利用无线能量采集电路, 延长物联网设备的运行寿命
案例研究
利用无线能量采集电路, 延长物联网设备的运行寿命
许多物联网（IoT）设备旨在为人们带来更高效和互联的生活。人们希望大多数的设备可以运行数年而无需更新、充电和人手干预。有三种方法可以解决耗电量大的物联网设备的能量需求：
- 优化设备的功耗
- 加大设备的电池尺寸
- 持续为设备电池充电，以延长使用寿命
一个颇具前景的解决方案是将电磁（EM）辐射转换成电能，以延长物联网电池的使用寿命。从微波波段（2.45 GHz Wi-Fi 信号）采集辐射能量成为了解决电源问题的新方案。在欧洲，总部位于日内瓦的意法半导体公司与法国 ESEO 大学联合开发了“能量采集”电路，可将射频能量转换为直流电能。该设计的核心是利用天线和整流器协同捕获低电平能量。天线可以截获一些能量来产生电流，再由整流器将电流从交流电能转换为直流电能。然而，天线的低阻抗信号不足以驱动整流二极管的高阻抗要求。意法半导体公司和 ESEO 需要一种能够产生足够电压电平的设计，以实现对车载电池充电。
- 公司简介：意法半导体公司和法国 ESEO大学
- 挑战：
- 通过“能量采集”将射频能量转换为直流电能，以延长物联网设备的电池使用寿命
- 设计阻抗匹配电路，利用天线收集的直流电能为物联网设备的电池充电
- 设计人员需要对线性和非线性元器件执行并行建模
- 解决方案：
- 是德科技 ADS（先进设计系统）软件提供精确的线性和非线性协同仿真，实现更高效的设计
- 使用二极管封装模型减少寄生效应
- 结果：
- 实现设计目标：效率达到13%（-20 dBm 直流电阈值）
- 效率达到 68%（+20 dBm输入功率）
- 通过调整匹配电容器与 SMA连接器之间的距离，最大限度地减少回波损耗
挑战：匹配阻抗和改变电压
能量采集电路、天线和整流器设计中包含肖特基二极管、负载电阻、输入匹配电路和输出旁路电容。天线的阻抗等级通常只有几十欧姆，而用于整流的二极管则有数千欧姆的阻抗。需要实现很大的阻抗变换，而输入匹配电路的设计必须满足二极管的正向压降要求通常为 0.2 至 0.4 伏）。所有这些必须在一个电路中实现，电路中的天线通常采集小于微瓦的功率，并且系统中二极管的阻抗可以随输入电压的幅度而变化。
解决方案：利用协同仿真优化整流电路通过全面优化整流电路，电子设计自动化（EDA）工具可以帮助设计人员解决这些挑战。意法半导体公司和 ESEO 选择利用是德科技先进设计系统（ADS）及其协同仿真功能，精确设计和仿真其能量采集解决方案的整流电路。利用协同仿真，设计人员可以创建物理部件模型并将其添加到电路仿真中。在本案例中，设计人员使用先进设计系统（ADS）的协同仿真功能优化天线/整流器设计。ADSMomentum 3D 平面场解算器用于执行整流电路的无源建模和分析。
设计人员还使用先进设计系统（ADS）的谐波平衡电路解算器在频域中进行了电路仿真。与通用 SPICE（集成电路仿真程序）工具中的 AC 分析不同，谐波平衡考虑了二极管的非线性特性。开发人员为能量采集器建立了二极管封装模型，以了解并最大限度地减少电路中的寄生效应。这有利于意法半导体和 ESEO 很好地将仿真结果与测量结果建立关联。
成果：成功创建了能量采集系统
利用这些工具，设计团队成功创建了一个能量采集系统，将其周围环境中的 2.45-GHz无线信号转换为直流电能。除了设计和仿真优化整流器以外，该工具还有助于优化匹配电容器与 SMA（超小 A 型）连接器之间的物理距离（图 1，参见箭头“d”）。连接器与电容器的物理距离得到优化之后，可以进一步降低整流器的回波损耗。
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