最佳化可調式射頻能量擷取與低功耗穩壓電路設計

Design of efficiency-optimized COMS RF energy harvesting circuit with low power consumption regulator

陳界志(Chieh-Chih Chen)

指導教授 ： 施鴻源

淡江大學/工學院/電機工程學系碩士班/碩士(2019年)

https://doi.org/10.6846/TKU.2019.00262

摘要

在前幾世紀，人們發現了電，並使用電發展了許多工具，間接造成而後的工業革命，人們逐漸以機器取代人力與獸力，以大規模的工廠取代手工生產，進而發展出現代的科技革命。到了現今社會，拜著科技革命之賜，眾多的電子產品充斥在我們周圍，有些電子產品使用了RFID技術，為了使我們可以更便利於生活上，有些工廠，靠著自動化的設備，能夠日以繼夜的不停地生產，再者，我們身旁也有許多生理訊號的監控系統與環境的感測器，能夠隨時提醒我們，自己的身體狀況，與外環境是否適合我們外出；在這些便利的系統與設備中，都有一個最為重要的課題，就是都必須供電方能達成其儀器所要完成之目的與工作。
現今生活中的任何電子設備與作為輔助的監控系統，都需要透過外部連接電源，或是以一次性與可充式的電池作為供電，使用外部電源做為供電的電子設備會被電源的距離所侷限，不適合拿來做為我們隨身電子設備的電源供應方式，因此我們使用電池做為隨身電子設備的最主要供電電源，可充式電池雖然有利於裝置隨時移動，但仍然由一大問題是必須經常更換電池，以保持電子裝置持續運行，且電池在不停的充放電過程中，也會逐漸地降低電池的壽命，因而我們提出一個電路架構，使用無線充電的方式，對必須經常更換電池的行動設備進行無線充電，解決其因電池電量所造成的種種問題。
在無線能量傳輸技術中，主要分成三大類，電磁感應、磁場共振、無線射頻。一、電磁感應:使用電磁感應為目前最常見也最為廣泛的無線能量傳輸技術，藉由透過發射端與接收端的線圈交互感應，變化其磁通量產生感應電動勢形成感應電流，進而實現無線能量傳輸的技術。在應用上而言，即是使用法拉第的電磁感應定律，利用供電端的線圈進行供電，供電端的線圈會產生磁力，而接收端的線圈則會接收磁力形成電動勢產生感應電流對電池進行無線充電。二、磁場共振:磁場共振是使用特定頻率來進行無線能量傳輸的技術。在磁場共振中，將發射端與接收端達到特定頻率，使雙方可以形成磁場共振現象，再藉由其線圈接收能量完成無線能量傳輸技術。磁場共振能量傳輸技術相較於電磁感應傳輸距離更遠，且更容易穿透非金屬物質。三、無線射頻:無線射頻能量傳輸技術是將能量透過無線電波的方式進行傳導，接收端則是使用天線將傳輸的能量接收下來。無線射頻能量傳輸技術相較於磁場共振更遠更廣泛，但缺點為無線射頻能量傳輸發射端的天線為無方向性的能量傳輸，因此傳輸速率比較差。
我們使用UMC 0.18 μm 製程實現一個無線射頻能量傳輸電路，透過接收端的天線，我們將收集到的能量進行整流與穩壓，產生穩定的1.8V供應電壓，可做為供應電壓源給類比電路與數位電路進行使用，且無線射頻能量傳輸電路在2.45GHz 的操作頻率下，在最低-17dBm的輸入訊號下，仍可以提供穩定的1.8V直流電壓。

關鍵字

無線能量傳輸 ； 射頻能量傳輸電路 ； 穩壓電路

並列摘要

The radio frequency energy transmission technology transmits energy through radio waves, and the receiving end receives the energy transmitted by the antenna. The radio frequency energy transmission technology is wider than the magnetic field resonance, but the disadvantage is that the antenna of the radio frequency energy transmission transmitting end is non-directional energy transmission, so the transmission rate is relatively poor.
We use the UMC 0.18 process to implement a wireless RF energy transfer circuit that uses an antenna to collect energy and rectify it to produce a stable 1.8V supply voltage, which can be used as a supply voltage source for analog and digital circuits. The RF energy transmission circuit can still provide a stable 1.8V DC voltage at an input voltage of 2.45GHz with a minimum input signal of -17dBm.

並列關鍵字

Wireless energy transfer ； RF energy transmission circuit ； Regulator circuit

參考文獻

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