CN103618468B - 构成rfid电子标签的高效整流器及整流单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了构成RFID电子标签的高效整流器及整流单元，其特征在于：包括n级整流器单元，其特征在于：第一级整流器单元输出端接第二级整流器单元的输入端，第二级整流器单元的输出端连接第三级整流器单元的输入端；依次类推，第n-1级整流器单元输出端接第n级整流器单元的输入端；每级整流器单元的射频输入端均相连接；每级整流器单元均包括第一、第二自举电路、第四、第五整流场效应管、隔直电容和储能电容；第一、第二自举电路分别为第四、第五整流场效应管的栅极提供直流偏置；第四整流场效应管的衬底和第五整流场效应管的源极接整流器单元输出端，并通过储能电容接地；本发明有效提高RFID电子标签的灵敏度和通信距离，具有良好的应用前景。

Description

构成RFID电子标签的高效整流器及整流单元
技术领域
本发明涉及整流器,具体涉及构成RFID电子标签的高效整流器及整流单元。
背景技术
RFID电子标签是一种在无线通信中得到广泛应用的重要部件，它可以应用于畜牧、冷链、交通、门禁安全、身份识别、货物管理、自动控制、防盗防伪等领域。随着RFID技术快速发展，对RFID标签的灵敏度、功耗等指标的要求越来越高，对RFID的成本、工艺等方面的要求也越来越苛刻。整流器在RFID标签中的作用是将RFID天线接收到的RF信号转换成直流功率为其它各单元模块（如：振荡器、基准、调制器、解调器、数字协议模块、存储器）供电。整流器效率高低和带负载能力的强弱是决定整流器性能的两大重要指标。
图1所示是现有的RFID整流器电路结构,图1中的二极管通常采用肖特基二极管，肖特基二极管具有相对较小的开启电压，约为200mV-300mV之间。使用肖特基二极管构成的整流器可获得比较大的功率转换效率，但与常规的CMOS工艺不兼容，并需要昂贵的工艺步骤。图2为采用二极管链接的MOS管构成的整流器，它由两个二极管连接的NMOS场效应管构成了单位电压倍乘器。输入信号由VRF耦合电容CC输入，整流输出由VDC端输出，该类结构的有效开启电压几乎等于MOS场效应管的阈值电压，比PN结型二极管的开启电压小很多，比肖特基二极管的开启电压大很多。由此，采用此结构的整流器得不到大的功率转换效率。目前，RFID研究方向是通过工艺、器件及电路结构多个方面来降低整流器件自身的功率损失，从而提高整流器电路的整流效率。如采用硅基蓝宝石技术、肖特基二级管或低开启阈值电压的工艺技术。然而，这些技术将需要采用昂贵的工艺材料，或增加了工艺复杂度，影响了RFID的成本及应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一是提供构成RFID电子标签的高效整流器；整流效率高达30%，RFID标签灵敏度高达-14dBm。
本发明所要解决的技术问题之二是提供构成RFID电子标签的高效整流器单元。
本发明的第一个技术方案是，构成RFID电子标签的高效整流器，包括n级整流器单元，n为大于等于1的自然数；整流器将RF信号转换成直流电压为其它各单元模块供电；其特征在于：第一级整流器单元输出端接第二级整流器单元的输入端，第二级整流器单元的输出端连接第三级整流器单元的输入端；依次类推，第n-1级整流器单元输出端接第n级整流器单元的输入端；每级整流器单元的射频输入端均相连接；并且，每级整流器单元均包括第一、第二自举电路、第四、第五整流场效应管、隔直电容和储能电容；第一、第二自举电路分别为第四、第五整流场效应管的栅极提供直流偏置；第四整流场效应管的衬底和第五整流场效应管的源极接整流器单元输出端，并通过储能电容接地；第五整流场效应管的衬底和第四整流场效应管的源极接整流器单元输入端；第四、第五整流场效应管的漏极均通过隔直电容接整流器单元射频输入端。
本发明利用整流器单元级联，使整流器单元输出电压逐级提高，并利用整流场效应管的衬底，将连接整流器单元输入端的整流场效应管的衬底与整流器单元输出端连接，将连接整流器单元输出端的整流场效应管的衬底与整流器单元输入端连接，减小有效开启电压，提高整流效率；同时采用自举电路为整流场效应管提供恒定偏置电压，降低整流场效应管的有效开启电压，减小正向导通损耗，提高转换效率。当RF信号的幅度小于MOS场效应管的阈值电压时，整流器也能正常工作，接收灵敏度较高。而普通的二极管链接型的MOS场效应管整流器，只有当RF信号的幅度大于MOS场效应管的阈值电压时，整流器才能正常工作，接收灵敏度较低。
根据本发明所述的构成RFID电子标签的高效整流器的一种优选方案，第一自举电路包括场效应管一、六、第六隔直电容和第三自举电容；场效应管一的栅极和场效应管六的源极均接整流器单元输入端，场效应管六的栅极和场效应管一的源极同时连接第四整流场效应管的栅极，并通过第三自举电容接整流器单元输入端，场效应管一的漏极和场效应管六的源极均通过第六隔直电容接整流器单元射频输入端；
第二自举电路包括场效应管二、三、第一隔直电容和第四自举电容；场效应管二的栅极和场效应管三的源极均接整流器单元输出端，场效应管三的栅极和场效应管二的漏极同时连接第五整流场效应管的栅极，并通过第四自举电容接整流器单元输出端，场效应管二的源极和场效应管三的漏极均通过第一隔直电容接整流器单元射频输入端。
根据本发明所述的构成RFID电子标签的高效整流器的一种优选方案,n级整流器单元为六级整流器单元。
本发明的第二个技术方案是，构成RFID电子标签的高效整流器单元，其特点是：该整流器单元包括第一、第二自举电路、第四、第五整流场效应管、隔直电容和储能电容；第一、第二自举电路分别为第四、第五整流场效应管的栅极提供直流偏置，第四整流场效应管的衬底和第五整流场效应管的源极接整流器单元输出端，第五整流场效应管的衬底和第四整流场效应管的源极接整流器单元输入端，第四、第五整流场效应管的漏极均通过隔直电容接射频输入端。
根据本发明所述的构成RFID电子标签的高效整流器单元的优选方案，第一自举电路包括场效应管一、六、第六隔直电容和第三自举电容；场效应管一的栅极和场效应管六的漏极均接整流器单元输入端，场效应管六的栅极和场效应管一的源极同时连接第四整流场效应管的栅极，并通过第三自举电容接整流器单元输入端，场效应管一的漏极和场效应管六的源极均通过第六隔直电容接整流器单元射频输入端；
第二自举电路包括场效应管二、三、第一隔直电容和第四自举电容；场效应管二的栅极和场效应管三的源极均接整流器单元输出端，场效应管三的栅极和场效应管二的漏极同时连接第五整流场效应管的栅极，并通过第四自举电容接整流器单元输出端，场效应管二的源极和场效应管三的漏极均通过第一隔直电容接整流器单元射频输入端。
本发明所述的构成RFID电子标签的高效整流器及整流单元的有益效果是：本发明利用整流器单元级联，使整流器单元输出电压逐级提高；整流器单元采用自举电路为整流场效应管提供恒定偏置电压，降低整流场效应管的有效开启电压，减小正向导通损耗，提高转换效率；同时，利用整流场效应管的衬底，将连接整流器单元输入端的整流场效应管的衬底与整流器单元输出端连接，将连接整流器单元输出端的整流场效应管的衬底与整流器单元输入端连接，减小有效开启电压，提高整流效率；本发明电路结构简单，成本低、体积小、效率高、性能优，有效提高RFID电子标签的灵敏度和通信距离，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是现有的RFID整流器电路结构的原理框图。
图2是二极管连接的MOS场效应管形成的整流器原理框图。
图3是本发明提出的构成RFID电子标签的高效整流器原理框图。
图4是整流器单元的原理图。
图5是整流器匹配网络结构图。
图6是匹配网络前后电压仿真波形。
图7是初始状态开始V1节点的电压和M1源极电流的仿真波形。
图8是初始状态开始节点V2的电压波形。
图9是稳定状态V1节点的电压和M1源极电流的仿真波形。
图10是初始状态开始V6节点的电压和M2漏极电流的仿真波形。
图11是初始状态开始节点V4的电压波形。
图12是稳定状态V6节点的电压和M2漏极电流的仿真波形。
图13是输入频率900MHz，功率-14dBm时每级整流器级联的输出波形。
图14是输入频率900MHz，功率-14dBm时整流器的输出波形。
图15是整流效率的实测值。
具体实施方式
参见图3和图4，构成RFID电子标签的高效率整流器，由n级整流器单元构成，n为大于等于1的自然数；第一级整流器单元输入端接地，第一级整流器单元1输出端接第二级整流器单元2的输入端，第二级整流器单元2的输出端连接第三级整流器单元3的输入端；依次类推，第n-1级整流器单元N-1输出端接第n级整流器单元N的输入端,第n级整流器单元N输出端通过电容C接地；每级整流器单元的射频输入端VRF ／均相连接；并且，每级整流器单元均包括第一、第二自举电路、第四、第五整流场效应管M4、M5、隔直电容C5和储能电容C2；第一、第二自举电路分别为第四、第五整流场效应管的栅极提供直流偏置电压V2、V4，第四整流场效应管M4的衬底和第五整流场效应管M5的源极接整流器单元输出端VDC ／，并通过储能电容C2接地；第五整流场效应管M5的衬底和第四整流场效应管M4的源极接整流器单元输入端Vi／；第四、第五整流场效应管的漏极均通过隔直电容C5接整流器单元射频输入端VRF ／。
其中，第四整流场效应管为NMOS管，第五整流场效应管为PMOS管，将NMOS管M4的衬底接到整流器单元输出端，即高电位，将PMOS管M5的衬底接到整流器单元输入端，即低电位，能减小有效开启电压，提高整流效率。当整流器单元级联后，整流器单元输出电压逐级提高，当整流器的正向传输功率等于反向泄漏功率与负载消耗功率之和时，输出的直流电压VDC稳定。
本发明的原理是：当偏置电压V2、V4建立之后，M4、M5的有效阈值电压降低，当RF信号的幅度小于MOS场效应管的阈值电压时，整流器也能正常工作，接收灵敏度较高。另一方面，RFID标签芯片从阅读器接收到的信号非常弱小，例如当通信距离为10米的时候，标签芯片接收到RF信号强度约为-14dBm，若双极子天线阻抗为50Ω，输入信号的幅度约为VPP=110mV，小于MOS场效应管的阈值电压，不足以有效的驱动整流器使其正常工作。因此在天线与整流器之间通常需要一个阻抗匹配网络LP、CP，参见图5所示；当阻抗变换之后整流器的输入阻抗足够高，可以使得整流器射频输入端VRF的电压幅度大于有效阈值电压，意味着整流器的输入灵敏度可以提高。参见图6所示，图6是匹配网络前后电压仿真波形；图中U1为匹配网络前电压仿真波形，U2为匹配网络后电压仿真波形，仿真条件为输入信号频率900MHz，功率-14dBm，匹配后电压幅度增大。
参见图4，第一自举电路包括场效应管一、六、第六隔直电容C6和第三自举电容C3；场效应管一M1的栅极和场效应管六M6的漏极均接整流器单元输入端Vi／，场效应管六M6的栅极和场效应管一M1的源极同时连接第四整流场效应管M4的栅极，并通过第三自举电容C3接整流器单元输入端Vi／，场效应管一M1的漏极和场效应管六M6的源极均通过第六隔直电容C6接整流器单元射频输入端VRF ／；
第二自举电路包括场效应管二、三、第一隔直电容C1和第四自举电容C4；场效应管二M2的栅极和场效应管三M3的源极均接整流器单元输出端VDC ／，场效应管三M3的栅极和场效应管二M2的漏极同时连接第五整流场效应管M5的栅极，并通过第四自举电容C5接整流器单元输出端VDC ／，场效应管二M2的源极和场效应管三M3的漏极均通过第一隔直电容C1接整流器单元射频输入端VRF ／。
工作原理为，初始状态时，各节点电压为0，当RFID标签天线接收到射频信号，在正半周期时，M1的反向漏电流由漏极流向源极，向电容C3充电，V2电压升高；负半周期时，M1电流由源极流向漏级，电容C3通过M1放电，V2电压降低。参见图7所示，图7是初始状态开始V1节点的电压和M1源极电流的仿真波形，仿真条件为输入信号频率900MHz，功率-14dBm，流出M1源极电流的积分大于流进M1源极电流的积分，即向C3充电电流的积分大于放电电流的积分，故V2逐渐升高，参见图8所示。当V2升高到一定值时（355mV均值），流出M1源极电流的积分等于流进M1源极电流的积分，V2稳定到固定值，电路达到平衡，参见图9所示。
同理，在正半周期时，M2的反向漏电流由源极流向漏极，向电容C4充电，V4电压升高；负半周期时，M2电流由漏极流向源极，电容C4通过M2放电，V4电压降低。参见图10所示，图10是初始状态开始V6节点的电压和M2漏极电流的仿真波形，仿真条件为输入信号频率900MHz，功率-14dBm；流出M2源极电流的积分小于流进M2源极电流的积分，即向C4充电电流的积分小于放电电流的积分，故V4逐渐降低，参见图11所示。当V4降低到一定值时（-135mV均值），流出M2漏极电流的积分等于流进M2漏极电流的积分，V4稳定到固定值，电路达到平衡,参见图12所示。当电路达到平衡时，V2电压约为355mV，V4电压约为-135mV，降低了M4、M5的有效开启电压，提高整流效率。
考虑反向漏电流和正向导通电流之间的折中关系，在具体实施例中，n级整流器单元为六级整流器单元；即第一级整流器单元输入端接地，第一级整流器单元输出端接第二级整流器单元的输入端，第二级整流器单元的输出端连接第三级整流器单元的输入端；依次类推，第五级整流器单元输出端接第六级整流器单元的输入端,第六级整流器单元输出端通过电容C接地；每级整流器单元的射频输入端均相连接。
六级整流器级联后，整流器输出电压逐级提高，参见图13所示。当整流器的正向传输功率等于反向泄漏功率与负载消耗功率之和时，输出的直流电压VDC稳定。
仿真验证结果表明：整流器功能正常，在射频输入频率为900MHz，功率为-14dBm，负载电阻为120KΩ时，仿真的输入/输出瞬态波形参见图14所示，输出电压约为1.23V，PCE=POUT/PIN=31.1%。
表1为整流器实测结果，M4和M5场效应管的栅源电压由自举电路静态偏置，减小了场效应管的有效阈值电压。当直流偏置电压不太大，MOS场效应管的阈值电压不太小且输入功率较小时，反向漏电流较小，在这种情况下，整流器的能量损耗主要集中在正向偏置时的阻性损耗，可忽略反向漏电流导致的功率损失，PCE较高。输入功率较大时，反向漏电流增大，反向漏电流导致的功率损失提高，PCE降低，参见图15，为整流器效率随输入功率变换的实测曲线。
表1.整流效率实测结果
输入功率（dBm） 输出电压（V） 整流效率
-14 1.1 27.63%
-13 1.3 30.65%
-12 1.46 30.71%
-11 1.61 29.67%
-10 1.73 27.21%
-9 1.84 24.45%
-8 1.93 21.37%
-5 2.13 13.04%
-2 2.27 7.42%
1 2.38 4.09%
4 2.5 2.26%
7 2.6 1.23%
10 2.77 0.70%
13 2.81 0.36%
16 2.66 0.16%
19 2.4 0.07%
22 1.7 0.02%
25 0.87 0.00%
综上所述，采用本发明的整流器，极大提高了整流效率，有效提高RFID电子标签的灵敏度和通信距离。
构成RFID电子标签的高效整流器单元，该整流器单元包括第一、第二自举电路、第四、第五整流场效应管、隔直电容C5和储能电容C2；第一、第二自举电路分别为第四、第五整流场效应管的栅极提供直流偏置；第四整流场效应管M4的衬底和第五整流场效应管M5的源极接整流器单元输出端VDC ／，并通过储能电容C2接地；第五整流场效应管M5的衬底和第四整流场效应管M4的源极接整流器单元输入端Vi／；第四、第五整流场效应管的漏极均通过隔直电容C5接整流器单元射频输入端VRF ／。
在具体实施例中，第一自举电路包括场效应管一、六、第六隔直电容C6和第三自举电容C3；场效应管一M1的栅极和场效应管六M6的漏极均接整流器单元输入端Vi／，场效应管六M6的栅极和场效应管一M1的源极同时连接第四整流场效应管M4的栅极，并通过第三自举电容C3接整流器单元输入端Vi／，场效应管一M1的漏极和场效应管六M6的源极均通过第六隔直电容C6接整流器单元射频输入端VRF ／；
第二自举电路包括场效应管二、三、第一隔直电容C1和第四自举电容C4；场效应管二M2的栅极和场效应管三M3的源极均接整流器单元输出端VDC ／，场效应管三M3的栅极和场效应管二M2的漏极同时连接第五整流场效应管M5的栅极，并通过第四自举电容C5接整流器单元输出端VDC ／，场效应管二M2的源极和场效应管三M3的漏极均通过第一隔直电容C1接整流器单元射频输入端VRF ／。
上面对本发明的具体实施方式进行了描述，但是，本发明保护的不仅限于具体实施方式的范围。

Claims (3)

1.一种构成RFID电子标签的高效整流器，包括n级整流器单元，n为大于等于1的自然数；其特征在于：第一级整流器单元(1)输出端接第二级整流器单元(2)的输入端，第二级整流器单元(2)的输出端连接第三级整流器单元(3)的输入端；依次类推，第n-1级整流器单元(N-1)输出端接第n级整流器单元(N)的输入端；每级整流器单元的射频输入端均相连接；并且，每级整流器单元均包括第一、第二自举电路、整流场效应管M4、M5、隔直电容C5和储能电容C2；第一、第二自举电路分别为整流场效应管M4、M5的栅极提供直流偏置；整流场效应管M4的衬底和整流场效应管M5的源极接整流器单元输出端(VDC /)，并通过储能电容C2接地；整流场效应管M5的衬底和整流场效应管M4的源极接整流器单元输入端(Vi/)；整流场效应管M4、M5的漏极均通过隔直电容C5接整流器单元射频输入端(VRF /)；
第一自举电路包括场效应管M1、M6、隔直电容C6和自举电容C3；场效应管M1的栅极和场效应管M6的漏极均接整流器单元输入端(Vi/)，场效应管M6的栅极和场效应管M1的源极同时连接整流场效应管M4的栅极，并通过自举电容C3接整流器单元输入端(Vi/)，场效应管M1的漏极和场效应管M6的源极均通过隔直电容C6接整流器单元射频输入端(VRF /)；
第二自举电路包括场效应管M2、M3、隔直电容C1和自举电容C4；场效应管M2的栅极和场效应管M3的源极均接整流器单元输出端(VDC /)，场效应管M3的栅极和场效应管M2的漏极同时连接整流场效应管M5的栅极，并通过自举电容C4接整流器单元输出端(VDC /)，场效应管M2的源极和场效应管M3的漏极均通过隔直电容C1接整流器单元射频输入端(VRF /)。
2.根据权利要求1所述的构成RFID电子标签的高效整流器，其特征在于：n级整流器单元，n取六。
3.一种构成RFID电子标签的高效整流器单元，其特征在于：该整流器单元包括第一、第二自举电路、整流场效应管M4、M5、隔直电容C5和储能电容C2；第一、第二自举电路分别为整流场效应管M4、M5的栅极提供直流偏置；整流场效应管M4的衬底和整流场效应管M5的源极接整流器单元输出端(VDC /)，并通过储能电容C2接地；整流场效应管M5的衬底和整流场效应管M4的源极接整流器单元输入端(Vi/)；整流场效应管M4、M5的漏极均通过隔直电容C5接整流器单元射频输入端(VRF /)；
第一自举电路包括场效应管M1、M6、隔直电容C6和自举电容C3；场效应管M1的栅极和场效应管M6的漏极均接整流器单元输入端(Vi/)，场效应管M6的栅极和场效应管M1的源极同时连接整流场效应管M4的栅极，并通过自举电容C3接整流器单元输入端(Vi/)，场效应管M1的漏极和场效应管M6的源极均通过隔直电容C6接整流器单元射频输入端(VRF /)；
第二自举电路包括场效应管M2、M3、隔直电容C1和自举电容C4；场效应管M2的栅极和场效应管M3的源极均接整流器单元输出端(VDC /)，场效应管M3的栅极和场效应管M2的漏极同时连接整流场效应管M5的栅极，并通过自举电容C4接整流器单元输出端(VDC /)，场效应管M2的源极和场效应管M3的漏极均通过隔直电容C1接整流器单元射频输入端(VRF /)。
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