降压电压的效率是 90%,那么总效率非常低,具体可以按式(1)计算得到。

新型手持式物联网设备的供电设计

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,只有副电池通过二极管给RTC 芯片供电,开关管 Q1 和BUCK2 是不工作的,因此,采用本方案的手持机设备可以做到很低的关机电流。系统在开机后,处理器控制BUCK2 工作,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 电路提供工作电源。

可以看到,传统的供电方式虽然能使电池电量的利用率达到 98% 以上,但总体效率低下。在本文的方案中,采用双节锂离子电池串联的方式,采用同样类型的电池,在 0.5C 放电条件下,电池电压在 6.4 V 左右时,电池的利用率可以达到98% 以上,同时,由于RFID 模块采用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部分之一。UHF RFID 的功耗非常大,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 可以达到 10 W 左右,即使是 7.4 V,2 400 mA 时的大容量 电池,也只能连续工作 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]。本方案中采用了 TI 的 BQ24171 作为主电池充电控制芯片,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控制器,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 控制器,能准确控制输入电流、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 7.4 V、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 能在充电时安全工作。

新型手持式物联网设备的供电设计


对于副电池,主要是维持关机时的电压,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 为充电控制芯片(以国产 TP4056 为例),U2 为比较器(以 LM331为例),VREF 为参考电压, 设置为 3 V,并接入比较器的负端,根据 R3/R3+R5=3/3.9,选 取 R3=300 kΩ,R5=1 MΩ。为方便起见,接入比较器正端的电 压记为 V+,接入比较器负端的电压记为 V -。当电池电压大 于 3.9 V 时,V+>V -,比较器输出高阻态,Q1 截止,副电池 停止充电,当电池电压小于 3.9 V 时,V+ < V -,比较器输出 低点平,Q1 导通,副电池开始充电,充电电流通过电阻 R2 进 行设置。R4 和 C4 构成低通滤波器,保证了副电池充电电路不 被误触发。

 4 结 语

测试条件 :操作系统 WIN CE 6.0,硬件平台 AM3715, 海康科技 Impinj R2000 模块,E47 标签。传统供电设计的手 持设备采用 3.7 V,4 600 mAh 的电池。新型供电设计的手持 设备采用 7.4 V,2 300 mAh,两者具有相当的能量密度。

新型手持式物联网设备的供电设计

测试结果表明,新型供电设计的手持机可以大大提高整 机的连续工作时间。




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