RF能量採集為醫療應用實現無線供電

作者 : Maurizio Di Paolo Emilio,Power Electronics News & EEWeb主編

射頻(RF)能量採集系統有助於限制電池的使用,以及為整體應用市場帶來優勢並因而提高安全性...

無線裝置在我們的日常生活中有著舉足輕重的作用:只要想想智慧型手機、電腦以及我們對持續供電或電池更長續航力的依賴有多麼頻繁就知道了。射頻(RF)能量採集系統有助於限制電池的使用,以及為整體應用市場帶來優勢並因而提高安全性。預計在2020年至2025年間,全球能量採集應用市場將大幅成長22%。

市場的成長可能與許多因素有關,但主要的驅動力道來自於人工智慧(AI)。雖然目前人工智慧演算法十分強大,但也需要越來越多的資料才能發揮最大效益。而這正是無線電源興起的原因。無線電源已被證實可靠且高效,可饋入AI以協助做出更好的決定。

在日前接受本刊採訪時,美國無線電源新創公司Powercast執行長Charlie Goetz認為,物聯網(IoT)、智慧駕駛輔助系統(ADAS)與智慧城市(Smart City)是與人工智慧相關的三大領域,可望從無線電源的實施與採用中獲取最大效益。

RF有其可用性,且隨時隨地都非常容易取得,不至於受到時間、地理限制或天氣條件的影響。一般情況下,RF頻率範圍從3kHz到300GHz。業界的構想在於採集這些RF的能量來源,並將其儲存起來,供某些特定應用或場景中使用。RF能量採集為許多應用提供顯著的好處,但需要仔細注意其關鍵元件,包括實現這種方法所需要的接收天線與功率調節電路。

無線電源

任何需要感測資訊以進行預防性維護和關鍵性停工的工業環境都能從無線供電受益。例如,在一處製造設施中可能有某些難以進入或危險的區域。正因為如此,某些感測器(其電池)無法更換。在此情況下,透過無線電源充電的感測器可以達到一勞永逸的效果(表示您不需要更換感測器的電池)。這反過來又能不間斷地將資訊饋入AI中。

自動駕駛車也大幅得利於無線電源。如同現今,自動駕駛車將聲納、雷達與形狀辨識結合於其駕駛環境。為了讓自動駕駛領域變得更安全且可靠,需要透過環境中的感測器來感測環境,並與周圍的道路進行通訊:路燈柱、黃色的道路標線等。更重要的是,透過無線供電的感測器,汽車可以在環境中進行通訊功能,而不會撞到連接線,從而使其更加安全與可靠。

更進一步來看,實現智慧城市不再是充斥著電池與電線,而是AI與無線電源。為了讓智慧城市能夠與環境通訊連接,需要實施無線供電與充電。

能量採集

RF是一種豐富的能量採集來源,但它還需要靠近發射天線。透過RF取得能量的概念並不是新話題,其過程也相對簡單。RF電波經由天線接收,並引起電位差,使電荷載流子沿著天線的長度移動,以達到電場平衡。能量採集電路能擷取動能,接著,能量被暫時儲存在電容器中,然後用於在負載上產生理想的電位差。

RF充電技術採用了許多技術——包括Qi、PMA/AirFuel Alliance與WPC等,每一種技術都有不同的充電方法與最大充電距離。透過路由器與手機可以創造出具有潛在能量的空間區域,這些能量隨時間與距離也有所不同。而存在電位差之處,總會有辦法獲取電力。

用於通訊的RF發射器一般在其放射功率方面受到限制。此外,對於一個特定的無線波源,接收天線上的功率會隨著距離的增加而降低,如弗里斯傳輸方程式(Friis transmission equation)所示: Friis transmission equation

其中
PT = 發射功率
PR = 接收功率
GT = 發射器天線增益
GR = 接收器天線增益
λ = 波長
d = 發射器和接收器之間的距離

接收天線的設計在提高能量採集效率方面扮演重要角色。接收天線可以蝕刻在印刷電路板(PCB)上或設計為接收線圈元件。Powercast's patch antenna (900 MHz) included in the P2110 evaluation kit.

1Powercast P2110能量採集開發套件中包括915MHz貼片天線。

Powercast技術

2021年初,Powercast宣佈,由於其新款無線供電RFID溫度掃描系統支援COVID-19監控協議,讓企業輕鬆安全地監測員工體溫,獲得美國商業智慧集團(Business Intelligence Group)頒發2021年BIG卓越創新獎(BIG Innovation Awards 2021)。

該溫度掃描系統由溫度感測器、RFID讀取器以及電視監示器所組成。該裝置使用Powercast專利研發的能量採集技術,透無線技術可在靠近公司門口的RFID讀取器時迅速充電。員工使用溫度感應掃描他們的額頭,以讀取其體溫,並根據讀取數據允許或禁止進入,讀取數據也會自動顯示在監示器上。

Goetz說:「天線的設計非常重要,它的作用是調諧至特定的頻率——在我們案例中的頻率是915Mhz。在處理RF時,末端所需處理的是非常小的功率,即使在相對較近的範圍內。在此所要處理的是10或可能是低於數百毫瓦(mW)的功率。因此,對於能量採集與轉換之後的管理極為重要。天線和能量管理必須能相互協調,才能實現合適的使用者體驗,真正地提供實際的解決方案。」P2110-EVAL-02 Evaluation Kit

2P2110-EVAL-02能量採集開發套件

接收天線的阻抗為50Ω,必須與裝置其他部份的輸入阻抗相匹配。然後,在天線附近所採集的電壓必須被帶到可以轉換為直流(DC)的電壓之處。這可以用電荷泵來完成,其功能在於增加電壓,但顯然無法增加總功率。Powercast提供了一款能量採集評估開發套件,有助於開發人員深入掌握這項技術的更多可能性。P2110-EVAL-02包括RF接收器、發射器、天線以及採集發射功率的充電板。

隨著RF的可用性持續增加,基於RF的能量採集不僅有利於佈線要求,而且還能保護系統免於受到環境條件與危險材料的影響。對於網狀網路,工程師可以結合RF能量採集與複雜的裝置間通訊,以實現更多元化的應用。

(參考原文:Wireless Power with RF Energy Harvesting for Medical Applications,by Maurizio Di Paolo Emilio)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年9月號雜誌

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