新型手持式物聯網設備的供電設計

季瑞松　趙偉

摘 要：無源超高頻RFID設備功耗很大，特別是手持式超高頻RFID設備往往采用高容量電池甚至是雙電池設計方案，以滿足設備長時間穩定工作的需要。介紹一種主副電池協同工作的手持式設備供電方案，實驗證明，該方案的可靠性高，關機電流小，完全能滿足手持式超高頻RFID手持設備的供電需求。

關鍵詞：超高頻；RFID；功耗；手持設備

中圖分類號：TN911 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）04-00-02

0 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。超高頻RFID由于具有識讀距離遠，標簽價格低廉等特點，獲得了越來越多的應用。超高頻手持式RFID設備已經成為手持式物聯網設備的主流方向，已經在金融、畜牧業、酒類防偽、公共安全、倉庫管理等眾多領域得到了廣泛的應用。超高頻RFID屬于無源RFID范疇，標簽能量需要由讀寫設備來提供，理論表明，讀寫距離每增加一倍，發射功率需要增加6 dB[1]。在遠距離的運用場合，手持式RFID設備的功耗很大，需要大容量電池來支撐設備的長時間工作[2]。

1 新型超高頻RFID供電設計方案概述

手持式RFID設備為專用的設備，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，供電設計是重中之重。本方案設計了主副電池共用的供電結構，既保證了高工作效率，又保證了極低的關機電流。在本方案中，主電池需要采用雙節鋰離子電池串聯的方式。同時，為了保證關機時的低功耗，系統也需要單節鋰離子電池作為備份電源，以提供關機RTC用的備份電源。整個系統的供電方案如圖1所示。

2 供電方案分析

圖2是某典型的單節鋰離子電池的放電曲線。這里設置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到98%，在3.6 V時，電池的利用率只有60%左右。以海康科技的UFH 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，傳統的手持設備往往采用先升壓，再降壓的方式給RFID模塊供電[3]。假設升壓電路的效率為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是開關型的降壓電路，一般具有90%以上的轉換效率。本方案中，系統在關機時，只有副電池通過二極管給RTC芯片供電，開關管Q1和BUCK2是不工作的，因此，采用本方案的手持機設備可以做到很低的關機電流。系統在開機后，處理器控制BUCK2工作，Q1導通，二極管D1處于截至狀態，系統完全由主電池供電，RFID模塊通過BUCK1電路提供工作電源。

可以看到，傳統的供電方式雖然能使電池電量的利用率達到98%以上，但總體效率低下。在本文的方案中，采用雙節鋰離子電池串聯的方式，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，這大大增加了系統的運行時間，同時，系統運行的穩定性也大大提高。

3 系統充電電路設計

充電電路是設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，在系統進行發射功率為30 dB以上的盤點操作時，整個系統的功耗可以達到10 W左右，即使是7.4 V，2 400 mA時的大容量電池，也只能連續工作2～2.5小時，因此，能快速充電是UHF RFID手持設備必須具備的特征[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，能準確控制輸入電流、充電電流和設置最高充電電壓保護。這款芯片可嚴密地監視電池組的溫度并提供了電池檢測、預充電、充電終止和充電狀態監視功能。以7.4V、2 400 mAh的電池為例，通過外部電路，設置輸入電流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。在該設置下，電池充滿電大概需要3.5小時，由于BQ24171具備power path功能，因此設備能在充電時安全工作。

對于副電池，主要是維持關機時的電壓，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，并設置電池電壓小于3.9 V時自動充電，充電電流設置為80 mA。框圖如圖3所示。圖中U1為充電控制芯片（以國產TP4056為例），U2為比較器（以LM331為例），VREF為參考電壓，設置為3 V，并接入比較器的負端，根據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+，接入比較器負端的電壓記為V-。當電池電壓大于3.9 V時，V+>V-，比較器輸出高阻態，Q1截止，副電池停止充電，當電池電壓小于3.9 V時，V+

4 結 語

測試條件：操作系統WIN CE 6.0，硬件平臺AM3715，海康科技Impinj R2000模塊，E47標簽。傳統供電設計的手持設備采用3.7 V，4 600 mAh的電池。新型供電設計的手持設備采用7.4 V，2 300 mAh，兩者具有相當的能量密度。

參考文獻

[1][美]RAPPAPORT T S.無線通信原理與應用[M].蔡濤，譯.北京：電子工業出版社，2009.

[2]劉秉安，劉青.RFID手持機快速充電實現的設計[J].國外電子測量技術，2013（9）：59-61.

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[4]喬曉軍，羅惠謙，張馨，等.符合SMBus2.0協議單節智能鋰電池系統的設計[J].電子技術應用，2006（5）：99-101.

[5]李林海，郭書軍，張文東.便攜式超高頻射頻識別讀寫器設計[J].中國科技信息，2013（21）：92-96.

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