專利名稱：一種基于電容儲(chǔ)能的自適應(yīng)射頻能量提取電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種能自適應(yīng)選取整流電路輸出儲(chǔ)能電容數(shù)量的電路結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
射頻識(shí)別技術(shù)在近年來獲得了突飛猛進(jìn)地發(fā)展。從工作模式上分，射頻識(shí)別技術(shù)可以分為有源、無源和半有源三種。劃分的準(zhǔn)則是依據(jù)射頻識(shí)別應(yīng)答器/標(biāo)簽的供電模式。有源標(biāo)簽由電池提供電路工作和通信所需能量，無源標(biāo)簽由讀寫器提供電路工作和通信所需能量，而半有源則是由電池提供工作能量而通信是通過反射讀寫器發(fā)送能量實(shí)現(xiàn)。無源的射頻識(shí)別技術(shù)由于其成本低廉、體積小、封裝簡易、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用于物流與供應(yīng)鏈管理、資產(chǎn)管理、人員管理、防偽防盜等領(lǐng)域。
由于無源射頻識(shí)別標(biāo)簽完全由讀寫器發(fā)射的電磁場提供工作和通信所需能量，如何提高射頻能量提取的效率是提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。
讀寫器發(fā)射的電磁場是一個(gè)交變的能量，標(biāo)簽通過天線耦合或者吸收這一交變能量。但是芯片電路工作所需的能量是一個(gè)直流能量，因此在標(biāo)簽芯片上需要一個(gè)射頻能量到直流能量的提取電路，這種電路結(jié)構(gòu)通常被稱作整流電路。整流電路采用非線性器件和儲(chǔ)能元件將射頻能量轉(zhuǎn)換為直流能量為其他電路提供電源。
整流電路有全波整流、半波整流、全波倍壓整流、電荷泵結(jié)構(gòu)的多級(jí)整流等電路結(jié)構(gòu)。實(shí)際設(shè)計(jì)中由于整流電路中的非線性元件，如二極管都有一個(gè)死區(qū)電壓，只有當(dāng)輸入信號(hào)的電壓幅度大于死區(qū)電壓時(shí)才能導(dǎo)通而實(shí)現(xiàn)整流功能。所以整流電路對(duì)輸入信號(hào)的幅度都有一定要求。同時(shí)，由于整流電路結(jié)構(gòu)本身有損耗，整流電路有一定的效率。我們將整流電路的效率η定義為輸出直流能量PoutDC除以輸入射頻能量PinRF，如式(1)η=PoutDCPinRF]]>(1)提高系統(tǒng)的性能，除了降低標(biāo)簽芯片的電路功耗外，提高整流電路的工作效率也是一個(gè)主要方法。
由于射頻識(shí)別讀寫器屬于短距離無線電設(shè)備，其發(fā)射頻段和能量均有嚴(yán)格的規(guī)定。在給定發(fā)射能量的前提下，一個(gè)電子標(biāo)簽在一個(gè)特定物理位置所能獲得的能量是一定的。超高頻電子標(biāo)簽(工作于遠(yuǎn)場)所能獲得的最大能量如式(2)Prec=PtraGtraGtrp(λ4πr)2=EIRP×Gtrp×(λ4πr)2]]>(2)式(2)中Prec為標(biāo)簽芯片的接收能量，Ptra為讀寫器的發(fā)射功率，Gtra為發(fā)射天線增益，Gtrp為接收天線增益，λ為射頻載波波長，r為讀寫器和標(biāo)簽直線可視距離，EIRP為等效全向輻射功率。式(2)中表明最大能量和讀寫器發(fā)射能量，標(biāo)簽天線增益成正比，和距離的平方成反比，和電磁波波長平方成正比。
高頻電子標(biāo)簽(工作于近場)所能獲得的最大能量如式(3)H0=PrAant×μ0c]]>(3)式(3)中H0表示電磁場強(qiáng)度，Pr表示標(biāo)簽芯片接收?qǐng)鰪?qiáng)，Aant為天線線圈面積，μo為真空磁導(dǎo)率，c為光速，該式表明當(dāng)電子標(biāo)簽的天線線圈面積一定，磁場強(qiáng)度一定的情況下，最大的接收能量Pr是一定的。在能量一定的條件下，根據(jù)功率公式P＝Vavg·Iavg可知，芯片所能獲得的平均電壓和電流成反比。也就是說，在給定的能量下，芯片可以通過減小平均電流來提高整流輸入端的端電壓，或者反過來減小整流輸入端的端電壓。如何合理分配這兩者需要根據(jù)整流電路結(jié)構(gòu)、其他電路的最低工作電壓及功耗等因素來確定。但實(shí)際上，傳統(tǒng)的整流電路結(jié)構(gòu)并不能在滿足其它電路工作要求的前提下取得最佳整流電路效率。
以橋式整流為例，當(dāng)其他電路的最小工作電壓Vdd確定以后，最小的射頻端輸入幅度也隨著確定為Vdd+2Vth。隨著射頻端的輸入幅度增加，輸出的直流工作電壓也會(huì)提高。而一般的負(fù)載電路工作電流會(huì)隨著電源電壓升高而升高，由此整個(gè)電路的功耗會(huì)增加。而另一方面，由于整流電路整流管的等效導(dǎo)通電阻會(huì)隨著輸入信號(hào)的幅度增大而減小，輸入信號(hào)幅度的增加有助于提高整流電路的轉(zhuǎn)換效率。這樣就產(chǎn)生了一個(gè)矛盾提高芯片射頻輸入端的信號(hào)幅度可以提高整流電路的整流效率，而輸入信號(hào)幅度增加又會(huì)導(dǎo)致負(fù)載功耗增加，反過來限制了標(biāo)簽的工作范圍。因此，實(shí)際上在最小輸入能量情況下，整流電路通常工作在非最佳效率狀態(tài)下。如何來解決這個(gè)問題呢？另外，芯片的最小工作功耗也限制了標(biāo)簽的工作范圍，是否能夠設(shè)計(jì)新的電路結(jié)構(gòu)來提高標(biāo)簽的工作范圍呢？通過對(duì)射頻識(shí)別系統(tǒng)的分析，我們發(fā)現(xiàn)標(biāo)簽在讀寫器電磁場中并不是全時(shí)工作的。標(biāo)簽芯片在等待時(shí)和工作時(shí)的功耗是不同的，等待時(shí)芯片內(nèi)部僅僅有很少一部分電路工作。如果我們用輸入的射頻能量實(shí)時(shí)給芯片供電，那么標(biāo)簽芯片工作時(shí)的功耗就決定了最小的輸入射頻功率。而如果我們采用能量存儲(chǔ)元件，將射頻能量存儲(chǔ)起來，那么只要有稍大于標(biāo)簽芯片等待時(shí)功耗的輸入功率就可以驅(qū)動(dòng)芯片工作，前提是標(biāo)簽芯片在不同的時(shí)間工作于不同的狀態(tài)而且等待功耗小于工作功耗。
電池是一種最常用的儲(chǔ)能元件，但是用傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝是無法在芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)電池的。因此，我們采用電容作為電能存儲(chǔ)元件。采用電容作為電能存儲(chǔ)元件，其存儲(chǔ)能量的大小和電容端電壓成正比。在一定的輸入信號(hào)幅度下，整流電路能夠輸出的最大直流電壓是確定的，也就說對(duì)于固定的儲(chǔ)能電容值，輸入信號(hào)幅度決定了儲(chǔ)能的大小。那么如何在一定的輸入信號(hào)幅度下增加儲(chǔ)能量呢？我們可以通過改變電容的數(shù)量來實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)能量的調(diào)整。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種基于電容儲(chǔ)能的自適應(yīng)射頻能量提取電路。該電路將電能提取和供電分開，便于調(diào)整整流電路參數(shù)，使之效率得以優(yōu)化，并根據(jù)電路工作和等待時(shí)間比例，通過自適應(yīng)控制，動(dòng)態(tài)調(diào)整儲(chǔ)能電容的數(shù)量，從而最大程度減小電路工作的最小平均輸入能量。
以往的能量提取和存儲(chǔ)方法是直接在整流電路的直流輸出端加固定的儲(chǔ)能電容加以實(shí)現(xiàn)，如附圖2。
本發(fā)明提出的自適應(yīng)射頻能量提取電路，以傳統(tǒng)的提取電路為基礎(chǔ)，在整流電路輸出端除了連接基本固定儲(chǔ)能電容外，還連接了一個(gè)選通儲(chǔ)能電容陣列；同時(shí)，在整流電路輸出端增加設(shè)置一個(gè)電平監(jiān)測電路，該電路中設(shè)置兩個(gè)監(jiān)測電平最大電平Vhigh，最小電平Vlow；電平監(jiān)測電路輸出計(jì)數(shù)控制和計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)，計(jì)數(shù)控制和計(jì)數(shù)脈沖控制一個(gè)N比特的計(jì)數(shù)器，N比特計(jì)數(shù)器的輸出通過譯碼器控制儲(chǔ)能電容陣列選通開關(guān)。
本發(fā)明采用自適應(yīng)控制切換選通儲(chǔ)能電容數(shù)量工作時(shí)，基本儲(chǔ)能電容開關(guān)常通；監(jiān)測電平電路監(jiān)測整流電路的直流輸出電平，當(dāng)電壓大于最大電平Vhigh時(shí)，計(jì)數(shù)器加1，并增加一個(gè)選通電容；當(dāng)電壓小于最小電平Vlow時(shí)，計(jì)數(shù)器減1，并減少一個(gè)選通電容。通過這種方式來改變儲(chǔ)能電容的數(shù)量。理論上說，如果電路等待時(shí)電流可以忽略，而選通電容的數(shù)量可以增加到任意多，而芯片電路的等待/工作比例＞＞1，那么只要射頻輸入的能量能夠讓整流電路工作，標(biāo)簽芯片就能夠工作。


圖1基于電容儲(chǔ)能的自適應(yīng)射頻能量提取電路；圖2常規(guī)方法設(shè)計(jì)的射頻能量提取電路；圖中標(biāo)號(hào)11為整流電路，12為電平監(jiān)測電路，13為復(fù)位電路，14為計(jì)數(shù)器，15為譯碼器，16為選通儲(chǔ)能電容陣列，17為天線，18為基本固定儲(chǔ)能電容，21為整流電路，22為儲(chǔ)能電容，23為等效負(fù)載，24為天線。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖示例進(jìn)一步具體描述本發(fā)明。圖2是常規(guī)的射頻能量提取電路。
圖1為本發(fā)明電路圖，與常規(guī)的電路結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明主要通過以下方法實(shí)施(1)選通電容陣列改變儲(chǔ)能值圖1中16為選通儲(chǔ)能電容陣列，選通儲(chǔ)能電容陣列由電容C1、C2、C3、…CM組成，并分別設(shè)有選通開關(guān)K1、K2、K3、…KM，這些選通電容分別連接在整流電路11輸出端和譯碼器15之間。由譯碼器15輸出的控制信號(hào)控制電容陣列的選通開關(guān)，從而改變作為儲(chǔ)能元件的電容值。在常規(guī)的射頻能量提取電路，如圖2中，輸出的儲(chǔ)能電容數(shù)量值是固定的。當(dāng)輸入能量大于芯片消耗能量時(shí)，儲(chǔ)能電容的電壓就會(huì)上升。而隨著電壓上升，負(fù)載的功耗增大，這部分增加的輸入能量被浪費(fèi)在負(fù)載電路上了。通過增加選通電容陣列，當(dāng)儲(chǔ)能電容的電壓升高到高電平監(jiān)測值Vhigh時(shí)，控制電路可以增加儲(chǔ)能電容值，這樣能量就能夠被存儲(chǔ)而不是被浪費(fèi)了。
(2)高低電平監(jiān)測自適應(yīng)控制背景技術(shù)中我們已經(jīng)說明，標(biāo)簽芯片的狀態(tài)可以分為工作和等待兩個(gè)基本狀態(tài)，這兩個(gè)狀態(tài)的芯片功耗是不同的。我們可以分析兩種極端情況全時(shí)工作和全時(shí)等待。全時(shí)工作狀態(tài)下，輸入的射頻功率和整流電路的效率乘積必須大于芯片的工作功耗，即Prf·η≥PDC(work)，這種情況下的儲(chǔ)能電容僅僅是起到減小整流輸出電壓紋波系數(shù)的作用，實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們可以根據(jù)芯片的工作電流及紋波系數(shù)要求計(jì)算得到基本儲(chǔ)能電容(圖1中的18)值。全時(shí)等待情況下，如果芯片設(shè)計(jì)得當(dāng)，其負(fù)載電流非常小，稍大于負(fù)載損耗功率的射頻輸入功率就可以給儲(chǔ)能電容充電而將射頻能量存儲(chǔ)起來。
我們希望存儲(chǔ)的能量越多越好，但是芯片的工作/等待時(shí)間比例并不是固定不變的。當(dāng)?shù)却龝r(shí)間比重增加時(shí)，我們可以增加儲(chǔ)能電容數(shù)量；而工作時(shí)間比重增加時(shí)，我們則必須減少儲(chǔ)能電容數(shù)量，否則整流輸出的直流電平就無法滿足電路的工作要求了。
本發(fā)明引入了高低電平監(jiān)測電路，該電路監(jiān)測整流輸出直流電平。當(dāng)整流輸出直流電平高于Vhigh時(shí)，輸出計(jì)數(shù)控制為Up，同時(shí)輸出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，使計(jì)數(shù)器14加一，通過譯碼控制電路可以打開一路儲(chǔ)能電容。當(dāng)新的一路儲(chǔ)能電容打開時(shí)，由于電荷重新分配，整流輸出的直流電平會(huì)有所下降。合理設(shè)計(jì)電容值比例，可以防止切換后的直流電平低于Vlow。當(dāng)整流輸出的直流電平低于Vlow時(shí)，輸出技術(shù)控制為Down，同時(shí)輸出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，使計(jì)數(shù)器14減一，通過譯碼控制電路可以關(guān)閉一路儲(chǔ)能電容。
該電路結(jié)構(gòu)可以自適應(yīng)地調(diào)節(jié)儲(chǔ)能電容的數(shù)量。
(3)復(fù)位電路及復(fù)位、檢測電平的設(shè)置為了使電路能夠穩(wěn)定工作，發(fā)明中還包含復(fù)位電路13。復(fù)位電路13設(shè)置在整流電路11輸出端和計(jì)數(shù)器12之間，當(dāng)Prf·η≤PDC(idle)時(shí)，標(biāo)簽芯片無法工作，此時(shí)復(fù)位電路將芯片置于復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)輸入射頻功率增大Prf·η≥PDC(idle)時(shí)，整流電路輸出直流電平達(dá)到電路工作要求后，復(fù)位電路將計(jì)數(shù)器清零，儲(chǔ)能電容僅僅為基本儲(chǔ)能電容。切換儲(chǔ)能電容數(shù)量均是在輸入功率滿足Prf·η≥PDC(idle)的前提下進(jìn)行。因此，復(fù)位電壓Vreset，低監(jiān)測電壓Vlow和高監(jiān)測電壓Vhigh的設(shè)置關(guān)系如式(4)Vreset＜Vlow＜Vhigh(4)最后所應(yīng)說明的是，以上電路結(jié)構(gòu)僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管結(jié)合具體電路對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的原理和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種基于電容儲(chǔ)能的自適應(yīng)射頻能量提取電路，其特征在于在整流電路輸出端除了連接基本固定儲(chǔ)能電容外，還連接了一個(gè)選通儲(chǔ)能電容陣列；同時(shí)，在整流電路輸出端增加設(shè)置一個(gè)電平監(jiān)測電路，該電路中設(shè)置兩個(gè)監(jiān)測電平最大電平Vhigh，最小電平Vlow；電平監(jiān)測電路輸出計(jì)數(shù)控制和計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)，計(jì)數(shù)控制和計(jì)數(shù)脈沖控制一個(gè)N比特的計(jì)數(shù)器，N比特計(jì)數(shù)器的輸出通過譯碼器控制儲(chǔ)能電容陣列選通開關(guān)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提取電路，其特征在于所述選通儲(chǔ)能電容陣列由電容C1、C2、C3、…CM組成，并分別設(shè)有選通開關(guān)K1、K2、K3、…KM，這些選通電容分別連接在整流電路(11)輸出端和譯碼器(15)之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的提取電路，其特征在于還包含復(fù)位電路(13)，該復(fù)位電路(13)設(shè)置在整流電路(11)輸出端和計(jì)數(shù)器(12)之間，
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提取電路，其特征在于采用自適應(yīng)控制切換通儲(chǔ)能電容數(shù)量工作時(shí)，基本儲(chǔ)能電容開關(guān)常通；監(jiān)測電平電路監(jiān)測整流電路的直流輸出電平，當(dāng)電壓大于最大電平Vhigh時(shí)，計(jì)數(shù)器加1，并增加一個(gè)選通電容；當(dāng)電壓小于最小電平Vlow時(shí)，計(jì)數(shù)器減1，并減少一個(gè)選通電容。
全文摘要
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于電容儲(chǔ)能的自適應(yīng)射頻能量提取電路。本發(fā)明采用電容作為電路的儲(chǔ)能元件，將射頻能量提取和供電分開，從而能夠優(yōu)化射頻能量提取整流電路參數(shù)。本發(fā)明還通過自動(dòng)切換儲(chǔ)能電容的數(shù)量來改變供電能力以適應(yīng)電路工作和等待時(shí)間比例，降低電路工作的平均最小輸入能量，提高電路性能。
文檔編號(hào)H02J15/00GK1710780SQ20051002759
公開日2005年12月21日 申請(qǐng)日期2005年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月7日
發(fā)明者朱正, 李強(qiáng) 申請(qǐng)人:上海坤銳電子科技有限公司