CN102364500B

CN102364500B - 无源rfid或非接触式智能卡芯片动态频率调整电路

Info

Publication number: CN102364500B
Application number: CN201110316028.2A
Authority: CN
Inventors: 王明宇
Original assignee: Shanghai Huayi Microelectronic Material Co Ltd
Current assignee: Shanghai Huayi Microelectronic Material Co Ltd
Priority date: 2011-10-18
Filing date: 2011-10-18
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2031-10-18
Also published as: CN102364500A

Abstract

本发明涉及一种无源RFID或非接触式智能卡芯片动态频率调整电路，其特征在于：包含有磁场检测器(1)、负载检测器(2)、负载比较器(3)和时钟切换器(4)，所述磁场检测器(1)和负载检测器(2)与负载比较器(3)连接，负载比较器(3)与时钟切换器(4)连接，磁场检测器输出三比特的电压比较结果voltage_flag[2:0]，负载检测器根据模块的busy信号输出六比特的当前负载值current_load[5:0]，负载比较器根据voltage_flag[2:0]和current_load[5:0]比较输出两比特选择信号select[1:0]，时钟切换器根据select[1:0]进行选择确定系统时钟。

Description

无源RFID或非接触式智能卡芯片动态频率调整电路

技术领域

本发明涉及一种无源RFID或非接触式智能卡芯片动态频率调整电路。

背景技术

无源RFID或者非接触智能卡芯片，这些芯片工作时的能量来自于读卡器通过天线发射的电磁波能量。芯片耦合到的能量随着与读卡器的通信距离的增大而减少，但此时仍然需要芯片能正常工作。针对这种情况，需要有特殊的低功耗设计方法来降低无源RFID或者是非接触智能卡芯片的功耗，以确保随着通信距离的增加芯片获得能量不断减少的情况下，芯片与读卡器的通信能够正常进行。

国际上，对无源RFID和非接触智能卡芯片的低功耗设计进行了许多研究。目前主要采用绝热电路和异步电路对这些本身不带有电源供电的芯片即无源芯片进行低功耗设计。

虽然这些特殊低功耗设计方法同传统同步电路设计方法相比是相当有效的，但是它们不能够对实际获得的能量情况作出动态自适应调整，这就意味着当耦合能量足够大即能够让芯片工作在更快频率或更高性能的时候，这些方法不能完全充分利用所获得的能量。同时，绝热电路和异步电路实现起来比较复杂，因为这些方法不能直接使用由芯片生产厂商所提供的常规CMOS工艺库。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足和缺陷，本发明提供一种动态频率调整电路，能够让无源RFID或者非接触智能卡芯片根据当前获得的能量使芯片动态自动适应调整运行速度，使芯片运行在当前耦合能量所能负担的最高运行频率或运行速率。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种无源RFID或非接触式智能卡芯片动态频率调整电路，其特征在于：包含有磁场检测器、负载检测器、负载比较器和时钟切换器，所述磁场检测器和负载检测器与负载比较器连接，负载比较器与时钟切换器连接。

所述磁场检测器包含一个全波整流器和三个电压比较器。

所述全波整流器采用NMOS栅交叉连接桥式整流器。

磁场检测器输出三比特的电压比较结果voltage_flag[2:0]，负载检测器根据模块的busy信号输出六比特的当前负载值current_load[5:0]，负载比较器根据voltage_flag[2:0]和current_load[5:0]比较输出两比特选择信号select[1:0]，时钟切换器根据select[1:0]进行选择确定系统时钟。

本发明所描述的无源RFID或非接触式智能卡芯片动态频率调整电路，其优点和有益的效果在于：本发明直接使用生产厂商所提供的标准单元库，无需额外设计特殊单元库，它的设计流程要比绝热电路和异步电路的设计流程简单许多，电路的可验证性和可靠性也大大增强。

附图说明

图1为本发明的电路原理结构示意框图。

图2为本发明全波整流器的电路原理结构示意框图。

图3为本发明电压比较器的电路原理结构示意框图。

图4为本发明参考电压源可调电路原理结构示意框图。

图5为本发明时钟切换器电路原理结构示意框图。

图中：1-磁场检测器，2-负载检测器，3-负载比较器，4-时钟切换器，5-全波整流器，6-电压比较器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明所描述的无源RFID或非接触式智能卡芯片动态频率调整电路由四部分组成，磁场检测器1，负载检测器2，负载比较器3和时钟切换器4，其中：磁场检测器1用来将磁场能量转化为直流电平，用来标志芯片能量的提供状态；负载检测器2检测当前芯片电路各个模块的负载情况，用来标志芯片能量的消耗状态；负载比较器3则对能量提供状态和能量消耗状态进行比较，由比较结果选择出最合适工作频率的时钟供芯片各个模块工作；时钟切换器4根据负载比较结果选择合适时钟频率的时钟作为系统时钟。在消耗功率小于瞬时耦合磁场能量的情况下可以将芯片系统运行频率升高，在消耗功率大于瞬时耦合磁场能量的情况下将系统运行频率降低。

结合图1-图4，磁场检测器1由一个全波整流器5和三个电压比较器6组成。全波整流器5采用传统的NMOS栅交叉连接桥式整流器结构，因为在一般的CMOS工艺中，NMOS比PMOS的耐压性能更好，整流器5的输出电压VCCL大约为：VCCL≈V_ant-V_th(V_ant为线圈感应到的电压)。图中ant1和ant2表示无源RFID或非接触智能卡天线两端信号，天线模型由电感电容表示，其中f表示无源RFID或者非接触智能卡的载波频率，n＝1，2，4。天线两端的电压经过整流器5整形输出一个电压信号VCCL_P到电压比较器6。电压比较器6总共有三个，结构完全一样，只不过这三个电压比较器的参考电压是不同的，因此电压比较器6能确定的电压范围可以分为三段。三个电压比较器输出电压比较的结果voltage_flag，由于每个电压比较器会输出一个结果，因此磁场检测器最终会输出三比特的电压比较结果voltage_flag[2:0]。

模拟电路都要求能工作在较大的电源电压范围内和较大的温度范围内，尤其在无源RFID系统中，同时希望将电路功耗降至最低，由于电源电压检测电路一旦上电，就长久处于工作状态，因此电压检测电路需要满足电源电压、温度、功耗等条件的约束。根据实际需求，可以确定电源电压检测电路由三部分组成(如图3所示)，参考电压源、采样电路和比较器电路。

由于无源RFID或非接触智能卡的应用环境各种各样，即和它们通信的读卡器是各种各样的，发射的能量以及所耦合的能量也不相同，为了适应实际应用情况，本发明中电压比较器的参考电压是可调的。如图4所示，采用三位调节控制位，通过3/8译码器来控制八个开关。当trim<i>(i＝0，1，2…6，7)是零的时候，对应的开关就打开，与之并行的电阻就会被短路掉，Vref值也就随之而改变。

Roi(i＝1，2，3，4)用来对参考电压进行分压。如下表1：

表1给出了三个电压比较器组成的三比特电压标志信号voltage_flag不同值所对应的负载阈值，此时trim<5>＝0，其它trim值都为1，即图4中的开关短路。负载阈值的大小表示当前无源RFID或非接触智能卡所获得有效能量的大小。

负载检测器2会检测芯片中各个模块的busy信号，如果该模块的busy信号为低，表明该模块当前没有工作，如果该模块的busy信号为高，则表明该模块当前正在工作。负载检测器2根据各个模块在工作时所消耗功耗的权重不同，计算出整个芯片的功耗负载情况，将当前模块的功耗权重相加，输出六比特的当前负载值current_load[5:0]，如下表2：

功耗权重是和模块功耗成正比，即模块功耗越大，它所对应的功耗权重就越大。

结合图5，负载比较器3有两路输入信号，一路来自于磁场检测器1的三比特voltage_flag[2:0]，另一路来自负载检测器2六比特负载值current_load[5:0]。负载比较器2对当前耦合能量的大小和当前模块功耗负载进行比较，输出两比特选择信号select[1:0]，时钟选择器4根据两比特选择信号的值对三路不同频率的时钟进行选择，最后输出一路时钟作为芯片运行的系统时钟。负载比较器3选择正确频率的时钟供芯片工作，目的就是能够让无源RFID芯片或非接触智能卡芯片能够根据当前耦合能量进行动态自适应调整从而运行在最合适的频率。比较过程共分五步，其中PL表示当前模块负载，PL_TH表示当前负载阈值，N表示新的时钟频率分频数(N＝1，2，4)，n表示当前时钟频率分频数(n＝1，2，4)：

1)if(PL/n＜＝PL_TH)&&(PL*2＞PL)，当前系统频率不改变；

2)else if(PL*2＜＝PL_TH)&&(PL*4＞PL_TH)，then当前系统频率二倍频；

3)else if(PL*2＜PL_TH)&&(PL*4＜＝PL_TH)，then当前系统频率四倍频；

4)else if PL/n＞PL_TH*2，then当前系统频率四分频；

5)else PL/n＜＝PL_TH，then当前系统频率二分频。

例如，当芯片工作在四分频的时候，此时模块的瞬时负载为10，要小于频率四分频对应的负载阈值20，如果瞬时负载乘以2，则结果为20，仍然不超过负载阈值20，则负载比较器会选择新的二分频频率时钟供系统工作；又如当芯片工作在四分频时，此时模块的瞬时负载为15，要小于对应的负载阈值20，则此时负载比较器3会保持当前的频率不变化；如果芯片工作在四分频时，此时模块的瞬时负载为30，超过了四分频对应的负载阈值，则负载比较器3会将当前瞬时负载除以2，得到15要小于当前的负载阈值，此时负载比较器3会选择输出八分频(此时分频比n＝4)的时钟。总之负载比较器3要在任何时候确保当前模块的负载除以芯片工作的分频比(n＝1，2，4)要小于当前所对应的负载阈值。

在上述实施例中，对发明的一种最佳实施方式做了描述，很显然，在本方案的发明构思下所做出的任何改变都将落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种非接触式智能卡芯片动态频率调整电路，其特征在于：包含有磁场检测器(1)、负载检测器(2)、负载比较器(3)和时钟切换器(4)，所述磁场检测器(1)和负载检测器(2)与负载比较器(3)连接，负载比较器(3)与时钟切换器(4)连接；

所述磁场检测器（1）包含一个全波整流器（5）和三个电压比较器（6）；

磁场检测器（1）输出三比特的全波整流器（5）输出电压与三个电压比较器（6）的电压比较结果voltage_flag[2:0]，负载检测器（2）根据时钟驱动模块的busy信号输出六比特的当前负载值current_load[5:0]，负载比较器（3）对voltage_flag[2:0]和current_load[5:0]进行比较，输出两比特选择信号select[1:0]，时钟切换器（4）根据select[1:0]进行选择确定系统时钟。

2.根据权利要求1所述的非接触式智能卡芯片动态频率调整电路，其特征在于：所述全波整流器（5）采用NMOS栅交叉连接桥式整流器。