CN100517908C - 零静态功耗感应方式控制的供电控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及零静态功耗感应方式控制的供电控制电路，属于模拟信号处理领域。该电路包括电源恢复电路、电压偏置电路、解调电路、时钟电路、复位电路、数字控制电路以及可控开关；各单元电路的连接关系为：电源恢复电路分别与所述各单元电路的输入端相连，电压偏置电路的输出端分别与解调电路、复位电路、时钟电路的输入端相连，解调电路的输出端分别与时钟电路、数字控制电路的输入端相连，复位电路和时钟电路的输出端均与数字控制电路的输入端相连，该数字控制电路的输出端与可控开关相连；本发明能够有效的解决采用电池供电的便携式电子设备等产品在存储和运输中的电源能量消耗问题，具有电路简单、面积小、感应方式控制、静态零功耗等特点。
Description
技术领域
本发明属于模拟信号处理领域，特别涉及电池供电的便携式电子设备中供电电路的结构设计。
背景技术
便携式电子设备在当今社会有着广泛的应用，如纸带式照相机、射频识别标签等。影响便携式电子设备大规模应用的关键因素是其生产成本和工作寿命，而其电池的供电能力成为保证这种设备长久使用的重要环节。
常见的便携式电子设备分为无源和有源两种，它们各有自己的应用背景。无源设备内部不含电池，为零静态功耗，它利用外部读写器发射的电磁波提供能量，优点是体积小、寿命长、成本低，缺点是工作距离有限，一般是几十厘米，且需要外部读写器的发射功率大。有源设备使用内部电池的能量为主工作电路供电，如图1所示，识别距离较长，可达十几米，需要外部读写器的发射功率较小，但是它的寿命有限、价格较高。尤其是当产品长时间处于库存状态时，这种特点会更加明显。
针对采用电池供电的便携式电子设备的应用特点，目前有以下的一些改进措施。一种措施是在电源供电回路中增加控制装置，使设备在静态非工作状态下处于微功耗状态。但是仍然没有很好解决长期空闲时功耗较大的问题。另一种措施是可以在供电回路中增加机械式触点开关，当设备在非工作状态时为零功耗；处于工作状态时，通过启动触点开关以接通电池供电。但这种供电方式装置体积大，抗震和可靠性能差，不利于运输，影响了其进一步的推广使用。比如目前的无线内窥镜胶囊中，采用了磁控制干簧管开关控制其内部系统的供电，在产品运输中由于震动原因，接触点会发生意外通断，使得胶囊在使用前，电池电量就可能被消耗，导致胶囊内没有足够的能量对小肠实施检查。
发明内容
本发明的目的是针对现有有源便携式电子设备的供电方式在应用中存在的问题，提出了一种零静态功耗感应方式控制的供电控制电路。这种供电方式具有零静态功耗、结构简单、体积小、可靠性高等特点。
本发明提出的零静态功耗感应方式控制的供电控制电路，其特征在于，该电路包括电源恢复电路、电压偏置电路、解调电路、时钟电路、复位电路、数字控制电路以及可控开关七个单元电路；各单元电路的连接关系为：电源恢复电路分别与所述电压偏置电路、解调电路、时钟电路、复位电路、数字控制电路以及可控开关的输入端相连，电压偏置电路的输出端分别与解调电路、复位电路、时钟电路的输入端相连，解调电路的输出端分别与时钟电路、数字控制电路的输入端相连，复位电路和时钟电路的输出端均与数字控制电路的输入端相连，该数字控制电路的输出端与可控开关相连；其中：
所述电源恢复电路用于将从天线接收进来的无线交流信号经过滤波、稳压转换成幅值稳定的直流电压，将该直流电压作为供电控制电路的工作电源；
所述电压偏置电路用于为解调电路、复位电路、时钟电路提供偏置电压；
所述解调电路提取从天线接收进来的射频调制信号的包络，整形后得到基带数字信号，并将该基带数字信号传送到数字控制电路和时钟电路进行后续处理；
所述时钟电路用于接收解调电路产生的数字信号，为数字控制电路提供时钟信号；
所述复位电路产生一个有效的复位信号，使数字控制电路复位，开始正常工作；
所述数字控制电路接收来自解调电路的信号，进行控制命令的数字解码，并控制可控开关的操作；
所述可控开关连接供电电池和主工作电路，由数字控制电路控制其通、断。
本发明的特点及效果：
采用本发明电路的便携式电子设备通过可控开关的工作，使得主工作电路的供电电路可以导通或截止。当设备处于非工作状态时，可控开关处于关断状态，整个设备为零功耗。当设备处于外部读写器的有效工作范围内时，外部读写装置经由天线给这个便携式设备的供电控制电路提供能量、时钟和数据信号。当外部能量信号消失后，此便携式设备处于非工作状态，此时数字控制电路由于检测不到来自外部的被调制信号，将触发控制开关，使其断开。则在非工作状态下实现了零功率消耗的目的。
本发明所提出的供电控制电路，均可采用在一个单芯片内部实现。其工作距离与有源便携式电子设备相同，实现了降低生产成本、延长工作寿命、提高产品的可靠性、便于运输等目的。 这种供电方式结合了有源和无源便携式电子设备各自的优点，使得在非工作状态下为零功耗，而在工作状态下又具有很强的工作能力，如有源方式的工作距离长等特点。从而达到了降低电子通信设备的尺寸和成本，同时又延长工作寿命的效果。
附图说明
图1为已有的有源便携式电子设备组成原理图。
图2为本发明的供电控制电路的组成原理图。
图3为采用本发明电路的便携式电子设备与外部读写器通信的工作原理图。
图4为本发明的电源恢复电路实施例组成原理图。
图5为本发明的电压偏置电路实施例组成原理图。
图6为本发明的解调电路的实施例组成原理图。
图7为本发明的复位电路的实施例组成原理图。
图8为本发明的时钟电路的实施例组成原理图。
图9为本发明的数字控制电路的实施例组成原理图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明的供电控制电路组成及采用本发明的便携式电子设备中的工作过程作详细说明。
本发明设计的用于便携式电子设备的供电控制电路总体结构如图2的虚线框内所示，包括电源恢复电路、电压偏置电路、解调电路、时钟电路、复位电路、数字控制电路以及可控开关；各电路的连接关系为：电源恢复电路分别与所述各电路的输入端相连(图中省略了与部分电路的连接线)，电压偏置电路的输出端分别与解调电路、复位电路、时钟电路的输入端相连(图中省略了与所述电路的连接线)，解调电路的输出端分别与时钟电路、数字控制电路的输入端相连，复位电路和时钟电路的输出端均与数字控制电路的输入端相连，该数字控制电路的输出端与可控开关相连，其中：
所述电源恢复电路用于将从天线接收进来的无线交流信号经过滤波、稳压转换成幅值稳定的直流电压，将该直流电压作为电源控制电路中各电路的工作电源；
所述电压偏置电路用于为解调电路、复位电路、时钟电路提供偏置电压；
所述解调电路提取从天线接收进来的射频调制信号的包络，整形后得到基带数字信号DIN，并将该信号传送到数字控制电路和时钟电路进行后续处理；
所述时钟电路用于接收解调电路产生的数字信号，为数字控制电路提供时钟信号CLK；
所述复位电路产生一个有效的复位信号RST，使数字控制电路复位，开始正常工作；
所述数字控制电路接收来自解调电路的信号DIN，进行控制命令的数字解码，并控制可控开关的操作；
所述可控开关连接供电电池和主工作电路，由数字控制电路控制其通、断。
采用本发明的供电控制电路的便携式电子设备的总体结构如图3所示，包括天线、本发明的供电控制电路、主工作电路和供电电池等部分。其中天线用于以电磁波的形式和外部读写装置进行能量和数据传输，在设备内部与供电控制电路和主工作电路相连；供电控制电路接收来自天线的能量和数据信号，以控制可控开关的通、断，从而决定主工作电路处于工作装态还是空闲状态；主工作电路用于接收来自天线的能量和数据信号，并将内部储存的有用信息经由天线发出；供电电池与可控开关相连，用于为主工作电路供电。
本发明中的各电路的实施例分别说明如下：
本发明的电源恢复电路实施例结构如图4所示，它由多个倍压单元级联以级联方式连接而成，每个倍压单元(如图中虚线框内的各组成元件)均由上、下两个电容C和接成二极管形式的前后两个MOS管组成；各倍压单元内的各组成元件的连接关系为：前MOS的漏极、栅极短路作为该倍压单元的输入端与前一个倍压单元的输出端相连，后MOS的漏极、栅极短路与前MOS的源极相连接，后MOS的源极作为该倍压单元的输出端与后一个倍压单元的输入端相连；该上电容的一端接天线，另一端接所述两个MOS管的连接点；该下电容的一端接倍压单元的输出端，另一端接地。
该电源恢复电路用于将从天线接收进来的较低幅度的射频信号转换成幅度稳定的直流电压。当电路达到稳态时，输出电压Vout与输入信号的幅度Vp之间的关系由下式表述：Vout＝N·(Vp-Vd)，其中Vd为MOS管的阈值电压，N为倍压单元的个数。
本发明的电压偏置电路实施例结构如图5所示，其连接关系为：M1的漏极、栅极短路，同时漏极与M4的漏极相连，M1栅极与M2的栅极相连，M1源极接地GND；M2源极通过电阻Rs接地；M3的漏极、栅极短路并与M2的漏极相连，M3栅极与M4的栅极相连，M3、M4的源极接电源Vdd；M5的源极接电源Vdd，M5栅极接M3漏极，M5漏极接M6漏极；M6的源极接地CND，M6漏极、栅极短路，并引出偏置电压BIAS；M7的漏极接M4漏极，M7源极接电源Vdd，M7栅极接复位信号RST。
上述电压偏置电路中，PMOS晶体管M7为偏置电路的启动部分，防止电路进入不确定状态。而NMOS晶体管M1、M2，PMOS晶体管M3、M4和电阻Rs为偏置电路的核心。PMOS晶体管M5和NMOS晶体管M6将偏置电流镜像输出，为其它电路提供偏置电压。
本发明的解调电路实施例结构如图6所示，由电压升压电路和两级反相器整形电路组成。其中M1-M6、C1-C6组成的升压电路(如虚线框I所示)与图4所示级联的倍压单元结构相同，其连接关系不再详述。M7-M11组成了两级反相器整形电路(如虚线框II所示)，其连接关系为：M7的栅极、漏极短路接M8源极，M7源极接电源VDD；M8、M9的栅极、漏极分别相连，其栅极接升压电路的输出端N1；M9的源极接地；M10的源极接电源VDD，M10栅极与M11的栅极相连，并连接至M8、M9的漏端；M11的源极接地，其漏极与M10漏极相连作为输出接口，将解调的信号传送至下一级电路。
上述解调电路用于提取从天线接收进来的射频调制信号的包络，经过整形后得到基带数字信号，并将该信号传送到数字控制单元和时钟电路进行后续处理。其升压电路结构同上述电源恢复电路结构相同，只是在具体的参数上有所不同。升压之后所进行的检波，采用传统的二极管包络检波。最后一级滤波电容C6很小，以改善解调信号的时域特性。M7-M11构成两级反相器整形电路，M7可以调节第一级反相器的阈值并降低功耗。
本发明的复位电路结构如图7所示，由一个施密特触发器和一个由级联结构的两级反相器相连而成。图中MOS管M0-M7构成一个施密特触发器(如虚线框I所示)，是本电路的核心，其连接关系为：M0的源极接电源VDD，M0栅极与M2、M3、M4的栅极相连，M0漏极接M2源极；M2的漏极接M3漏极；M3源极接M4漏极；M1源极接电源VDD，M1漏极接M0漏极，M1栅极接M5栅极；M5漏极接M4漏极，M4、M5源极接地；M6源极接电源VDD，M6漏极接M7漏极，M6栅极与M7栅极相连并接M2、M3的漏极(N2)。
M8-M11组成两级反相器级联结构，其连接关系为M8、M10的源极接电源VDD；M9、M11的源极接地；M8、M9的栅极相连，并接N3点；M10、M11的栅极相连，并接M8、M9的漏极；M10、M11的漏极相连，并接M12、M13的栅极。
M12源极接电源VDD，漏极与M14漏极相连，栅极与M13栅极相连，并接M10、M11的漏极；M13源极接地，漏极接M15源极；M14源极接M15漏极，栅极与M15-M20的栅极相连；M16源极接电源VDD，漏极接M17源极；M18漏极接M17漏极，源极接M19漏极；M20漏极接M19源极，源极接地。M21源极接电源VDD，栅极接M23栅极，漏极接M22漏极，并引至M0栅极；M23漏极接M22源极，源极接地；M22栅极接M24的漏极、栅极，其漏极经由C0接电源VDD；M24栅极接M20栅极，源极接地；R0一端接电源VDD，一端接M22栅极。
当电源恢复电路使电源电压达到可开始工作的电压时，复位电路将产生复位信号RST，对所有需要复位的数字单元复位，该信号同时启动电压偏置电路，使模拟电路开始正常工作。
本发明的时钟电路实施例结构如图8所示，由或门和延时电路组成。图中MOS管M1-M6构成一个或门电路(如虚线框I所示)，MOS管M7-M15构成一个延时电路(如虚线框II所示)；其连接关系为：M1源极接电源Vdd，M1漏极接M2源极，M1栅极接控制信号MO_CLK；M2漏极接M3、M4漏极，M2栅极接解调电路的输出DIN；M3栅极接MO_CLK，M3源极接地GND；M4栅极接DIN，M4源极接地，M4漏极接M5、M6的栅极 M5源极接电源Vdd，M5漏极接M6漏极；M6源极接地GND；M7源极接电源Vdd，M7漏极接M8漏极，M7栅极接M8栅极并与M5、M6的漏极相连；M8源极接M9漏极；M9源极接地GND，M9栅极接偏置信号BIAS。M10的源极接电源Vdd，M10漏极接M11漏极，M10栅极接M11栅极并接M7、M8的漏极，同时在M10栅极和电源Vdd之间接电容C0。M12的源极接电源Vdd，M12漏极接M13漏极，M12栅极接M13栅极并接M10、M11的漏极；M13源极接地GND，M13漏极与M11栅极之间接电容C1。M14源极接电源Vdd，M14漏极接M15漏极，M14栅极接M15栅极并接M12、M13漏极；M15源极接地GND，M15漏极引出所需要的时钟CLK。
本时钟恢复电路以解调电路的输出Din作为输入信号，信号BIAS是由电压源电路提供的直流偏置，时钟CLK。图中通过靠近输入端的或门实现对电路使能的控制：当控制信号MO_CLK为高电平时，可以确保电路对解调信号的输入下脉冲不反应，当MO_CLK为低电平时，时钟恢复电路正常工作。总之，通过将解调信号的上升沿延迟，可以产生时钟信号，供数字控制电路使用。
本发明的数字控制电路实施例结构如图9所示。它由数字解码电路组成，该数字解码电路的输出端与可控开关K相连。数字解码电路可由常规数字仿真软件实现，关键是要满足设定的逻辑关系；即数字控制电路首先对解调电路输出的控制命令进行数字解码，判断所要执行的是连通还是关断信号，然后给可控开关输出相对应的高、低电平。
例如当控制命令为“1001”时，数字解码为高电平；当控制命令为“0110”时，数字解码为低电平。可控开关K可由MEMS管或MOS管电路实现属于常规工艺，其一端连接供电电池，另一端连接主工作电路。
本发明的整个供电控制电路的工作过程为：当便携式电子设备处于非工作状态时，可控开关处于断开状态，电路的功耗为零；当其位于外部读写器的有效工作范围内时，便携式电子设备首先通过天线以感应方式接收外部读写器提供的能量和命令信号，并通过本发明的数字控制电路的动作，启动连接主工作电路和主电源的可控开关，使得主工作电路接通电源，开始工作；当完成数据传输后，外部读写器发出关断命令，使可控开关断开，则主工作电路与主电源断开，重新恢复到零功耗状态，即为非工作状态模式。
Claims (6)
1、一种零静态功耗感应方式控制的供电控制电路，其特征在于，该电路包括电源恢复电路、电压偏置电路、解调电路、时钟电路、复位电路、数字控制电路以及可控开关七个单元电路；各单元电路的连接关系为：电源恢复电路分别与所述电压偏置电路、解调电路、时钟电路、复位电路、数字控制电路以及可控开关的输入端相连，电压偏置电路的输出端分别与解调电路、复位电路、时钟电路的输入端相连，解调电路的输出端分别与时钟电路、数字控制电路的输入端相连，复位电路和时钟电路的输出端均与数字控制电路的输入端相连，该数字控制电路的输出端与可控开关相连；其中：
所述电源恢复电路用于将从天线接收进来的无线交流信号经过滤波、稳压转换成幅值稳定的直流电压，将该直流电压作为所述供电控制电路的工作电源；
所述电压偏置电路用于为解调电路、复位电路、时钟电路提供偏置电压；
所述解调电路提取从天线接收进来的射频调制信号的包络，整形后得到基带数字信号，并将该基带数字信号传送到数字控制电路和时钟电路进行后续处理；
所述时钟电路用于接收解调电路产生的数字信号，为数字控制电路提供时钟信号；
所述复位电路产生一个有效的复位信号，使数字控制电路复位，开始正常工作；
所述数字控制电路接收来自解调电路的信号，进行控制命令的数字解码，并控制可控开关的操作；
所述可控开关连接供电电池和主工作电路，由数字控制电路控制其通、断。
2、如权利要求1所述的供电控制电路，其特征在于，所述电源恢复电路由多个倍压单元以级联方式连接而成，每个倍压单元均由上、下两个电容C和接成二极管形式的前后两个MOS管组成。
3、如权利要求1所述的供电控制电路，其特征在于，所述解调电路由电压升压电路和两级反相器整形电路相连而成。
4、如权利要求1所述的供电控制电路，其特征在于，所述复位电路由一个施密特触发器和一个由级联结构的两级反相器相连而成。
5、如权利要求1所述的供电控制电路，其特征在于，所述时钟电路，由或门和延时电路组成。
6、如权利要求1所述的供电控制电路，其特征在于，所述数字控制电路由数字解码电路组成，该数字解码电路的输出端与所述可控开关相连；该数字解码电路设定的逻辑关系为；数字控制电路首先对解调电路输出的控制命令进行数字解码，判断所要执行的是连通还是关断信号，然后给可控开关输出相对应的高、低电平；所述可控开关由MEMS管或MOS管电路实现。
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