NFC无线射频取电技术研究及应用探索

NFC无线射频取电技术研究及应用探索
Research on NFC Radio Frequency Power Supply Technology and Its Application Exploration
深圳市每开创新科技有限公司欧阳红军
摘要：由于传统供电方式无法满足社会可持续发展需求，以及物联网应用灵活且低成本部署的需求，NFC无线射频取电技术成为一种有效的解决方案。

介绍了NFC无线射频取电技术，分析其天线设计、输入功率和输出电压、能量转换效率、灵敏度及兼客性等技术指标，阐述其在NFC智能锁及电子纸显示的两种典型应用场景，对其在电子纸应用方面从技术和市场两方面做了展望，为业界在NFC无线射频取电技术及其应用领域的研究提供参考。

关键词:RFID，NFC，无线射频取电技术, 电子纸, 智能锁
Abstract:Because the traditional power supply mode can't meet the needs of social sustainable development, as well as the need for flexible and low-cost deployment of IoT applications, NFC radio frequency power supply technology has become an effective solution and is highly expected. This paper introduces the NFC radio frequency power supply technology, analyzes its technical indicators, including antenna design, input power and output voltage, energy conversion efficiency, sensitivity and compatibility. Besides that, this paper also expounds its two typical application scenarios in NFC smart lock and e-Paper display, and looks forward to its application in e-Paper from both technical and market aspects, providing reference for the industry's research in NFC radio frequency power acquisition technology and its application fields.
Keywords:radio frequency identification; near field communication: radio frequency power supply technology; e-Papersmart lock.
1. 引言
在全社会营造节能低碳浓厚的氛围下，环境取能与碳达峰碳中和的政策、理念不谋而合。

同时，在一些场景中大规模部署受到环境、成本等限制，传统供电方式无法满足物联网应用的发展需求。

因此，在这两大因素共同影响下，迫切需要一些全新的技术手段满足时代进步与社会持续发展提出的要求。

本文从大众较为熟知的无线射频取电出发，介绍其工作原理、不同频段的无线电射频取
电技术之间的对比，由此引出了当前业界高度关注的NFC无线射频取电技术，对其技术指标以及它在智能锁和电子纸显示两个领域的应用进行介绍。

基于NFC无线射频取电技术与电子纸的结合在近几年得到了快速发展，本文亦对该融合应用做了展望。

2. NFC无线射频取电技术介绍
通常，为了获得所有需要的电能，除了可借助常用的能源(如太阳能、动能、热能等)转换获得以外还能通过无线电波能量转换以获得能量。

后者实现能量的获取，是通过采集周围环境中的RFID、蓝牙、4G、5G、WiFi 等无线电波能量，并将其转换成电能的过程。

这意味着，可以从任何无线发射器获得能量，包括移动电话、手持无线电设备、移动基站以及电视/无线广播台等。

有了捕获这类能量的能力有助于创建新的无电池设备，并允许电池供电设备通过无线方式实现点滴式充电。

如今，环境射频能量获取正在迅速发展，而RFID 是大众最为熟悉、应用最广泛的无线射频取电技术。

2.1.高频无线射频取电技术NFC
在RFID系统中，系统工作就像调频广播一样，射频标签和读写器需要调制到相同的频率才能工作。

射频标签的工作频率不仅决定着射频识别系统工作原理、识别距离，还决定着射频标签及读写器实现的难易程度和设备成本。

目前，国际上广泛采用的频率分布于4种波段，低频(125 kHz)、高频(13.54 mHz)、超高频(80~910 mHz)和微波2.45GHz)。

从无线射频取电的角度来看，可根据不同的频段划分为低频、高频、超高频和微波。

NFC由RFID及互连互通技术整合演变而来属于短距离的高频无线射频取能技术，通过在单一芯片上集成感应式读卡器、感应式卡片和点对点通信的功能。

通过无线电波，NFC
可用于在彼此相距几厘米的设备之间传输数据。

它的运行不依赖互联网，消除了潜在的干扰源，多用于消费类电子设备互相通讯，目前几乎成为智能手机的标配技术。

在实际应用中由于NFC无线射频取电技术具有数据带宽高、标准的数据协议、数据安全性高、可驱动电机、无环境限制、免维护等优势，因此在电子支付、身份验证、票务、防伪、广告、物流、航空等应用领域得到了广泛应用。

2.2.NFC无线射频取电术工作原理
NFC无线射频取电技术的基本原理是通过电磁感应实现对空间电磁波能量进行采集(如图1所示)本质上是将射频能量转化为直流电压(RF-DC)。

从图1可以看出，射频能量信号是通过天线接收的，当无线电波到达天线时导致其长度上的电位差变化。

从而使得电荷载流子沿着天线的长度移动以试图使场均衡。

此时，RF-DC 转换器能够将RF信号转换为DC信号，并从这些电荷载流子的移动中捕获能量。

所捕获的能量存储在存储单元中，从而可以给RP-DC 转换器、RF 装置自身运行提供电压并可以向其他低功耗应用提供输出电压。

图1 无线射频能量采集工作原理图
其中，RF-DC转换器是能量收集器的核心部分主要由阻抗匹配、整流器和电源管理3部分组成。

其中，典型的能量采集电路包括:半波整流器(图2a)单并联整流天线、单级电压倍增器(图2) Cockcroft-Walton/Greinacher电荷泵、Dickson电荷泵和改进的Cockcroft-walton/Greinacher电荷泵。

a 半波整流器
b 单机电压倍增器
图2典型能量采集电路
3. NFC 无线射频取电技术指标
随着技术的发展，无线射频能量采集的工艺和效率都有所提高，部分技术指标已经最大限度地取得了提升。

但在应用落地的过程中，在天线设计、输入功率与输出电压、能量转换效率与灵敏度、兼容性等方面仍会面临着不同程度的困难。

3.1.天线设计
经过不断发展，天线设计技术方面虽然已经取得了不小的成果，但是由于在技术的普及过程中，越来越多小型设备对天线技术提出了更高的要求：是需要天线占用空间极小，需要能放进超小、极薄的电子价签的天线；二是天线必须具有宽频带的特点，因为空间中的射频
能量比较低，所分布频带比较散。

因此，天线小型化、宽频带仍是解决射频能量采集技术的关健技术之一
3.2.输出功率与输电压
输入功率方面，由于电磁波多径传播效应、能量在空间和时间上不均匀分布以及各种干扰，无线环境中能够采集到的射频能量密度极低(小于10nw/cm²)，真正能够有效采集的射频能量需要满足一定的输入功率。

此外，为驱动逻辑电路或芯片等运算单元，一般采集到能量后转化的直流电压需要满足最低输出电压要求，并转化为稳定的直流电压。

目前，业内已能够实现高达1W的能量采集但是，如何持续提升能量采集的效率，特别是在低输入电压的条件下，采集到的能量仍能驱动电路是需要着重解决的问题。

3.3.能量转换效率与灵敏度
当射频信号能量比较低时转换效率会迅速降低为了收集到更多的能量就需要灵敏度较高的射频能量收集器。

很多实验研究结果表明，一般系统输入功率低于-30 dBm的射频信号很难有效地采集并整流为可用的直流电压。

而不同的输入功率和能量采集电路设计下的射频能量转化效率有所差别，如-20dBm的低输入功率下的能量转化效率往往都不足10%而-1dBm左右的输入功率下转化效率接近50%。

基于当前的工艺水平实现驱动低功耗计算电路的功率需要10μw左右，为满是最简单的低功耗的计算和反向散射通信需求，在低输入功率的情况下提升能量采集效率是无线射频取能技术研发中最重要的工作之一。

影响灵敏度的因素主要有:天线与整流器之间的匹配情况、整流器件闯值电压的影响等。

目前主要采用外部阙值、内部阔值、自闽值的补偿以实现对整流MOS管进行网值补偿加快
其导通速度的方法来提高灵敏度，但效果仍不够理想，需要进一步改进或者研究其他新方法。

3.4.兼容性
超短距离识别与产品多样化之间存在一个难以调和的矛盾。

以智能手机为例，由于不同手机品牌、型号，其中NFC 的位置不一样、发射功率不同，加之NFC无线射频取电的距离超短，因此导致NFC射频取电相关的产品很难适配所有手机品牌及型号。

针对这一难题，在技术层面难以再有大突破的情况下，对于企业来说，或许只能从市场的取舍标准的规范化等方面切入。

以每开创新为例，在技术层面，目前无线射频取电可实现1~3 cm的距离为了使产品适配更多用户的手机，所采取的策略则是根据当下各品牌手机的市场占比情况，反向考虑设计产品以匹配市场上的尽可能多的手机。

4. NFC无线射频取电技术的典型应用
NFC无线射频取电技术能转化成瞬间动能、电能、数据传输所需的能量，更适合解决更安全、无电化、瞬间较大功率供电需求的场景。

目前，该技术已经广泛地应用到各个领域，包括面向垂直行业的工业传感器网络、智能交通、智慧物流、智能仓储、智慧农业、智慧城市、能源领域等，以及面向个人消费者的智能穿戴、智能家居、医疗护理等方面。

本节将选取其中部分典型的应用场景类型加以说明。

4.1.信任交付类场景：NFC智能锁
在锁类应用场景中，通过手机或手持机的NFC功能，靠近无源智能锁表面与锁控电路进行通信联动完成权限校验以及无线供电功能，即锁控电路能完成NFC 无线通信、校验算法运算、电磁能量转换以及对锁止机构的供电功能四大功能闭环，使得锁体内并无搭载任何电源模块和传统通信模块，也可以实现智能锁的管理功能。

以当前已经实现量产的锁具应用为例，通过射频能量算法芯片，实现无线射频取电，能瞬间大功率储电和安全驱动负载。

此外，再配合安装了对应App或小程序的手机靠近门锁，就会瞬间驱动锁具开锁，完成开关动作。

NFC 智能锁既可以作为常见的家用智能门锁在开锁方式上的补充方案，也可以独立支撑智能门锁功能，完成开关交互、数据记录等工作。

NFC智能锁产品包括门锁、柜锁、箱包锁等，在家用、工业、资产设备、物流运输等领域中都有很广泛的应用。

4.2.电子纸显示类场景：智慧机场与智慧办公
NFC无线射频取电技术作为电子纸类产品的数据传输和显示驱动硬件方案之一，因其本身不带电的特征，以及能够通过一对一完成显示内容更新的特性，再加上可集成NFC无线射频取电在户内开关和户内锁具产品功能的延展性，也越来越受到采购商的关注。

目前，在智慧机场以及智慧办公中NFC无线取电技术有着非常典型的应用场景。

4.2.1智慧机场
航空电子行李牌能减少纸质行李条等这些耗材的使用，有助于绿色环保的可持续发展，这对生态环境保护很有意义。

如今，随着行业主管部门对行李全流程追踪的大力推动，未来NFC无线射频取电技术的普及度会实现高速增长，行李全流程追踪系统的建设也将日趋成熟。

大幅提高航司对行李运输过程的监控和管理，同时行李遗失等不正常运输现象将会得到显著改善。

4.2.2 智慧办公
此外，智慧办公应用场景有以下3 种。

(1)员工工卡/工位卡。

用电子纸替代传统工卡可集成员工信息、考勤管理、门禁管理、
位置和项目管理等管理职能，同时兼具可重复使用的特征,提升管理效率的同时降低工卡等物品管理和采购成本。

(2)办公桌牌/办公室门牌。

集成会议资料推送与会者信息推送等数据传输需求，在无需电池的维护成本下，实现基于线下场景的资料共享和分发为数字化会议和办公提供更低成本的产品方案。

(3)办公资产标签。

可应用在财务、法务资产保管中，亦可用于企业自有生产资料库存管理中，实现一对一标签修订的同时，无电方案能应对复杂的办公环境，为更安全的资产管理提供保障。

5. NFC无线射频取电技术在电子纸行业的应用展望
近年来，基于电子纸在技术及市场方面的发展，NFC无线射频取电技术结合电子纸的应用得到了快速发展。

技术方面，彩色电子纸是电子纸发展的必然趋势，近几年来不断有改进的彩色电子纸技术被推出市场。

2019年，电子纸迎来了彩色元年，基于电泳式的两种彩色电子纸技术经过多年的探索和不断实践正式进入了成熟化应用阶段，极大地扩展了电子纸的应用领域，加速了传统纸张信息化和数字化变革的进程。

市场方面，在个性化需求旺盛的时代，手机壳、桌牌、工牌等在未来个性化的需求不断产生，彩色电子纸与NFC无线射频取电技术的结合将能大大满足这一需求。

将NFC无线射频取电技术应用于电子纸产品，可让这些产品兼具可擦写、适合肉眼阅读、便携性、低功耗、可与手机绑定方便互动等特点未来在一些个性化要求高、实时性要求不高的应用场景下或有大展拳脚的机会。

对于NFC无线射频取电技术与电子纸的结合看好两者融合发展的原因还在于它与加强
碳中和碳达峰政策的契合度，可回收、循环利用在未来或将成为部分应用场景的硬性要求，代替纸类、一次性标牌的使用，有助于两个融合的方案在各行各业中落地。