由于無線通信的普及，環(huán)境射頻能量的可用性為許多低功耗設(shè)計提供了越來越有吸引力的電源。射頻能量收集為許多應(yīng)用提供了顯著的優(yōu)勢，但它需要仔細關(guān)注關(guān)鍵部件，包括接收線圈和這種方法所需的功率調(diào)節(jié)電路。對于工程師而言，得益于各種制造商提供的可用元件和IC，包括Intersil，Linear Technology，ROHM Semiconductor，STMicroelectronics，Texas Instruments和Vishay Dale等，高效的RF能量采集設(shè)計變得更加簡單。

射頻能源比比皆是，并有望擴大，因為消費者和工業(yè)市場削減了電力線，并且更加依賴無線技術(shù)來實現(xiàn)從短距離到長距離的各種通信。除了無處不在的Wi-Fi信號源外，工程師還可以找到射頻能源，包括藍牙和ZigBee等短距離技術(shù)，以及蜂窩服務(wù)背后的各種遠程技術(shù)。

隨著可用性的增長，RF能量收集為系統(tǒng)設(shè)計本身帶來了多重好處。除了減少布線和布線要求外，由環(huán)境射頻能量驅(qū)動的設(shè)計可以完全密封并防止受到環(huán)境條件和危險材料的影響。減少維護要求不僅提供了自身的優(yōu)點，而且還允許工程師將系統(tǒng)放置在難以到達的位置或者遭受其他環(huán)境能源（例如光，溫度或振動）的可用性降低的位置。對于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，例如物聯(lián)網(wǎng)（IoT）中設(shè)想的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，工程師可以將RF能量采集與復(fù)雜的設(shè)備到設(shè)備通信結(jié)合起來，使用每個設(shè)備對RF源進行環(huán)境反向散射調(diào)制。

收獲能源至少需要幾個基本組件，包括能源傳感器，整流器，存儲和輸出穩(wěn)壓器（圖1）。對于RF能量收集，接收線圈用作能量源，響應(yīng)于與RF發(fā)射器的電磁耦合而產(chǎn)生電壓。與一般的能量收集一樣，RF能量收集的挑戰(zhàn)在于在給定的環(huán)境能量水平下使傳感器（這里是接收線圈）的輸出最大化。

圖1：能量采集器電路通常對由傳感器收集的環(huán)境能量的電壓輸出進行整流。大多數(shù)應(yīng)用需要一種方法來存儲產(chǎn)生的能量并調(diào)節(jié)輸出到負載的電壓輸出（由Linear Technology提供）。

通過RF能量收集，工程師在確保最大能量輸出方面面臨著獨特的挑戰(zhàn)。從根本上講，工程師必須應(yīng)對微弱的環(huán)境射頻源。盡管RF能量的形式滲透到大多數(shù)封閉區(qū)域，但它們的水平通常低于工程師預(yù)期的替代環(huán)境源（圖2）。

圖2：雖然越來越普遍，但Wi-Fi和蜂窩GSM等環(huán)境射頻源通常比其他來源的效率更高，但通常會導(dǎo)致收集功率降低（德州儀器公司提供）。

射頻發(fā)射器通信通常受限于它們可以輻射的功率量。此外，對于給定的無線電源，接收天線的功率隨著距離的變化而下降，如Friis傳輸方程所預(yù)測的那樣：

在此環(huán)境中接收天線的設(shè)計在最大化能量收集效率方面起著關(guān)鍵作用。雖然接收天線可以蝕刻到印刷電路板上，但工程師可以找到專門為此任務(wù)設(shè)計的可用接收線圈組件。與同類產(chǎn)品中的許多此類設(shè)備一樣，Vishay Dale 48 mm x 32 mm IWAS-3827EC-50接收線圈（圖3）具有低直流電阻（200mΩ）和電感（9.7μH）。這些接收線圈針對無線電源應(yīng)用進行了優(yōu)化，通常具有高磁導(dǎo)率屏蔽，可用于阻止來自其他電路元件的充電通量。

圖3：接收線圈，如Vishay Dale IWAS-3827EC-50，針對無線電源應(yīng)用進行了優(yōu)化，并采用屏蔽功能來保護相鄰的電子設(shè)備（由Vishay Dale提供）。

產(chǎn)生最大電壓通過線圈，工程師通常會并聯(lián)一個電容器，以形成一個調(diào)諧到最高功率RF信號頻率的諧振電路。經(jīng)過適當(dāng)調(diào)整并與負載匹配，該諧振電路的輸出將代表最佳射頻源的最佳可能輸出。

使用射頻能量為應(yīng)用電路供電通常需要一個功率級來驅(qū)動負載或者為諸如超級電容器或薄膜電池的能量存儲裝置充電。過去，希望實施RF能量收集的工程師需要設(shè)計一個定制功率級，其中至少包括一個整流器，如ROHM Semiconductor FMN1或ROHM FMP1等等。此外，功率級通常需要在負載使用之前使用DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器（例如Intersil ISL9111或Linear Technology LTC3429）來提升整流電壓輸出，或者為存儲設(shè)備充電。

在輸入端，M24LR16E-R提供兩個引腳用于接收RF輸入線圈。除了支持輸出端的NFC/RFID應(yīng)用功能外，該器件還提供專用的Vout模擬引腳。當(dāng)以編程方式設(shè)置為能量收集模式時，設(shè)備使用Vout輸出設(shè)備從RF場捕獲的多余能量。上電Vout僅限于確保M24LR16E-R具有足夠的內(nèi)部功率，但這種剩余功率足以驅(qū)動各種低功率應(yīng)用電路。工程師可以使用ST的ROBOT-M24LR16E-A評估板探索器件的能量收集模式，該評估板包括蝕刻感應(yīng)天線，M24LR16E-R IC，PC連接器和相關(guān)組件。

對無線電源的興趣增加無線充電應(yīng)用也推動了IC的出現(xiàn)，能夠滿足更普通的RF能量收集的需求。德州儀器（TI）BQ51221旨在支持無線電源協(xié)議，但具有更通用的RF能量收集設(shè)計所需的全功率調(diào)節(jié)路徑（圖4）。該IC集成效率為79％，集成了效率為96％的同步整流器和效率為97％的穩(wěn)壓器。

圖4：德克薩斯州儀器BQ51221無線電源接收器提供更通用的RF能量收集應(yīng)用所需的電源調(diào)節(jié)功能（德州儀器公司提供）。

結(jié)論

移動系統(tǒng)和無線技術(shù)快速增長智能傳感器繼續(xù)推動所有形式的無線通信的爆炸性增長，從而導(dǎo)致環(huán)境射頻能量的近乎普遍的可用性。對于工程師而言，射頻能量收集為提供低功耗設(shè)計提供了越來越有利的選擇，例如無線傳感器和為物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的其他設(shè)備。使用可用組件，工程師可以輕松構(gòu)建能夠收集RF能量的電路;但無線電源IC的日益普及為任何低功耗設(shè)計中的射頻能量收集提供了現(xiàn)成的解決方案。