基于射频无线电力传输供电的无电池资产跟踪模块的先进监控系统

3.系统设计

本文的主要研究目的是如何将基础设施成本降至最低，基础设施成本与读取器的安装数量直接相关。图4 表明，完成初始启动所需读取器的数量NoR 与两个参数相关：一个是电压V_stor 可以达到的最大值Vh，另一个是标签每次跨越读取器间距Dx 后电压增量DV_stor，如下面的公式所示：     (1)

V_stor 的增量电压DVstor 与RF-DC 转换器输出的平均电流Iavg 以及标签跨过读取器间距Dx 所用时间Dt 相关，如以下公式所示：   (2)

其中C_storage 是储电电容。在资产运输系统中，物体的移动速度v 保持恒定。因此，可以假定：   (3)

根据公式(3), 公式(2)可以改写为:   (4)

最后，公式(1)可以改写为:   (5)

实际上，公式(5)在对系统性能有影响的基本参数之间建立起一个有用的关系，为设计系统重要参数提供了有价值的见解，能够帮助设计人员选择最佳的系统架构，获得最佳的性能。该公式表明，在储电电容C_storage、电压V_stor 的最大值V_h 和标签速度v 给定时，通过最大化I_avg 和Dx 的乘积可以实现最佳性能。参数I_avg 和Dx 都与RF-DC 转换器的设计和架构有关。实际上，I_avg 是RF-DC 转换器输出的平均电流，电流值与PCE 性能有关，因此，若发射功率已定，则PCE 越高， Iavg 电流值就越大。Dx 取决于RF-DC 转换器的灵敏度性能，因此，灵敏度性能越高，读取器间距就越大。为了减少读取器数量，必须将灵敏度和PCE 双双提高。资产跟踪系统中的无线电力传输需要处理千差万别的功率状况。事实上，根据读取器与标签的间距、天线方向、发射通道数量，输入功率在从极低到较高的范围内变化，更严重的是，可用输入功率大小可能是随机变化的。在本文提出的系统中，资产标签在经过读取器时需要处理输入功率的巨大变化。当位于读取器扫描范围的最远端时，标签接收到能量很小；随着标签逐渐接近读取器，收到的能量越来越高。标准RF-DC转换器体系结构仅优化标签距离读取器相对较远时的接收灵敏度，不适用本文提出的系统。同理，仅优化标签在某一特定输入功率时的PCE 性能，尽管当标签靠近读取器时效果良好，但也不胜任本文提出的系统。当然，在静态工作条件下，读取器和标签之间的距离是固定并已知的，这些解决方案可能效果理想，但在动态工作条件下则差强人意。不幸的是，对于典型的RF-DC 电路架构，很难同时优化灵敏度和PCE 性能，因为这两个参数往往是相互对立的。因此，动态系统需要具有利用MPPT 技术在较大范围内动态跟踪可用能量的能力^[73-78]。所有的MPPT 技术都有一个共同的要求，就是测量输入功率。然而，这在超低功率环境中并不是一项简单的事情，因为这个功能不可避免地会消耗更多的电能，并有可能进一步降低系统的PCE 效率，这也是为什么在被收集能量非常低的情况下，通常很难确定MPPT 电路是否有使用价值的原因。关于这一专题，参考文献^[79]提出了一种创新技术，介绍了如何通过监测复制和空载的通用能量采集器(RF-DC 转换器)的输出DC 开路电压，有效、动态地跟踪标签接收到的输入功率。CMOS RF-DC 转换器的典型结构是一系列级联倍压器，即经典的两级Dickson 电荷泵^[80]。达到系统要求的灵敏度功率值必需使用多级电荷泵。此外，在给定输入功率值Pin 时，电路PCE 性能通常是最大值，Pin 取值非常接近或在大多数情况下就是灵敏度功率值。系统使输出DC 电压保持固定，通常使用最大允许电压。但是，如果输出DC 电压恒定，并且级数NoS 保持不变，则随着输入功率变高，电路不再是最理想状态，能效将会降低。如图5 所示，这是一个基于6 级RF-DC 转换器的系统，射频功率分为三个等级：P1 = 18 dBm（灵敏度功率值），P2 = 12 dBm 和P3 = 6 dBm。

因此，如图6 所示，为了保持最高的灵敏度性能，同时恢复和优化PCE 性能，必需根据已知输入功率Pin 改变转换器的级数NoS。此外，图6 还给出了一个三级RF-DC 转换器的三种不同设置，即N1 = 6，N2 = 4 和N3 =2。当级数最高时，N_oS = N1 = 6，PCE 数值在最低输入功率P_in= P1 = 18 dBm 时最大。如果功率增加到P_in = P2 = 12 dBm，通过将级数减少到N_oS = N2 = 4，可以实现最大PCE。当输入功率进一步增加到P_in = P3 = 6 dBm 时，要想获得最高PCE，级数必须减到N_oS = N3 = 2。

图5. 静态RF-DC 转换器的功率转换效率(PCE) 与DC 输出电压关系

图6. 动态RF-DC 转换器的功率转换效率(PCE) 与DC 输出电压关系.

在本文提出的系统中，按照本文提出的设计建议，RF-DC 转换器采用868 MHz 频率。有限状态机（FSM）电路发出数字信号NoS，用于确定RF-DC 转换器的最佳级数，如图1 所示。超低功耗管理单元通过开路电压Voc 信号测量输入接收功率。这些功能使系统在灵敏度和PCE 性能之间找到最佳平衡点。图7 是RF-DC 转换器的输入功率关系。

图7. 在868 MHz 时PCE 与输入功率的关系.