新型手持式物联网设备的供电设计

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。

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。

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。

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。