CN103731046B - 一种动态整流控制电路与无源rfid及动态整流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于射频识别技术领域，具体是指一种动态整流控制电路以及包括该电路的无源RFID，同时，本发明还涉及应用上述无源RFID对电路进行动态整流控制的方法。本发明所述无源RFID可连续的对第一天线端与第二天线端之间的电压进行动态的整流控制，当天线端电压过高时，所述的动态整流控制电路可将接地通路导通，从而使天线端的电荷输出至地，减小天线端的电荷量，使整流出的直流电压降低；当该电压在限定电压以内时，接地通路处于截止状态，整流电路将天线端的全部电荷整流为直流电源供负载电路使用，防止了过高的电压损坏负载电路，同时也防止了读卡器端接收饱和现象的发生。

Description

一种动态整流控制电路与无源RFID及动态整流控制方法

技术领域

本发明属于射频识别技术领域，具体是指一种动态整流控制电路以及包括该电路的无源RFID，同时，本发明还涉及应用上述无源RFID对电路进行动态整流控制的方法。

背景技术

无源射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)标签本身不带电池，其依靠读卡器发送的电磁能量工作。由于它结构简单、经济实用，因而其在物流管理、资产追踪以及移动医疗领域获得了广泛的应用。

无源RFID标签工作时，其会从周围环境中吸收读卡器发送的电磁能量。无源RFID标签在吸收能量之后，将一部分能量整流为直流电源，以供无源RFID标签内部电路工作；无源RFID标签还将另一部分能量输入内部的调制解调电路，调制解调电路会对该能量中携带的幅度调制信号进行解调，并将解调后的信号发送给无源RFID标签的数字基带部分处理。

由于无源RFID标签与读卡器的距离是变化的，因此，当无源RFID标签工作时，其从周围环境中吸收的电磁能量也是变化的。当无源RFID标签离读卡器太近或读卡器发送的电磁能量太强时，无源RFID标签接收到的信号强度也较强，以至线圈上感应的电压超过了芯片中整流器模块所用的晶体管的耐压极限，造成晶体管的永久性损坏，导致RFID标签失效。

无源RFID标签通过负载调制的方式传输数据到读卡器，读卡器端的线圈探测到RFID标签端线圈的阻抗变化从而获取数据。当无源RFID标签离读卡器太近或读卡器发送的电磁能量太强时，从RFID标签端耦合回来的负载调制信号容易造成读卡器接受端的饱和，以至通讯失败。这种失败在读卡器首先发命令然后等待RFID标签应答的RTF通讯模式(Reader Talk First)下更容易发生。

为了解决上述耐压可靠性以及读卡器接受饱和的问题，RFID标签芯片电路内部需要施加幅度限制处理电路，以确保RFID标签上的天线两端电压被限制在一个预定的数值。

电子科技大学以2010年11月30日申请的名称为《一种用于超高频射频识别标签芯片的解调电路》，申请号为201010568305.4的发明专利中，幅度限制功能是通过一个电压比较器实施的，该电压比较器比较了包络检波电路产生的包络信号，即数据信息，和包络信号本身的均值之间的大小对比关系，从而由电压比较器后面的反相器输出高低逻辑信号，即解调后的信号。如此，即使在读卡器与电子标签之间的很近或很远导致的信号强度差异很大的情况下，该解调电路仍能够自适应地保证均值产生电路的稳定性，从而确保了解调电路正常稳定的工作。

上述专利中所用的自适应调整第一PMOS管栅极电压的技术是间接监控射频信号强度的一种方法。其中动态调整的对象是作为等效电阻用的PMOS管，使得在不同信号强度下该PMOS管的沟道等效电阻保持稳定，也即和电容组成的滤波时间常数稳定，最终获得稳定的检波效果，确保了解调电路正常稳定的工作。本申请针对整流器电压幅度的动态调整而监控射频信号强度的大小，调整对象为整流器的限幅电路，使得从天线端口到地的漏电流通路在不同的信号强度情况下有不同程度的开启程度，从而保护了射频前端的晶体管不受高压影响，也避免了读卡器端的接收饱和现象的发生。

株式会社岛津制作所以2008年6月9日申请的，名称为《限幅电路》，申请号为200880129721.5的PCT专利，提出一种利用晶体管的导通、截止切掉超出上下限阈值信号电压值的限幅电路。该限幅电路是用于对信号强度的限幅，且其针对的是有恒定电源输入的电路，不同于本申请中所采用的整流控制电路，且也无法将该电路转用于RFID电路中。

天津南大强芯半导体芯片设计有限公司以2007年8月20号申请的，名称为《一种射频识别标签电路***结构及其工作方法与应用》，申请号为200710058875.7的发明专利,唯一的提出的发明点是从整流器输出的供电电源线分了几路给不同的模块,并以此提出提高了能量转换和使用效率的观点。首先，就其电源线分开几路接到不同模块的做法，是芯片设计中的常规做法，但是该申请中未能阐述清楚能量转换和使用效率是如何提高的，提高到什么程度。要达到真正的效率提高，光是该申请中所提到的接法(那本身就是一个普通接法)是不够的，用整流器输出支路直接给存储器控制模块的高压产生电路供电甚至会导致电荷泵所用的振荡器功耗很大的问题。其次，该申请没有涉及本专利申请所述动态调整整流器输入端电压幅度电路的方面，跟本专利申请的发明点没有重复性。

上海华虹集成电路有限责任公司以2006年03月17日申请的，名称为《用于非接触式IC卡和射频识别标签芯片的限幅保护电路》，申请号为200610024814.4的发明专利中，提出一种以提高射频标签芯片的稳压，时钟，解调和复位电路的性能为目的的限幅电路，该限幅电路以保护瞬间感应的强场所造成的过压驱动为目的，并且解决了读卡器一端的接受饱和问题。该专利与本申请所存在的区别点在于：

1、因为限幅电路的目的不同，所以上海华虹的限幅电路是由高压或者低压的检测电路控制对一个电容的充放电来产生限幅信号。该限幅信号在比场强度的变化有着明显较大的时间常数，即缓慢反应天线上电压幅度的变化。这样的技术不能起到本申请所提出的过压保护的目的，因为在有限的时间常数之内，射频标签芯片内部的晶体管已经处在过压驱动的不可靠状态。所以本申请所公开的限幅电路对天线上电压的变化有着极快的反应速度，能够起到很好的保护作用。

2、上海华虹的限幅电路有两条泄放通路，其中一条慢通路，如前所述，不适合过压保护，另一条由解调信号控制的泄放通路，与本申请所公开的技术有着本质的不同。

3、上海华虹的高压检测与低压检测信号所控制的开关管有两个恒定电流源作为偏置，在无源射频标签***中将造成较大的直流功耗，不利于达到低功耗，高灵敏度的目的。

4、上海华虹的限幅电路在检测天线两端电压上存在两个判断点，即电压过低的临界点和电压过高的临界点。当天线两端的电压低于电压过低的临界点时，电容上的电荷得到泄放。当天线两端电压高于电压过高的临界点时，电容上的电荷得到充电积累。这其中的问题是当天线两端的电压处于两个临界点之间时，上下两个控制开关均处于关断状态，电容上的电压是浮动的，不受任何信号控制。在无源射频标签芯片中这是一个致命的问题，容易造成不可控的泄放电流而损失能量，影响标签的灵敏度。这个问题在本申请所公开的技术中是不存在的，本申请中定义了一个唯一的判定点来控制开关的开启和关闭，一旦开启，该调解是连续可调的。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种动态整流控制电路和包括该动态整流控制电路的无源RFID，以及应用该无源RFID对电路进行动态整流控制的方法，通过对整流器电压幅度进行连续动态调整实现对电路电压的控制，防止读卡器端接收饱和现象的发生。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种应用无源RFID对电路进行连续动态整流控制的方法，该方法包括如下步骤：

a、谐振电容与谐振电感并联连接于第一天线端与第二天线端，并且耦合外部电磁场从而产生交流电流并输入至整流电路，整流电路将该交流电流整流为直流电流并输出至限幅电路的电源输入端V₁；

b、若电源输入端V1的电压值小于第一P型MOS管栅源电压及阈值单元的导通电压之和，则第一P型MOS管和阈值单元不导通，第二P型MOS管漏极输出的电流为零，则与第二P型MOS管串接的电阻R上产生的电压V_R为零,第一N型MOS管不导通，对第一天线端与第二天线端之间的电荷量不造成影响；若电源输入端V1的电压值大于第一P型MOS管栅源电压及阈值单元的导通电压之和，则第一P型MOS管和阈值单元导通从而产生支路电流，第一P型MOS管将该支路电流镜像至第二P型MOS管并流过与其串联的电阻R产生电压差V_R输入至第一N型MOS管栅极，将第一N型MOS管导通，通过第一N型MOS管的源极将第一天线端与第二天线端之间的电荷输出至地，使得第一天线端与第二天线端之间的电荷量减小；

c、第一天线端与第二天线端之间的电荷量减小，则桥式整流电路两端的交流电压减小，其整流出的直流电源减小，从而实现对电路电压进行连续的、循环的动态整流控制；

所述阈值单元为至少一个串联连接的二极管，所述至少一个二极管中，任一二极管阴极端与相邻二极管阳极端连接形成串联结构，且所述二极管的实际使用数量由所述谐振电容与谐振电感所需要产生的耦合交流电流的大小来决定。

本发明所述无源RFID可连续的对第一天线端与第二天线端之间的电压进行动态的整流控制，当天线端电压过高时，所述的动态整流控制电路可将接地通路导通，从而使天线端的电荷输出至地，减小天线端的电荷量，使整流出的直流电压降低；当该电压在限定电压以内时，接地通路处于截止状态，整流电路将天线端的全部电荷整流为直流电源供负载电路使用，防止了过高的电压损坏负载电路，同时也防止了读卡器端接收饱和现象的发生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的电路总体结构框图；

图2是本发明采用的整流电路实施例一结构图；

图3是本发明采用的整流电路实施例二结构图；

图4是本发明采用的限幅电路结构图；

图5是本发明采用的限幅电路实施例一结构图；

图6是本发明采用的限幅电路实施例二结构图；

图7是本发明采用的限幅电路实施例三结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在描述本发明实施例之前，需要对本发明实施例中所涉及的一些关键词进行解释。本发明实施例中所述的连接，代表两个连接端点之间存在直接或间接的连接关系。

如图1所示，为本发明的电路总体结构框图。本发明所述一种动态整流控制电路1包括：

谐振电容C1，其与谐振电感L并联连接于第一天线端in1与第二天线端in2之间，用于与谐振电感L组成谐振电路，接收外部电磁场并将其耦合至整流电路；

整流电路，其输入端连接至第一天线端in1与第二天线端in2，用于将所述谐振电路耦合的交流电源转换为直流电源并输出至外部负载电路，其另一路输出端为限幅电路提供电源，同时一路输出端接地，用于在场强过强时将电荷输出至地；

限幅电路，其电源输入端连接至所述整流电路电源输出端V₁，其输出端V_R连接至整流电路控制输入端。

图2为本发明采用的整流电路实施例一结构图。所述整流电路2包括并联连接于第一天线端in1与第二天线端in2之间的第一整流支路，第二整流支路以及第三整流支路。

所述第一整流支路为桥式整流电路，其一输出端接地，另一输出端V_{dd_out}连接至外部负载电路，用于将谐振电路耦合的交流电源转换为直流电源为外部负载电路提供电源。

所述第二整流支路为连接于第一天线端in1与第二天线端in2之间的第五二极管D5和第六二极管D6，所述第五二极管D5和第六二极管D6用于将谐振电路耦合的交流电源转换为直流电源V₁并输出至限幅电路输入端，为限幅电路提供电源。

第二整流支路的第二种实施例结构如图3所示，该实施例中所述第二整流支路为连接于第一天线端in1与第二天线端in2之间的第二N型MOS管NM2和第三N型MOS管NM3，所述第二N型MOS管NM2栅极和漏极分别连接至第一天线端in1，第三N型MOS管NM3栅极和漏极分别连接至第二天线端in2，第二N型MOS管NM2源极连接至第三N型MOS管NM3源极,用于将谐振电路耦合的交流电源转换为直流电源V₁并输出至限幅电路输入端，为限幅电路提供电源。

上述第五二极管D5和第二N型MOS管NM2，以及第六二极管D6和第三N型MOS管NM3均为单向导通的电子元件，用于将第一天线端in1与第二天线端in2之间的交流电源整流为直流电源V₁，则V₁的电压值为V_in1(正半周交流信号)或V_in2(负半周交流信号)减去二极管或MOS管的阈值电压。

所述第三整流支路为连接于第一天线端in1与第二天线端in2之间的第七二极管D7和第八二极管D8，所述第七二极管D7和第八二极管D8阴极端连接至第一N型MOS管NM1漏极，所述第一N型MOS管NM1栅极连接至限幅电路的输出端V_R，其源极接地，用于在场强过强时将谐振电路耦合的电荷输出至地，从而减小第一天线端in1与第二天线端in2之间的电荷量。

第三整流支路的第二种实施例结构如图3所示，该实施例中所述第三整流支路为连接于第一天线端in1与第二天线端in2之间的第四N型MOS管NM4和第五N型MOS管NM5，所述第四N型MOS管NM4栅极和漏极分别连接至第一天线端in1，第五N型MOS管NM5栅极和漏极分别连接至第二天线端in2，第四N型MOS管NM4源极连接至第五N型MOS管NM5源极并连接至第一N型MOS管NM1漏极，所述第一N型MOS管NM1栅极连接至限幅电路的输出端V_R，其源极接地，用于在场强过强时将谐振电路耦合的电荷输出至地，从而减小第一天线端in1与第二天线端in2之间的电荷量。

上述第七二极管D7和第四N型MOS管NM4，以及第八二极管D8和第五N型MOS管NM5均为单向导通的电子元件，用于将第一天线端in1与第二天线端in2之间的交流电源整流为直流电源并输入至第一N型MOS管NM1。

所述第一整流支路、第二整流支路以及第三整流支路中起整流作用的单向导通电子元件均可采用二极管或MOS管的任意形式的组合，包含但并不限于附图中所示出的两种组合方式，且可以通过调整所述二极管的尺寸(即PN结的面积)或调整MOS管的沟道尺寸比例来设定二极管或MOS管的放大比例，达到节省功耗的目的。

如图4所示为本发明采用的限幅电路结构图。所述限幅电路包括第一P型MOS管PM1、第二P型MOS管PM2、电阻R以及阈值单元，

所述第一P型MOS管PM1和第二P型MOS管PM2源极分别连接至电源V₁作为电流源，第一P型MOS管PM1栅极连接至第二P型MOS管PM2栅极构成电流镜，第一P型MOS管PM1栅极连接至其漏极并连接至所述阈值单元，阈值单元的输出端接地。所述第二P型MOS管PM2漏极连接至第一N型MOS管NM1栅极并通过电阻R接地。

所述阈值单元用于与第一P型MOS管PM1组成一个单向导通支路，且可通过设定该支路中单向导通电子元器件的数量来达到限定导通电压的功能。因此，所述阈值单元可采用至少一个串联连接的二极管，或者是至少一个串联连接的P型MOS管，或者是至少一个串联连接的N型MOS管。

所述至少一个二极管中，任一二极管阴极端与相邻二极管阳极端连接形成串联结构，第一个二极管阳极端连接至第一P型MOS管PM1的漏极端为所述阈值单元的输入端，最后一个二极管阴极端接地为所述阈值单元的输出端；

所述至少一个P型MOS管中，任一P型MOS管漏极端与相邻P型MOS管的源极端连接形成串联结构，第一个所述P型MOS管的源极连接至第一P型MOS管PM1的漏极端为所述阈值单元的输入端，最后一个P型MOS管的漏极接地为所述阈值单元的输出端,各P型MOS管的栅极均与漏极相连；

所述至少一个N型MOS管中，任一N型MOS管源极端与相邻N型MOS管的漏极端连接形成串联结构，第一个所述N型MOS管的漏极连接至第一P型MOS管PM1的漏极端为所述阈值单元的输入端，最后一个N型MOS管的源极接地为所述阈值单元的输出端,各N型MOS管的栅极均与漏极相连。

如图5所示为本发明限幅电路的第一实施例结构图，该实施例中所述阈值单元为串联连接的第九二极管D9和第十二极管D10，所述第九二极管D9正极连接至第一P型MOS管PM1漏极端，其负极连接至第十二极管D10正极，第十二极管D10负极接地。

如图6所示为本发明限幅电路的第二实施例结构图，该实施例中所述阈值单元为串联连接的第三P型MOS管PM3和第四P型MOS管PM4，所述第三P型MOS管PM3源极连接至第一P型MOS管PM1漏极端，其栅极连接至其漏极并连接至所述第四P型MOS管PM4源极，第四P型MOS管PM4栅极连接至其漏极并接地。

如图7所示为本发明限幅电路的第三实施例结构图，该实施例中所述阈值单元为串联连接的第六N型MOS管NM6和第七N型MOS管NM7，所述第六N型MOS管NM6漏极连接至第一P型MOS管PM1漏极端，其栅极连接至其漏极端，其源极连接至所述第七N型MOS管NM7漏极，第七N型MOS管NM7栅极连接至其漏极，其源极接地。

本实施例以在电压源与地之间串接第一P型MOS管PM1和阈值单元为例，则该单向导通支路的启动电压为第一P型MOS管PM1栅源电压及阈值单元的导通电压之和，可通过设定阈值单元的二极管，或P型MOS管或N型MOS管的数量来控制启动电压的值，即：若需要天线端的电压在较低的情况下即启动限幅电路，则在该支路串接较少的二极管或MOS管，则各电子元器件的导通电压之和小，当V₁高于该导通电压之和时，该限幅电路即导通实现漏电；反之，若需要天线端的电压在较高的情况下才启动限幅电路，则在该支路串接较多的二极管或MOS管，使导通电压之和增加，当V₁低于该导通电压之和时，限幅电路不导通，电荷全部聚集于第一天线端与第二天线端之间，并转换为较高的直流电源供给负载电路。

本发明实施例的另一目的在于提供一种包括上述动态整流控制电路的无源RFID，所述该无源射频识别标签可对第一天线端与第二天线端之间的电压进行动态的整流控制，当该电压过高时，所述的动态整流控制电路可将天线端的电荷输出至地，从而减小天线端的电荷量，使整流出的直流电压降低，防止过高的电压损坏负载电路，同时也防止了读卡器端接收饱和现象的发生。

本发明实施例的再一目的在于提供应用上述无源RFID对电路进行连续动态整流控制的方法，该方法包括如下步骤：

a、谐振电容与谐振电感并联连接于第一天线端与第二天线端，并且耦合外部电磁场从而产生交流电流并输入至整流电路，整流电路将该交流电流整流为直流电流并输出至限幅电路的电源输入端V₁；

b、若电源输入端V1的电压值小于第一P型MOS管栅源电压及阈值单元的导通电压之和，则第一P型MOS管和阈值单元不导通，第二P型MOS管漏极输出的电流为零，则与第二P型MOS管串接的电阻R上产生的电压V_R为零,第一N型MOS管不导通，对第一天线端与第二天线端之间的电荷量不造成影响；若电源输入端V1的电压值大于第一P型MOS管栅源电压及阈值单元的导通电压之和，则第一P型MOS管和阈值单元导通从而产生支路电流，第一P型MOS管将该支路电流镜像至第二P型MOS管并流过与其串联的电阻R产生电压差V_R输入至第一N型MOS管栅极，将第一N型MOS管导通，通过第一N型MOS管的源极将第一天线端与第二天线端之间的电荷输出至地，使得第一天线端与第二天线端之间的电荷量减小；

c、第一天线端与第二天线端之间的电荷量减小，则桥式整流电路两端的交流电压减小，其整流出的直流电源减小，从而实现对电路电压进行连续的、循环的动态整流控制；

所述阈值单元为至少一个串联连接的二极管，所述至少一个二极管中，任一二极管阴极端与相邻二极管阳极端连接形成串联结构，且所述二极管的实际使用数量由所述谐振电容与谐振电感所需要产生的耦合交流电流的大小来决定。

Claims (1)

1.一种应用无源RFID对电路进行连续动态整流控制的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

a、谐振电容与谐振电感并联连接于第一天线端与第二天线端，并且耦合外部电磁场从而产生交流电流并输入至整流电路，整流电路将该交流电流整流为直流电流并输出至限幅电路的电源输入端V₁；

b、若电源输入端V₁的电压值小于第一P型MOS管栅源电压及阈值单元的导通电压之和，则第一P型MOS管和阈值单元不导通，第二P型MOS管漏极输出的电流为零，则与第二P型MOS管串接的电阻R上产生的电压V_R为零,第一N型MOS管不导通，对第一天线端与第二天线端之间的电荷量不造成影响；若电源输入端V₁的电压值大于第一P型MOS管栅源电压及阈值单元的导通电压之和，则第一P型MOS管和阈值单元导通从而产生支路电流，第一P型MOS管将该支路电流镜像至第二P型MOS管并流过与其串联的电阻R产生电压差V_R输入至第一N型MOS管栅极，将第一N型MOS管导通，通过第一N型MOS管的源极将第一天线端与第二天线端之间的电荷输出至地，使得第一天线端与第二天线端之间的电荷量减小；

c、第一天线端与第二天线端之间的电荷量减小，则桥式整流电路两端的交流电压减小，其整流出的直流电源减小，从而实现对电路电压进行连续的、循环的动态整流控制；

所述阈值单元为至少一个串联连接的二极管，所述至少一个二极管中，任一二极管阴极端与相邻二极管阳极端连接形成串联结构，且所述二极管的实际使用数量由所述谐振电容与谐振电感所需要产生的耦合交流电流的大小来决定。