CN102868237B

CN102868237B - 一种用于提高非接触式ic卡能量传输效率的电路

Info

Publication number: CN102868237B
Application number: CN201210367428.0A
Authority: CN
Inventors: 乌力吉; 王蓓蓓; 张向民
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2032-09-28
Also published as: CN102868237A

Abstract

一种用于提高非接触式IC卡能量传输效率的电路，属于大电流无源系统的能量传输电路技术领域，其特征在于，依次包括：匹配电路，包括若干电容和开关，用于获得最佳匹配；整流电路，包括若干MOS管，用于把交流电压转换为直流电压；稳压限幅电路，包括若干稳压单元及限幅单元，用于稳定上一级输出的直流电压，储能电路，包括一个储能电容，用于在场强降低时储存能量，电流监测电路及开关控制电路，包括电流复制管和比较器，用于控制匹配电路中的开关。本发明在低场强大负载的情况下，通过自动调整匹配电路，提高能量传输效率，可满足负载较大的非接触IC卡的要求，可以应用到如金融IC卡等智能IC卡中为所有模块供电。

Description

一种用于提高非接触式IC卡能量传输效率的电路

技术领域

本发明为一种可适用于智能IC卡等非接触IC卡的大电流无源系统的能量传输电路，它涉及匹配电路，整流电路，储能电路，稳压限幅电路，电流监测及开关控制电路的设计。

技术背景

随着技术的进步，非接触IC卡的应用越来越广泛，在对于运算处理能力和安全性要求更高的应用场合，非接触式IC卡的内部功耗大幅上升。由于非接触式IC卡绝大部分是无源的，工作时的电源能量由卡片天线从读卡器天线发射的磁场中通过电磁耦合获得。因此能量耦合效率的高低决定了非接卡能够提供的最大功耗。而影响能量耦合的决定因素是匹配电路的设计。根据资料显示，目前设计的匹配电路主要都是由天线端直接并联一个谐振电容来实现，这种匹配实现起来比较简单，但是并没有达到最佳匹配，对于普通非接卡(功耗较低)这种匹配方法可以满足要求，但是对于金融IC卡(功耗很大)的应用场合，在磁场强度处于1.5A/m时(ISO/IEC14443-2标准中规定的最低值)，耦合到的能量不再能够提供电路正常工作。

发明内容

本发明的目的是提出一种与射频前端电路配合的新的匹配电路方法，使得它在场强低时能够与卡片天线以及卡内射频前端电路达到最佳匹配，使得卡内后端电路模块获得尽可能高的能量；在场强高时避免卡内限幅电路电流过大造成过热导致卡片损坏。

本发明的特征在于，包括以下几个部分：

匹配电路，整流电路，储能电路，稳压限幅电路，电流监测及开关控制电路，其中：

匹配电路：由电容C1、C2、C3以及开关P1、P2组成，各部分的连接关系是：电容C1一端接天线等效电路输出端1，另一端作为匹配电路输出端3，C2并联在输入端1与天线输出端2之间，C3上、下两端各串联一个开关P1、P2，再分别连接到输出端3与天线输出端2之间，

整流电路：由2个NMOS管MN1、MN2及2个PMOS管MP1、MP2组成，各部分的连接关系是：MN1的栅极、MN2的漏极和MP2的源极相连，接到端口2；MN2的栅极、MN1的漏极和MP1的源极相连，接到端口3；MP1、MP2的栅极和漏极都连接到整流电路的输出端5；MN1、MN2的源极都连接到地端，

限幅电路：由电阻R1、R2和NMOS管MN组成，各部分连接关系是：R1、R2串联后连接到整流电路的输出端5和地端之间，MN的栅极连接在R1、R2之间，MN的漏极和源极分别接端口5和地端，

稳压电路：由运算放大器A1、PMOS管MP和电阻R3、R4组成，各部分连接关系是：MP的源极与整流电路的输出端5相连，栅极与运算放大器的输出端相连，漏极作为稳压电路的输出端VDD；R3与R4串联后接到输出端VDD与地端之间；运算放大器的一个输入端接R3、R4的中间，另一个输入端接基准电压V_REF，

储能电路：为一个NMOS电容C_S，正端接整流电路输出端VDD，负端接地，

电流监测电路：由一个NMOS管M_C和一个电阻R5组成，其中M_C的栅极接限幅电路中MN的栅极，漏极与R5的一端连接作为输出端6，源极接地；R5的另一端接电源VDD，

开关控制电路：为一个比较器A2，其中比较器的两路输入分别为电流监测电路的输出端6以及基准电压V_REF，输出接至匹配电路的开关P1、P2的控制端。

本发明的原理可以描述如下：所述的天线在磁场中感应出交流电流，经过所述的匹配电路得到幅值最大的交流信号输出给整流电路。所述的整流电路采用PMOS管全波整流电路，将交流信号整流成直流信号传送到稳压电路。所述的限幅电路连接在整流电路的输出端用来保护电路中的MOS不被击穿。所述的稳压电路用来提供稳定的电压供后续电路工作。所述的储能电路为大容量MOS电容，保证读卡器在传送数据磁场强度短时间降低时，电容放电输出的能量可以提供给后端电路工作。所述的电流监测电路根据成比例复制限幅电路泄流管上的电流来监测磁场强度的大小，当磁场强度大于设定值时，泄流管电流过大，长时间工作会导致发热严重从而损坏芯片，此时电流监测电路输出信号给开关控制信号电路，所述的开关控制信号电路经过比较电流监测电路的输出与基准电压的值来控制匹配电路中的开关的闭合与断开。

本发明所描述的非接触式IC卡高效率能量传输电路，其优点在于：本发明所有电路都集成在一个芯片中，并可以使用普通CMOS工艺实现，电路的带负载能力和适应场强范围较其他电路明显增强。根据仿真验证，本电路带负载能力比传统射频前端电路提高了一倍，并且避免了大场强情况下卡片长时间电流过大导致卡片损坏的问题。

附图说明

图1为本发明的逻辑结构示意图。

图2为本发明的电路结构示意图。

图3为传统谐振电路等效结构示意图。

图4为本发明的等效电路结构示意图。

具体实施方式

图1为本发明逻辑结构示意图。天线在电感耦合下产生电流，匹配电路的输出端和整流电路的输入端相连，整流电路的输出端与限幅电路的输入端相连，限幅电路的输出端与稳压电路的输入端相连，稳压电路的输出端能量存储电路的输入端相连，能量存储电路的输出端连负载，限幅电路的输出端与电流监测电路的输入端相连，电流监测电路的输出端与开关控制信号电路的输入端相连，开关控制信号电路的输出端与匹配电路的输入端相连。

图2为本发明的电路结构图。非接触式IC卡高效率能量传输电路由天线、匹配电路、整流电路、限幅电路、稳压电路、储能电路电流监测电路及开关控制信号电路构成，电路连接关系如图所示：

1、天线：等效电路由天线等效电感L_A，等效串联电阻R_A，等效并联电容C_A组成。各部分的连接关系是：电感L_A与电阻R_A串联，再与电容C_A并联，C_A两端分别作为输出端1、输出端2。

2、匹配电路：由电容C1、C2、C3以及开关P1、P2组成，各部分的连接关系是：电容C1一端接天线等效电路输出端1，另一端作为匹配电路输出端3，C2并联在输入端1与天线输出端2之间，C3两端各串联一个开关P1、P2，再连接到输出端3与天线输出端2之间。

3、整流电路：由2个NMOS管MN1、MN2及2个PMOS管MP1、MP2组成，各部分的连接关系是：MN1的栅极、MN2的漏极和MP2的源极相连，接到端口2；MN2的栅极、MN1的漏极和MP1的源极相连，接到端口3；MP1、MP2的栅极和漏极与体端都连接到整流电路的输出端5；MN1、MN2的源极与体端都连接到地端。

4、限幅电路：由电阻R1、R2和NMOS管MN组成，各部分连接关系是：R1、R2串联后连接到整流电路的输出端5和地端之间，MN的栅极连接在R1、R2之间，MN的漏极和源极分别接5端口和地端。

5、稳压电路：由运算放大器A1、PMOS管MP和电阻R3、R4组成，各部分连接关系是：MP的源极与整流电路的输出端5相连，栅极与运算放大器的输出端相连，漏极作为稳压电路的输出端VDD；R3与R4串联后接到输出端VDD与地端之间；运算放大器的输入一端接R3、R4的中间，另一端接基准电压V_REF。

6、储能电路：为一个大容量NMOS电容C_S，正端接整流电路输出端VDD，负端接地。

7、电流监测电路：由一个NMOS管M_C和一个电阻R5组成，其中M_C的栅极接限幅电路中MN的栅极，漏极与R5的一端连接作为输出端6，源极接地；R5的另一端接电源VDD。

8、开关控制电路：为一个比较器A2，其中比较器的两路输入分别为电流监测电路的输出端6以及基准电压V_REF，输出接至匹配电路的开关P1、P2的控制端。

图3为传统谐振电路等效结构示意图，图4为本发明的等效电路结构示意图，下面结合具体实施例对上述方法作进一步说明。

以一款智能IC卡的设计为例，天线采用class1标准天线，天线等效电感L_A＝2.6uH，等效串联电阻R_A＝4Ω，等效并联电容C_A＝5pF，天线等效面积A_A≈0.01m²，IC卡的等效负载电阻R_L＝300欧，负载电容C_L＝20pF。

用如图3传统并联谐振电容匹配时，根据公式

| U_{L} | = \frac{| U_{I} |}{\sqrt{{(1 - ω^{2} L_{A} (C_{A} + C_{L} + C_{R}) + \frac{R_{A}}{R_{L}})}^{2} + {(\frac{{ωL}_{A}}{R_{L}} + {ωR}_{A} (C_{A} + C_{L} + C_{R}))}^{2}}}

其中时电路谐振，得到C_A＝28pF。

上式中|U_I|＝ωA_Aμ₀H，μ₀＝1.25×10^-6H/m

当H＝1.5A/m时，U_L≈2.1V，由于整流电路与稳压电路有约为1V的电压降，因此要保证后续数字电路1.8V的电压，U_L＝3V以上才能够满足，因此传统谐振电容匹配无法满足要求。

采用如图4所示的匹配电路时，U_L的计算公式为(假设P1、P2断开，C3不起作用)

U_{L} \frac{| U_{I} |}{\sqrt{{(1 + \frac{C_{L}}{C_{1}} + \frac{R_{A}}{R_{L}} + \frac{R_{A} (C_{A} + C_{2})}{R_{L} C_{1}} - ω^{2} L_{A} (C_{A} + C_{2} + C_{L} + \frac{C_{R} (C_{A} + C_{2})}{C_{1}}))}^{2} + {(\frac{{ωL}_{A}}{R_{L}} + \frac{{ωL}_{A} (C_{A} + C_{2})}{C_{1} R_{L}} + {ωR}_{A} (C_{A} + C_{L} + C_{R} + \frac{C_{R} (C_{A} + C_{2})}{C_{1}}) - \frac{1}{{ωC}_{1} R_{L}})}^{2}}}

当H＝1.5A/m时，C₁＝8pF，C₂＝41pF时U_L得到最大值U_L≈6.9V，完全可以满足负载要求。

当H≥7.5A/m时，若P1、P2仍断开，若后面无限幅电路，U_L此时可达到约为34V，意味着限幅电路的电流会非常大，此时闭合P1、P2，使得C3与C2并联，取C₃＝6pF时U_L可以降到10V左右，显著减小了限幅电路的电流。

Claims

1.一种用于提高非接触式IC卡能量传输效率的电路，其特征在于，该电路依次包括匹配电路，整流电路，储能电路，稳压限幅电路，电流监测及开关控制电路，其中：

稳压电路：由运算放大器A1、PMOS管MP和电阻R3、R4组成，各部分连接关系是：MP的源极与整流电路的输出端5相连，栅极与运算放大器的输出端相连，漏极作为稳压电路的输出端VDD；R3与R4串联后接到输出端VDD与地端之间；运算放大器的一个输入端接R3、R4的中间，另一个输入端接基准电压VREF，

开关控制电路：为一个比较器A2，其中比较器的两路输入分别为电流监测电路的输出端6以及基准电压V_REF，输出接至匹配电路的开关P1、P2的控制端；

所述用于提高非接触式IC卡能量传输效率的电路的工作方式，包括：天线在磁场中感应出交流电流，经过匹配电路得到幅值最大的交流信号输出给整流电路；整流电路采用全波整流电路，将交流信号整流成直流信号传送到稳压电路；限幅电路连接在整流电路的输出端用来保护电路中的MOS不被击穿；稳压电路用来提供稳定的电压供后续电路工作；储能电路为大容量NMOS电容，保证读卡器在传送数据磁场强度短时间降低时，电容放电输出的能量提供给后端电路工作；电流监测电路根据成比例复制限幅电路泄流管上的电流来监测磁场强度的大小，当磁场强度大于设定值时，此时电流监测电路输出信号给开关控制电路；开关控制电路经过比较电流监测电路的输出与基准电压的值来控制匹配电路中的开关的闭合。