CN100412895C - 一种基于电容储能的自适应射频能量提取电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于微电子技术领域，具体为一种基于电容储能的自适应射频能量提取电路。本发明采用电容作为电路的储能元件，将射频能量提取和供电分开，从而能够优化射频能量提取整流电路参数。本发明还通过自动切换储能电容的数量来改变供电能力以适应电路工作和等待时间比例，降低电路工作的平均最小输入能量，提高电路性能。

Description

一种基于电容储能的自适应射频能量提取电路

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种能自适应选取整流电路输出储能电容数量的电路结构。

背景技术

射频识别技木在近年来获得了突飞猛进地发展。从工作模式上分，射频识别技术可以分为有源、无源和半有源三种。划分的准则是依据射频识别应答器/标签的供电模式。有源标签由电池提供电路工作和通信所需能量，无源标签由读写器提供电路工作和通信所需能量，而半有源则是由电池提供工作能量而通信是通过反射读写器发送能量实现。无源的射频识别技术由于其成本低廉、体积小、封装简易、性能可靠等优点被广泛地应用于物流与供应链管理、资产管理、人员管理、防伪防盗等领域。

由于无源射频识别标签完全由读写器发射的电磁场提供工作和通信所需能量，如何提高射频能量提取的效率是提高系统性能的关键技术之一。

读写器发射的电磁场是一个交变的能量，标签通过天线耦合或者吸收这一交变能量。但是芯片电路工作所需的能量是一个直流能量，因此在标签芯片上需要一个射频能量到直流能量的提取电路，这种电路结构通常被称作整流电路。整流电路采用非线性器件和储能元件将射频能量转换为直流能量为其他电路提供电源。

整流电路有全波整流、半波整流、全波倍压整流、电荷泵结构的多级整流等电路结构。实际设计中由于整流电路中的非线性元件，如二极管都有一个死区电压，只有当输入信号的电压幅度大于死区电压时才能导通而实现整流功能。所以整流电路对输入信号的幅度都有一定要求。同时，由于整流电路结构本身有损耗，整流电路有一定的效率。我们将整流电路的效率η定义为输出直流能量Pout_DC除以输入射频能量P_mRF，如式(1)：

$\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{Pout}}_{\mathrm{DC}}}{{\mathrm{Pin}}_{\mathrm{RF}}}---\left(1\right)$

提高系统的性能，除了降低标签芯片的电路功耗外，提高整流电路的工作效率也是一个主要方法。

由于射频识别读写器属于短距离无线电设备，其发射频段和能量均有严格的规定。在给定发射能量的前提下，一个电子标签在一个特定物理位置所能获得的能量是一定的。超高频电子标签(工作于远场)所能获得的最大能量如式(2)：

$P_{\mathrm{rec}}=P_{\mathrm{tra}}{G}_{\mathrm{tra}}{G}_{\mathrm{trp}}{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\πr}}\right)}^2=\mathrm{EIRP}\×G_{\mathrm{trp}}\×{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\πr}}\right)}^2---\left(2\right)$

式(2)中P_rec为标签芯片的接收能量，P_tra为读写器的发射功率，G_tra为发射天线增益，G_trp为接收天线增益，λ为射频载波波长，r为读写器和标签直线可视距离，EIRP为等效全向辐射功率。式(2)中表明最大能量和读写器发射能量，标签天线增益成正比，和距离的平方成反比，和电磁波波长平方成正比。

高频电子标签(工作于近场)所能获得的最大能量如式(3)：

$H_0=\sqrt{\frac{P_r}{A_{\mathrm{ant}}\×{\mathrm{\μ}}_{0}c}}---\left(3\right)$

式(3)中H₀表示电磁场强度，P_r表示标签芯片接收场强，A_ant为天线线圈面积，μ_o为真空磁导率，c为光速，该式表明当电子标签的天线线圈面积一定，磁场强度一定的情况下，最大的接收能量P_r是一定的。在能量一定的条件下，根据功率公式P＝V_avg·L_avg可知，芯片所能获得的平均电压和电流成反比。也就是说，在给定的能量下，芯片可以通过减小平均电流来提高整流输入端的端电压，或者反过来减小整流输入端的端电压。如何合理分配这两者需要根据整流电路结构、其他电路的最低工作电压及功耗等因素来确定。但实际上，传统的整流电路结构并不能在满足其它电路工作要求的前提下取得最佳整流电路效率。

以桥式整流为例，当其他电路的最小工作电压V_dd确定以后，最小的射频端输入幅度也随着确定为V_dd+2V_th。随着射频端的输入幅度增加，输出的直流工作电压也会提高。而一般的负载电路工作电流会随着电源电压升高而升高，由此整个电路的功耗会增加。而另一方面，由于整流电路整流管的等效导通电阻会随着输入信号的幅度增大而减小，输入信号幅度的增加有助于提高整流电路的转换效率。这样就产生了一个矛盾：提高芯片射频输入端的信号幅度可以提高整流电路的整流效率，而输入信号幅度增加又会导致负载功耗增加，反过来限制了标签的工作范围。因此，实际上在最小输入能量情况下，整流电路通常工作在非最佳效率状态下。如何来解决这个问题呢？另外，芯片的最小工作功耗也限制了标签的工作范围，是否能够设计新的电路结构来提高标签的工作范围呢？

通过对射频识别系统的分析，我们发现标签在读写器电磁场中并不是全时工作的。标签芯片在等待时和工作时的功耗是不同的，等待时芯片内部仅仅有很少一部分电路工作。如果我们用输入的射频能量实时给芯片供电，那么标签芯片工作时的功耗就决定了最小的输入射频功率。而如果我们采用能量存储元件，将射频能量存储起来，那么只要有稍大于标签芯片等待时功耗的输入功率就可以驱动芯片工作，前提是标签芯片在不同的时间工作于不同的状态而且等待功耗小于工作功耗。

电池是一种最常用的储能元件，但是用传统半导体工艺是无法在芯片内实现电池的。因此，我们采用电容作为电能存储元件。采用电容作为电能存储元件，其存储能量的大小和电容端电压成正比。在一定的输入信号幅度下，整流电路能够输出的最大直流电压是确定的，也就说对于固定的储能电容值，输入信号幅度决定了储能的大小。那么如何在一定的输入信号幅度下增加储能量呢？我们可以通过改变电容的数量来实现存储能量的调整。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于电容储能的自适应射频能量提取电路。该电路将电能提取和供电分开，便于调整整流电路参数，使之效率得以优化，并根据电路工作和等待时间比例，通过自适应控制，动态调整储能电容的数量，从而最大程度减小电路工作的最小平均输入能量。

以往的能量提取和存储方法是直接在整流电路的直流输出端加固定的储能电容加以实现，如附图2。

本发明提出的自适应射频能量提取电路，以传统的提取电路为基础，在整流电路输出端除了连接基本固定储能电容外，还连接了一个选通储能电容阵列；同时，在整流电路输出端增加设置一个电平监测电路，该电路中设置两个监测电平：最大电平V_high，最小电平V_low；电平监测电路输出计数控制和计数脉冲信号，计数控制和计数脉冲控制一个N比特的计数器，N比特计数器的输出通过译码器控制储能电容阵列选通开关。

本发明采用自适应控制切换选通储能电容数量：工作时，基本储能电容开关常通；监测电平电路监测整流电路的直流输出电平，当电压大于最大电平V_high时，计数器加1，并增加一个选通电容；当电压小于最小电平V_low时，计数器减1，并减少一个选通电容。通过这种方式来改变储能电容的数量。理论上说，如果电路等待时电流可以忽略，而选通电容的数量可以增加到任意多，而芯片电路的等待/工作比例＞＞1，那么只要射频输入的能量能够让整流电路工作，标签芯片就能够工作。

附图说明

图1基于电容储能的自适应射频能量提取电路；

图2常规方法设计的射频能量提取电路；

图中标号：11为整流电路，12为电平监测电路，13为复位电路，14为计数器，15为译码器，16为选通储能电容阵列，17为天线，18为基本固定储能电容，21为整流电路，22为储能电容，23为等效负载，24为天线。

具体实施方式

下面结合附图示例进一步具体描述本发明。图2是常规的射频能量提取电路。

图1为本发明电路图，与常规的电路结构相比，本发明主要通过以下方法实施：

(1)选通电容阵列改变储能值

图1中16为选通储能电容阵列，选通储能电容阵列由电容C1、C2、C3、…CM组成，并分别设有选通开关K1、K2、K3、…KM，这些选通电容分别连接在整流电路11输出端和译码器15之间。由译码器15输出的控制信号控制电容阵列的选通开关，从而改变作为储能元件的电容值。在常规的射频能量提取电路，如图2中，输出的储能电容数量值是固定的。当输入能量大于芯片消耗能量时，储能电容的电压就会上升。而随着电压上升，负载的功耗增大，这部分增加的输入能量被浪费在负载电路上了。通过增加选通电容阵列，当储能电容的电压升高到高电平监测值V_high时，控制电路可以增加储能电容值，这样能量就能够被存储而不是被浪费了。

(2)高低电平监测自适应控制

背景技术中我们已经说明，标签芯片的状态可以分为工作和等待两个基本状态，这两个状态的芯片功耗是不同的。我们可以分析两种极端情况：全时工作和全时等待。全时工作状态下，输入的射频功率和整流电路的效率乘积必须大于芯片的工作功耗，即P_rf·η≥P_DC(work)，这种情况下的储能电容仅仅是起到减小整流输出电压纹波系数的作用，实际设计中，我们可以根据芯片的工作电流及纹波系数要求计算得到基本储能电容(图1中的18)值。全时等待情况下，如果芯片设计得当，其负载电流非常小，稍大于负载损耗功率的射频输入功率就可以给储能电容充电而将射频能量存储起来。

我们希望存储的能量越多越好，但是芯片的工作/等待时间比例并不是固定不变的。当等待时间比重增加时，我们可以增加储能电容数量；而工作时间比重增加时，我们则必须减少储能电容数量，否则整流输出的直流电平就无法满足电路的工作要求了。

本发明引入了高低电平监测电路，该电路监测整流输出直流电平。当整流输出直流电平高于V_high时，输出计数控制为Up，同时输出一个计数脉冲，使计数器14加一，通过译码控制电路可以打开一路储能电容。当新的一路储能电容打开时，由于电荷重新分配，整流输出的直流电平会有所下降。合理设计电容值比例，可以防止切换后的直流电平低于V_low。当整流输出的直流电平低于V_low时，输出技术控制为Down，同时输出一个计数脉冲，使计数器14减一，通过译码控制电路可以关闭一路储能电容。

该电路结构可以自适应地调节储能电容的数量。

(3)复位电路及复位、检测电平的设置

为了使电路能够稳定工作，发明中还包含复位电路13。复位电路13设置在整流电路11输出端和计数器12之间，当P_rf·η≤P_DC(idle)时，标签芯片无法工作，此时复位电路将芯片置于复位状态。当输入射频功率增大P_rf·η≥P_DC(idle)时，整流电路输出直流电平达到电路工作要求后，复位电路将计数器清零，储能电容仅仅为基本储能电容。切换储能电容数量均是在输入功率满足P_rf·η≥P_DC(idle)的前提下进行。因此，复位电压V_reset，低监测电压V_low和高监测电压V_high的设置关系如式(4)：

V_reset＜V_low＜V_high(4)

最后所应说明的是，以上电路结构仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管结合具体电路对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的原理和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1. 一种基于电容储能的自适应射频能量提取电路，其特征在于在整流电路输出端除了连接基本固定储能电容外，还连接了一个选通储能电容阵列；同时，在整流电路输出端增加设置一个电平监测电路，该电路中设置两个监测电平：最大电平V_high，最小电平V_low；电平监测电路输出计数控制和计数脉冲信号，计数控制和计数脉冲控制一个N比特的计数器，N比特计数器的输出通过译码器控制选通储能电容阵列选通开关。

2. 根据权利要求1所述的提取电路，其特征在于所述选通储能电容阵列由电容C1、C2、C3、…CM组成，并分别设有选通开关K1、K2、K3、…KM，这些选通电容分别连接在整流电路(11)输出端和译码器(15)之间。

3. 根据权利要求1或2所述的提取电路，其特征在于还包含复位电路(13)，该复位电路(13)设置在整流电路(11)输出端和计数器(14)之间。

4. 根据权利要求1所述的提取电路，其特征在于采用自适应控制切换选通电容数量：工作时，基本储能电容开关常通；监测电平电路监测整流电路的直流输出电平，当电压大于最大电平V_high时，计数器加1，并增加一个选通电容；当电压小于最小电平V_low时，计数器减1，并减少一个选通电容。

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