CN104617795B - 一种用于无源标签的电源转换效率自动调整的整流电路 - Google Patents
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Abstract
本发明用于无源标签的电源转换效率自动调整整流电路，包括可编程整流电路和电压检测电路，所述可编程整流电路的输入端与天线输入差分端ANT1和ANT2相连接、控制输入控制端Vdet与电压检测电路的输出端相连接、输出端VCC为无源标签的电源，所述电压检测电路的输入端与VCC相连接。本发明电源转换效率自动调整的整流电路，当无源标签与RFID读卡器之间工作距离较远时，通过电压检测电路检测无源标签的功耗高低来控制可编程整流电路中受开关控制的NMOS管的断开或闭合使得NMOS管的宽长比可调节，以此来调整电源转换效率使其达到最大值。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于无源标签的整流电路，尤其是一种用于无源标签的电源转换效率自动调整整流电路，属于无源卡集成电路技术领域。
背景技术
无源标签，属于RFID标签的一种，是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。现有的无源标签系统原理示意图如图1所示，是由RFID读卡器、无源标签及后台管理系统三个部分组成，其工作原理是后台管理系统控制RFID读卡器发射一定频率的无线电信号给无源标签，用以将无源标签内存储的数据读出，无源标签在收到RFID读卡器发来的信号后，读出自身储存数据，然后通过发射相同频率的无线电信号将数据返回给RFID读卡器，RFID读卡器在得到返回的数据后将数据放入后台管理系统处理，来识别无源标签的正确性。
现有的无源标签电路原理示意图如图2所示，主要包括耦合线圈01、RF电路02、整流电路03、加密模块04、随机存储器RAM 05、只读存储器ROM 06、电可擦写可编程存储器EEPROM 07以及中央处理器CPU 08。其中：
1、耦合线圈01，即天线，其功能为接收RFID读卡器发来的无线电信号或者向RFID读卡器发送无线电信号。
2、RF电路02的功能为将耦合线圈接收的无线电信号转化为CPU可以识别的数字信号或者将CPU发出的数字信号变为无线电信号并发给耦合线圈进行发送。
3、整流电路03的功能为将RF电路接收的来自耦合线圈的差分信号ANT1和ANT2通过整流转换为无源标签使用的电源并给整个无源标签供电。
4、加密模块04的功能为提供数据的加密和解密，保证所处理信息的安全，供中央处理器CPU调用。
5、随机存储器RAM 05为系统内存，供CPU使用。
6、只读存储器ROM 06中放置的是无源标签在出厂前根据客户要求写入的固定的数据，只能被CPU读取，数据内容不可更改。
7、电可擦写可编程存储器EEPROM 07中存放的数据是根据用户需求自行写入或者修改的数据，其中的数据可以根据指令擦除或者写入，CPU可以读取或者修改其中存储的数据。
8、中央处理器CPU 08负责调度无源标签系统中各个模块的使用和运算，是整个无源标签的大脑。
无源标签在工作时需要通过耦合线圈从RFID读卡器耦合能量，通过整流电路将从耦合线圈上耦合的能量变为系统内部使用的电源。为了满足系统内部电路工作要求，当天线上信号强度符合要求时，整流电路输出作电压一般为5V、3.3V或者2.5V来供给系统内部其他电路。一种常用在无源标签中的整流电路结构如图3所示，其中M1管的源极和M2管的栅极连接至天线输入差分端ANT1，M1管的栅极和M2管的源极连接至天线输入的另一个天线输入差分端ANT2，M1管和M2管的漏极连接至地，M1管和M2管在这里起到开关的作用；M3管的源极和栅极接ANT1，M4管的源极和栅极接ANT2，M3和M4管的漏极连接在一起作为整流电路的输出VCC。整流电路的输出端VCC和地之间需要连接一个用来稳压的电容CL，电容CL同时可以存储电荷，使得当天线上信号发生短时间中断（Pause信号）时，供电给无源标签内电路使用。电源VCC驱动电路，可以统一考虑在VCC和地之间连接一个负载RL。
无源标签在工作时，执行不同的操作情况下功耗是不同的，即电源VCC驱动的负载大小是不同的。例如，当无源标签在上电应答或者读取无源标签内信息时功耗较低，此时负载电流仅有200μA左右；而当标签在对电可擦写可编程存储器EEPROM进行编程或者进行复杂加密运算时，功耗较高，此时负载电流可以达到2mA以上。因此，在设计无源标签的整流电路的过程中，需要考虑到在不同负载电流的情况下，整流电路都可以稳定的工作，且无源标签的工作距离满足应用的要求。
无源标签在工作时通过天线耦合到的能量与无源标签到RFID读卡器的距离有关，当无源标签离RFID读卡器近，天线上耦合得到的能量大，这时候整流电路整流得到的多余的能量会被泄放掉，保持VCC端电压稳定在电源电压值；当无源标签离RFID读卡器达到最远工作距离，这时候天线上耦合得到的能量通过整流电路整流刚好可以满足电路工作，VCC端电压刚好为电源电压设定值；当无源标签离RFID读卡器更远的时候，天线上耦合得到的能量很小，这时候整流电路整流得到的能量无法再满足无源标签内电路工作，VCC端电压低于电路可以工作的最低电压，无源标签无法工作。
电源转换效率是整流电路一个重要的转换参数，其定义为整流电路输出驱动标签内电路的功率除以整流电路的输入功率。当无源标签和RFID读卡器之间距离固定，无源标签内电路功耗较低时，由于整流电路得到的多余电荷会被泄放掉来稳定VCC端电压，因此整流电路的电源转换效率较低；当无源标签内电路的功率变大，到整流电路整流得到的电荷刚好提供给无源标签内电路工作时，VCC端不会有多余电荷被泄放掉，此时整流电路的电源转换效率达到最大值；当无源标签内电路的功率更大时，整流电路得到的电荷不能满足提供给无源标签内电路工作，VCC端电压会被拉低，此时整流电路的电源转换效率下降；当无源标签内其他电路的功率继续变大，VCC端电压会低于电路工作的最低电压，无源标签无法工作。
如图3所示的现有的无源标签中整流电路结构示意图，整流管M1、M2、M3和M4的宽长比与在某个负载下电源转换效率的最大值有一定关系，当整流管宽长比较小，整流电路在一个小的负载情况下达到电源转换效率的最大值；当整流管宽长比变大或者有更多个整流管并联（等同于宽长比变大），整流电路会在一个较大的负载情况下达到电源转换效率的最大值。
大部分情况下，无源标签与RFID读卡器仅需进行低功耗操作，为了使得无源标签的工作距离远，整流电路的电源转换效率应该优化在功耗较低的情况下，而当无源标签与RFID读卡器需要进行高功耗操作时，将会造成无源标签的工作距离非常短，甚至无法正常工作。若把整流电路的电源转换效率优化在功耗较高的情况下，会造成无源标签与RFID读卡器进行低功耗操作时，无源标签的最远工作距离变短。
发明内容
本发明为了克服以上技术的不足，本发明提供了一种用于无源标签的电源转换效率自动调整整流电路，本发明的整流电路在低功耗和高功耗操作的情况下都能使得无源标签与RFID读卡器达到较远的工作距离，工作距离越远，无源标签的可工作范围就越大，应用就越广泛。
本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：
一种用于无源标签的电源转换效率自动调整的整流电路，包括可编程整流电路和电压检测电路，所述可编程整流电路的输入端与天线输入差分端ANT1和ANT2相连接、输入控制端Vdet与电压检测电路的输出端Vdet相连接、输出端VCC为无源标签的电源，所述电压检测电路的输入端与可编程整流电路的输出端VCC相连接。
所述可编程整流电路包括NMOS管M1、M2、M3、M4、M11、M21、M31和M41，所述M11的栅极连接有开关S11、源极连接有开关S12，所述M21的栅极连接有开关S21、源极连接有开关S22，所述M31的栅极和源极共同连接有开关S31、漏极连接有开关S32，所述M41的栅极和源极共同连接有开关S41、漏极连接有开关S42；所述M1的源极、M2的栅极、M11的源极通过开关S12、M21的栅极通过开关S21、M3的源极和栅极、M31的源极和栅极通过开关S31均与天线输入差分端ANT1相连接，M1的栅极、M2的源极、M11的栅极通过开关S11、M21的源极通过开关S22、M4的源极和栅极、M41的源极和栅极通过开关S41均与天线输入差分端ANT2相连接，M1和M2的漏极均接地，M11和M21的漏极连接在一起，M3的漏极、M4的漏极、M31的漏极通过开关S32和M41的漏极通过开关S42连接在一起作为可编程整流电路的输出端VCC，所述输出端VCC作为无源标签的电源；所述可编程整流电路的输出端VCC通过电容CL和负载RL并联接地。
所述电压检测电路包括比较器、电阻R1和电阻R2，所述电阻R1一端与可编程整流电路的输出端VCC相连接、另一端与电阻R2相连接，电阻R2的另一端接地；比较器的V+输入端与电阻R1和R2连接点Vp相连接、V-输入端与参考电平Vref相连接、输出端Vt即电压检测电路的输出端与可编程整流电路的输入控制端Vdet相连接。
本发明的有益效果是：
本发明电源转换效率自动调整的整流电路，当无源标签与RFID读卡器之间工作距离较远时，通过电压检测电路检测无源标签的功耗高低来控制可编程整流电路中受开关控制的NMOS管的断开或闭合使得NMOS管的宽长比可调节，以此来调整电源转换效率使其达到最大值。本发明兼顾了无源标签的可工作距离和电源转换效率，扩大了无源标签的可工作范围，使得应用领域更加广泛。
附图说明
图1为现有的无源标签系统原理示意图。
图2为现有的无源标签电路原理示意图。图中，01、耦合线圈，02、RF电路，03、整流电路，04、加密模块，05、随机存储器RAM，06、只读存储器ROM，07、电可擦写可编程存储器EEPROM，08、中央处理器CPU。
图3为现有的无源标签中整流电路结构示意图。
图4为本发明的无源标签电源转换效率自动调整的整流电路系统原理示意图。图中，10、可编程整流电路，20、电压检测电路。
图5为本发明的无源标签电源转换效率自动调整的整流电路中可编程整流电路结构示意图。
图6为本发明的无源标签电源转换效率自动调整的整流电路中电压检测电路结构示意图。图中，201、比较器。
具体实施方式
为了便于本领域人员更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，下述仅是示例性的不限定本发明的保护范围。
如图4所示，本发明的用于无源标签的电源转换效率自动调整整流电路，包括可编程整流电路10和电压检测电路20，所述可编程整流电路10的输入端与天线输入差分端ANT1和ANT2相连接、输入控制端Vdet与电压检测电路20的输出端Vdet相连接、输出端VCC为无源标签的电源，所述电压检测电路20的输入端与可编程整流电路的输出端VCC相连接。其中，电压检测电路20的输出端Vdet与可编程整流电路10的输入控制端Vdet之间有一个信号转换，即电压检测电路20的输出端Vdet通过产生电路生成Vctrl信号，再连接到可编程整流电路10的输入控制端Vdet，此处省略产生电路。
可编程整流电路10，具体地如图5所示，包括NMOS管M1、M2、M3、M4、M11、M21、M31和M41，所述M11的栅极连接有开关S11、源极连接有开关S12，所述M21的栅极连接有开关S21、源极连接有开关S22，所述M31的栅极和源极共同连接有开关S31、漏极连接有开关S32，所述M41的栅极和源极共同连接有开关S41、漏极连接有开关S42；所述M1的源极、M2的栅极、M11的源极通过开关S12、M21的栅极通过开关S21、M3的源极和栅极、M31的源极和栅极通过开关S31均与天线输入差分端ANT1相连接，M1的栅极、M2的源极、M11的栅极通过开关S11、M21的源极通过开关S22、M4的源极和栅极、M41的源极和栅极通过开关S41均与天线输入差分端ANT2相连接，M1和M2的漏极均接地，M11和M21的漏极连接在一起，M3的漏极、M4的漏极、M31的漏极通过开关S32和M41的漏极通过开关S42连接在一起作为可编程整流电路的输出端VCC，所述输出端VCC作为无源标签的电源。所述可编程整流电路10的输出端VCC通过电容CL和负载RL并联接地，其中电容CL除了用来稳压外，还可以存储电荷，使得当天线上信号发生短时间中断（Pause信号）时，供电给无源标签内电路使用。
所述电压检测电路20，具体地如图6所示，包括比较器201、电阻R1和电阻R2，所述电阻R1一端与可编程整流电路10的输出端VCC相连接、另一端与电阻R2相连接，电阻R2的另一端接地；比较器201的V+输入端与电阻R1和R2连接点Vp相连接、V-输入端与参考电平Vref相连接、输出端Vt即电压检测电路20的输出端与可编程整流电路10的输入控制端Vdet相连接。
本发明用于无源标签的电源转换效率自动调整整流电路的工作原理为：
当无源标签进行低功耗操作时，电压检测电路20检测到VCC端电压正常，连接点Vp的电压为电阻R1和R2的分压值：VCC×（R2/（R1+R2）），低于比较器201的V-输入端的参考电平Vref，比较器201的输出端Vt为低电平（即VGND），即可编程整流电路10的输入控制端Vdet为低电平，这时开关S11、S12、S21、S22、S31、S32、S41和S42全部断开，仅有NMOS管M1、M2、M3和M4工作，可编程整流电路10的电源转换效率的最大值优化在无源标签低功耗工作情况下，可以使得无源标签在低功耗操作下工作距离达到最远。
当无源标签进行高功耗操作时，由于负载电流变大，VCC端电压被拉低，电压检测电路20检测到VCC端电压低于正常值，连接点Vp的电压为电阻R1和R2的分压值：VCC×（R2/（R1+R2）），高于比较器201的V-输入端的参考电平Vref，比较器201的输出端Vt为高电平（即VCC），即可编程整流电路10的输入控制端Vdet为高电平，这时开关S11、S12、S21、S22、S31、S32、S41和S42全部闭合导通，此时NMOS管M1、M11、M2、M21、M3、M31、M4和M41全都工作，NMOS管M11、M21、M31和M41工作的结果相当于增加了M1、M2、M3和M4的宽长比，可编程整流电路10的电源转换效率的最大值优化在无源标签高功耗工作情况下，由此可以维持无源标签在高功耗操作下依然工作在最远工作距离，并能提高整个工作电路的稳定性。
而当无源标签又返回低功耗操作时，同理，VCC端电压升高到正常状态，可编程整流电路10的电源转换效率最大值仍优化在标签低功耗工作情况下，低功耗的无源标签的工作距离仍然可以达到最远。
以上，当无源标签与RFID读卡器之间工作距离最远时，通过电压检测电路检测无源标签的功耗高低来控制可编程整流电路中受开关控制的NMOS管的断开或闭合使得NMOS管的宽长比可调节，以此来调整电源转换效率使其达到最大值。本发明兼顾了无源标签的可工作距离和电源转换效率，扩大了无源标签的可工作范围，使得应用领域更加广泛。
以上仅描述了本发明的基本原理和优选实施方式，本领域人员可以根据上述描述作出许多变化和改进，这些变化和改进应该属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种用于无源标签的电源转换效率自动调整的整流电路，其特征在于：包括可编程整流电路（10）和电压检测电路（20），所述可编程整流电路（10）的输入端与天线输入差分端ANT1和ANT2相连接、输入控制端Vdet与电压检测电路（20）的输出端Vdet相连接、输出端VCC为无源标签的电源，所述电压检测电路（20）的输入端与可编程整流电路的输出端VCC相连接；
所述可编程整流电路（10）包括NMOS管M1、M2、M3、M4、M11、M21、M31和M41，所述M11的栅极连接有开关S11、源极连接有开关S12，所述M21的栅极连接有开关S21、源极连接有开关S22，所述M31的栅极和源极共同连接有开关S31、漏极连接有开关S32，所述M41的栅极和源极共同连接有开关S41、漏极连接有开关S42；所述M1的源极、M2的栅极、M11的源极通过开关S12、M21的栅极通过开关S21、M3的源极和栅极、M31的源极和栅极通过开关S31均与天线输入差分端ANT1相连接，M1的栅极、M2的源极、M11的栅极通过开关S11、M21的源极通过开关S22、M4的源极和栅极、M41的源极和栅极通过开关S41均与天线输入差分端ANT2相连接，M1和M2的漏极均接地，M11和M21的漏极连接在一起，M3的漏极、M4的漏极、M31的漏极通过开关S32和M41的漏极通过开关S42连接在一起作为可编程整流电路的输出端VCC，所述输出端VCC作为无源标签的电源；所述可编程整流电路（10）的输出端VCC通过电容CL和负载RL并联接地。
2.根据权利要求1所述的用于无源标签的电源转换效率自动调整的整流电路，其特征在于：所述电压检测电路（20）包括比较器（201）、电阻R1和电阻R2，所述电阻R1一端与可编程整流电路（10）的输出端VCC相连接、另一端与电阻R2相连接，电阻R2的另一端接地；比较器（201）的V+输入端与电阻R1和R2连接点Vp相连接、V-输入端与参考电平Vref相连接、输出端Vt即电压检测电路（20）的输出端与可编程整流电路（10）的输入控制端Vdet相连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Rectifier circuit for automatically adjusting power conversion efficiency for passive tag Effective date of registration: 20191217 Granted publication date: 20150909 Pledgee: Bank of China Limited Jinan high tech sub branch Pledgor: SHANDONG HUAYI MICRO-ELECTRONICS Co.,Ltd. Registration number: Y2019980001086 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20221012 Granted publication date: 20150909 Pledgee: Bank of China Limited Jinan high tech sub branch Pledgor: SHANDONG HUAYI MICRO-ELECTRONICS Co.,Ltd. Registration number: Y2019980001086 |