CN103312156A

CN103312156A - 电荷泵系统及其控制方法、和包括其的射频识别标签芯片

Info

Publication number: CN103312156A
Application number: CN2012100606440A
Authority: CN
Inventors: 于跃; 王彬; 孔维新; 杨作兴
Original assignee: YANGZHOU DAOYUAN MICROELECTRONICS CO Ltd
Current assignee: YANGZHOU DAOYUAN MICROELECTRONICS CO Ltd
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2032-03-08
Also published as: CN103312156B

Abstract

本发明提供一种电荷泵系统及其控制方法、和包括其的射频识别标签芯片，属于射频识别(RFID)技术领域。该电荷泵系统用于RFID标签芯片中，其包括电荷泵电路、时钟产生电路、分压电路以及分压检测电路，其中，如果分压电路输出的分压信号的电压大于或等于分压检测电路中设置的一基准电压，则分压检测电路输出时钟切换信号以使时钟产生电路输出慢时钟信号；如果分压信号的电压小于该基准电压，则分压检测电路输出时钟切换信号以使所述时钟产生电路输出快时钟信号。因此，该电荷泵系统功耗低、且相对传统电荷泵电路容易实现。

Description

电荷泵系统及其控制方法、和包括其的射频识别标签芯片

技术领域

本发明属于射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术领域，涉及RFID标签芯片中所应用的低功耗的电荷泵(ChargePump)系统、该电荷泵系统在电压抬升过程的控制方法、以及包括该电荷泵系统的射频识别标签芯片。

背景技术

RFID技术已经被广泛已经被广泛应用于各个领域，例如，货物销售、运输、生产、废物管理、邮政跟踪、航空行李管理、车辆收费管理等领域，传统的纸带条形码因其存储能力小、不能改写等缺点，在识别领域，其已经慢慢被RFID系统所替代。

在RFID系统中的标签芯片中，通常需要使用电荷泵电路，其能够将较小的直流或者交流电压转变为较高电平的直流电压，以满足电荷泵电路的负载端的高输入电压要求，例如，为RFID系统使用的可编程只读存储器(EEPROM)提供写操作的输入电压。

同时，业界对RFID标签芯片的低功耗的设计要求极高。特别是在超高频应用中，由于距离远，超高频RFID标签芯片能够获得的能量更少(相对于高频RFID标签芯片)。在对RFID标签芯片写入时，通常需要启动电荷泵电路，并且持续时间很长，能量消耗极大，所以，低功耗电荷泵设计成为RFID标签芯片、特别是超高频RFID标签芯片设计中的技术难点。

目前常规的电荷泵电路的平均工作电流(平均工作电流越小对外部能量需求越小)从近一百微安到几百微安不等，持续时间大约在4-6毫秒，电荷泵内部电容存储的能量远不足以维持负载(例如，EEPROM的写操作)，这就要求外部输入的能量能够完全负担写操作的功耗。这样的能量要求就使得RFID标签芯片只能在距离读卡机几十厘米以内进行写操作，限制了RFID标签芯片应用范围，也不能满足RFID标签芯片(尤其是超高频RFID标签芯片)应用需求。

有鉴于此，有必要提出一种新型的适用于RFID标签芯片中的低功耗电荷泵系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，降低RFID标签芯片中的电荷泵系统的功耗。

为实现以上目的或者其他目的，本发明提供以下技术方案。

按照本发明的一方面，提供一种电荷泵系统，用于RFID标签芯片中，其包括：

电荷泵电路，其用于抬升输入电压以输出相对较高的输出电压；

时钟产生电路，其用于为所述电荷泵电路提供相对较快的第一时钟信号以及相对较慢的第二时钟信号；

分压电路，其用于将所述输出电压按比例地输出较低电压的分压信号；以及

分压检测电路，其根据所接收的所述分压信号控制输出时钟切换信号至所述时钟产生电路；

其中，如果所述分压信号的电压大于或等于一基准电压，则所述分压检测电路输出时钟切换信号以使所述时钟产生电路输出第二时钟信号；如果所述分压信号的电压小于一基准电压，则所述分压检测电路输出时钟切换信号以使所述时钟产生电路输出第一时钟信号。

按照本发明一实施例的电荷泵系统，其中，所述分压检测电路包括电压比较器，其用于比较所述分压信号与所述基准电压之间的大小。

较佳地，所述基准电压可以通过所述分压检测电路设置。

具体地，所述分压信号的电压小于或等于所述RFID标签芯片的电源电压。

按照本发明的又一方面，提供一种RFID标签芯片，其包括：

以上所述及的任一种电荷泵系统；以及

维持电容。

按照本发明一实施例的RFID标签芯片，优选地，所述RFID标签芯片为超高频的RFID标签芯片。

优选地，所述时钟产生电路输出第二时钟信号时，所述RFID标签芯片的外部输入能量基本用于补充所述维持电容。

按照本发明的还一方面，提供一种以上所述电荷泵系统在电压抬升过程的控制方法，所述基准电压包括N个由小到大依次设置的第1基准电压至第N基准电压；该控制方法包括以下步骤：

所述分压检测电路可操作地选择设置第M基准电压；

第一比较步骤：所述分压检测电路比较所述分压信号与所述第M基准电压；

如果所述分压信号的电压小于第M基准电压，则所述分压检测电路输出时钟切换信号以使所述时钟产生电路输出第一时钟信号，所述电荷泵电路的输出电压被继续抬升，直至使所述分压信号的电压大于或等于所述第M基准电压；

如果所述分压信号的电压大于或等于第M基准电压，则所述分压检测电路输出时钟切换信号以使所述时钟产生电路输出第二时钟信号，所述RFID标签芯片的外部输入能量基本用于补充所述RFID标签芯片的维持电容；

第二比较步骤：比较所述输出电压与电荷泵系统的目标输出电压；

如果输出电压小于所述目标输出电压，M自加1以实现抬升设置基准电压，返回进入所述第一比较步骤；

其中，N为大于或等于2的整数，M为大于或等于1且小于N的整数。

按照本发明一实施例的控制方法，其中，所述分压信号的电压小于或等于所述RFID标签芯片的电源电压。

在一实例中，所述目标输出电压为10V左右，所述分压信号为所述输出信号的0.1倍。

优选地，所述RFID标签芯片为超高频的RFID标签芯片。

本发明的技术效果是，该电荷泵系统及其电压抬升的控制方法中，充分考虑了RFID系统中能量传输使用的特殊性，区别于传统的减少其在输出高电压稳定后的工作过程中的负载功耗或在输出高电压稳定后的工作过程中的自身的能量损耗，而是减少输出电压抬升过程中负载端的动态功耗以及电压抬升过程中的自身的能量损耗，并且延长了输出电压抬升时间，输出电压抬升过程的平均工作电流可以得到大大降低，外部输入的总能量大大增加。虽然输出电压抬升过程中时间增加，但是其平均功耗大大降低，相应的，所需的外部输入平均能量大大降低。因此，该电荷泵系统功耗低、且相对传统电荷泵电路容易实现。

附图说明

从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其他目的及优点更加完全清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的标号表示。

图1是RFID系统的基本模块结构示意图；

图2是按照本发明一实施例的电荷泵系统的模块结构示意图；

图3是图2所示电荷泵系统在电压抬升过程的控制方法流程示意图。

具体实施方式

下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解，并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的其他实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

下面的描述中，为描述的清楚和简明，并没有对图中所示的所有多个部件进行描述。附图中示出了多个部件为本领域普通技术人员提供本发明的完全能够实现的公开内容。对于本领域技术人员来说，许多部件的操作都是熟悉而且明显的。

首先，为降低电荷泵系统的功耗，对电荷泵系统的功耗进行了分析，一般地，电荷泵系统的功耗主要由以下几个部分构成：(1)电荷泵的负载功耗(包含漏电流)；(2)抬升电荷泵系统中各级电容所需能量；(3)电荷泵在工作过程中自身所消耗的能量。因此，可以从以上三方面来降低电荷泵的功耗。电荷泵的能量效率(E_f)是指有效功耗与总功耗的比值。在传统电荷泵电路技术领域，在一般情况下，业界仅关注电荷泵的第(1)部分和第(3)部分的能量损耗，而对于第(1)部分的功耗，业界又仅关注电荷泵在输出高电压稳定后的工作过程中的负载功耗，但这部分通常是难以改变的。因此，更多地是从第(3)部分能量方面着手，以减小电荷泵在工作中的自身的能量损耗，例如，采用0阈值的MOSFET以减少阈值损失带来的能量损耗，又例如，精确计算电容和反相器的尺寸大小及比例，以期减少反相器浪费的能量等等。

但是，我们发现，对RFID标签芯片中所使用的电荷泵系统，一般地，RFID标签芯片为无源部件(需要通过外部天线提供能量)，对于第(1)部分的负载功耗，还必须关注电荷泵在输出电压抬升过程中负载端的动态功耗，以及在此过程中外部输入能量的使用。这是因为在此过程中负载端动态功耗越大，整个电荷泵系统的总功耗就越大，在一定时间内所需的外部输入的总能量就越大。如果能够通过改变电荷泵输出电压抬升的方式，降低负载端动态功耗，并延长抬升时间，就可以降低电荷泵平均功耗，并且通过增加时间来增大输入总能量，从而降低了所需的外部输入平均能量。

图1所示为RFID系统的基本模块结构示意图。图1中主要示出了RFID标签芯片中的电荷泵系统30在其电压抬升过程中的能量传输方向。RFID系统的RFID天线10为RFID标签芯片中的维持电容20提供外部能量。维持电容20的电容容量相对较大，其通过RFID标签芯片外部的天线10输入外部能量，从而实现对其补充能量。电荷泵系统30在抬升输出电压的过程中所消耗的能量在外部输入能量供给不足的时候，可以通过RFID标签芯片中的维持电容20来提供。

图2所示为按照本发明一实施例的电荷泵系统的模块结构示意图。该电荷泵系统30包括电荷泵电路32、时钟产生电路31、分压电路33、分压检测电路34。电荷泵电路32可以抬升输入电压(也即RFID标签芯片的电源电压V_DD)，从而输出相对较高的输出电压Vout，例如，如果RFID标签芯片的EEPROM所需的写操作电压为10V，其高于电源电压V_DD，那么电荷泵电路32可以提供目标输出电压为10V的电源至EEPROM，从而成功实现写操作；在电荷泵电路32将V_DD抬升至10V的过程中，即为电压抬升过程，其后将详细描述电荷泵系统30的电压抬升过程。

电荷泵电路32的具体电路结构类型不是限制性的，其可以为各种常规使用的电荷泵，例如，可以为基于Dickson结构的NCP电荷泵、SP电荷泵、和基于电压倍增的电荷泵。电荷泵电路32的目标输出电压等也可以根据具体负载情况而发生变化。

时钟产生电路31用于为电荷泵电路32提供时钟信号，在该实施例中，时钟产生电路31可以提供两种时钟信号，一种是快时钟信号f₁，一种是慢时钟信号f₂。快时钟信号f₁与慢时钟信号f₂的具体频率设置可以根据具体应用情况来设定。电荷泵电路32使用快时钟信号时，其输出电压将抬升并且功耗相对较大；电荷泵电路32使用慢时钟信号时，其输出电压将基本保持不变并且功耗相对比较小。

分压电路33从电荷泵电路32的输出端采样输出电压，从而可以按一定比例分出一个分压信号V_F，例如，比例为0.1，即V_F＝0.1Vout。这样，分压信号V_F能小于或等于RFID标签芯片的电源电压V_DD。

分压电路33输出的分压信号V_F输入至分压检测电路34，分压检测电路34可以在小于或等于RFID标签芯片的电源电压V_DD的范围内提供基准电压V_R，基准电压V_R的具体大小可以调节设置，例如，可以根据输入至分压检测电路34的基准电压调节信号来控制实现。分压检测电路34包括设置有电压比较器，该电压比较器可以将分压信号V_F与基准电压V_R比较；如果V_F≥V_R，分压检测电路34输出快/慢时钟切换信号，控制时钟产生电路31输出慢时钟f₂；如果V_F＜V_R，分压检测电路34输出快/慢时钟切换信号，控制时钟产生电路31输出快时钟f₁。因此，时钟产生电路31输出的时钟信号由分压检测电路34输出的时钟切换信号所控制。

图3所示为图2所示电荷泵系统在电压抬升过程的控制方法流程示意图。在该实施例中，以电荷泵电路32的目标输出电压为10V、分压比例为0.1为例进行说明，其中可以设置基准电压V_R＝0.2V、0.4V、0.6V、0.8V或1.0V，其可以依次地抬高设置其基准电压。

如图3所示，首先开始，i＝0，n＝1，也即设置初始基准电压，初始基准电压V_R(1)＝0.2V，此时，电荷泵电路32的输出电压将抬升至Vout(1)＝2V。在以下过程中，随着n的递增，表示基准电压V_R(n)将抬升设置，V_{R(1，...，5)}，分别等于0.2V、0.4V、0.6V、0.8V、1.0V；随着i的递增，输出电压Vout(i)抬升，Vout(0，1，...，5)分别等于0V、2V、4V、6V、8V、10V，分压信号V_F(i)也伴随抬升，V_{F(0，1，...，5)}分别等于0V、2V、4V、6V、8V、10V。

进一步，步骤S110，分压检测电路34设置基准电压V_R(n)。

进一步，步骤S120，电荷泵电路32输出电压Vout(i)。

进一步，步骤S130，分压电路33从电荷泵电路32输出端分压输出分压信号V_F(i)＝0.1Vout(i)。分压比例的具体设置不受本发明实施例限制。

进一步，步骤S140，分压检测电路34比较V_F(i)与基准电压V_R(n)。该步骤可以通过分压检测电路34中的电压比较器来完成。

进一步，步骤S150，判断V_F(i)是否大于或等于V_R(n)。

如果判断为“否”，则表示输出电压Vout(i)可以继续抬升，进入步骤S161，时钟产生电路31输出快时钟信号；并且进一步，步骤S171，设置i＝i+1，输出电压抬升；即返回至步骤S120，Vout(i)＝Vout(i+1)，表示输出电压抬升。直至判断为“是”。在电荷泵电路工作于快时钟信号的情况下，其功耗可以大于外部输入能量，其不足的部分可以由维持电容20上存储的能量来补充。

如果判断为“是”，则表述输出电压Vout(i)暂时不继续抬升，进入步骤S162，时钟产生电路31输出慢时钟信号。此时，电荷泵电路32的功耗极低，输出电压也基本稳定。在电荷泵电路工作于慢时钟信号的情况下，其功耗一般小于外部输入能量。

进一步，步骤S172，RFID标签芯片外部天线10输入的能量部分用于对维持电容20补充能量。具体地，在电荷泵电路工作于慢时钟情况下的时候，其功耗小于外部输入能量，进而，外部天线10提供的外部输入能量中，多于电荷泵系统30在慢时钟信号情况下工作所需功耗的部分，用于对维持电容20补充能量，从而，维持电容20上被消耗的能量可以实现补充。

进一步，步骤S180，判断Vout(i)是否大于或等于目标输出电压(HV_10)。如果输出电压如果达到了HV_10，则表示以及完成了输出端电压的抬升过程，该控制方法过程结束。

如果判断为“否”，则进入步骤S190，维持电容补充能量结束后，n＝n+1，返回至步骤S110，从而使基准电压实现抬升设置，例如，由0.2V变为0.4V。

以上过程可以不断循环，随着基准电压从0.2V抬升至1.0V，电荷泵电路32的输出电压也依次从2V抬升至目标输出电压10伏。

需要理解的是，快时钟信号与慢时钟信号的切换次数与基准电压的个数有关联，在输出电压的抬升过程中，基准电压的设置个数不受本发明以上实施例限制，其可以为大于或等于2的整数，例如，也可以为2个，分别为0.5V和1.0V。

结合图2和图3的说明可知，虽然输出电压抬升过程所耗时间延长，但是，其抬升过程中的平均工作电流和平均功耗降低，并且，尽可能多地利用了外部提供的能量，输出电压抬升过程中所需的外部输入平均电流可以得到降低，(例如，可以降到20uA，甚至降到10uA以下)。因此，电荷泵系统30的功耗可以大大降低。

电荷泵系统30降低功耗的方法完全不同于传统的通过减少在工作状态下的负载功耗的方法，并且充分考虑了RFID系统中能量传输使用的特殊性，尤其适合应用与超高频的RFID标签芯片中(可以使其写的距离提高)。电荷泵系统30相对传统电荷泵电路的改进调整较小，易于实现。

以上例子主要说明了本发明的电荷泵系统、电荷泵系统在电压抬升过程的控制方法以及包括该电荷泵系统的RFID芯片。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。

Claims

1.一种电荷泵系统，用于射频识别标签芯片中，其特征在于，其包括：

2.如权利要求1所述的电荷泵系统，其特征在于，所述分压检测电路包括电压比较器，其用于比较所述分压信号与所述基准电压之间的大小。

3.如权利要求1所述的电荷泵系统，其特征在于，所述基准电压通过所述分压检测电路设置。

4.如权利要求1所述的电荷泵系统，其特征在于，所述分压信号的电压小于或等于所述射频识别标签芯片的电源电压。

5.一种射频识别标签芯片，特征在于，包括：

如权利要求1至4中任一项所述的电荷泵系统；以及

维持电容。

6.如权利要求5所述的射频识别标签芯片，其特征在于，所述射频识别标签芯片为超高频的射频识别标签芯片。

7.如权利要求5或6所述的射频识别标签芯片，其特征在于，所述时钟产生电路输出第二时钟信号时，所述射频识别标签芯片的外部输入能量基本用于补充所述维持电容。

8.一种如权利要求1所述电荷泵系统在电压抬升过程的控制方法，所述基准电压包括N个由小到大依次设置的第1基准电压至第N基准电压；其特征在于，包括以下步骤：

所述分压检测电路可操作地选择设置第M基准电压；

如果所述分压信号的电压大于或等于第M基准电压，则所述分压检测电路输出时钟切换信号以使所述时钟产生电路输出第二时钟信号，所述射频识别标签芯片的外部输入能量部分用于补充所述射频识别标签芯片的维持电容；

9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述分压信号的电压小于或等于所述射频识别标签芯片的电源电压。

10.如权利要求8或9所述的控制方法，其特征在于，所述目标输出电压为10V，所述分压信号为所述输出信号的0.1倍。

11.如权利要求8或9所述的控制方法，其特征在于，所述射频识别标签芯片为超高频的射频识别标签芯片。