实际的BLE读取器是由一个低功耗射频sub-GHz收发器和一个BLE接收器组成。射频收发器是意法半导体的Spirit1芯片,配有最高输出功率27 dBm的功率放大器,而BLE芯片是意法半导体的符合蓝牙5.0规范的BLE系统芯片BLUENRG-2。标签系统体系架构是由两颗芯片组成。无线电力传输专用系统芯片接收并转换射频能量,标签数据通信使用与读取器相同的BLE射频芯片。接收射频能量的系统芯片对资产跟踪系统性能至关重要,我们将用数学方法证明,RF-DC转换器的PCE效率和灵敏度性能在确定读取器数量过程中的重要性。显然,这两个参数性能高会减少所需的读取器数量,从而降低系统整体成本。本研究案例中使用的系统芯片是一个2 W自供电芯片,集成一个宽带(350 MHz-2.4 GHz)RF–DC能量转换器,在868 MHz频率时,PCE最大值为37%,输入功率为18 dBm,最大输出电压为2.4V。超低功耗管理单元的静态电流性能是决定系统灵敏度高低的关键。
图1描述了该系统芯片的体系架构,组件包括RF-DC转换器、超低功耗管理单元、数字有限状态机(FSM)和DC/DC转换器。外部天线连接系统芯片的RFin输入引脚,用于捕获射频能量。RF-DC转换器将射频能量转换为直流电能,通过输出引脚Vdc向外部储电电容器Cstorage充电。此外,RF-DC转换器还产生一个直流开路电压Voc,用于间接测量射频输入功率。Voc和Vdc电压是超低功耗管理单元的输入端,为FSM单元供电。RF-DC转换器、超低功耗管理和FSM这三个单元组成一个闭环。根据Voc信号间接测量到的输入射频功率,数字信号总线实时更新Nos信号,为RF-DC转换器选择正确的级数(CMOS倍压电路)。RF-DC转换器、超低功耗管理模块和FSM单元形成的环路执行最大功率点跟踪(MPPT)运算,在射频输入功率变化过程中从射频提取最大的能量。这个原理概念将在第3部分中详细讨论。从功能角度看,该系统芯片将从读取器接收的射频能量转换为直流电压Vdc,充入外部储电电容器Cstorage。在输入功率相同的条件下,静态电流越低,传输到储电电容器的净电流就越大。该系统芯片集成了最小静态电流仅为75 nA的超低功耗管理电路,从而能够节省至少2 W的电能。