CN105827278B - 用于对系统内的非接触通信和非接触充电进行管理的系统和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明的各个实施例涉及用于对系统内的非接触通信和非接触充电进行管理的方法及对应系统。一种系统包括：天线(ANT2)；通信装置(2、3)，其被配置为根据非接触通信协议经由所述天线接收和/或发射信息；充电装置(6、4)，其被配置为经由所述天线(ANT2)执行电源模块(5)的非接触充电；以及控制装置(1)，其被配置为选择性地使得通信装置或充电装置能够操作。
Description
技术领域
本发明的实施例及其实施方式涉及：信息的非接触传输、以及电源模块(例如，电池)的非接触充电(或再充电)。
背景技术
非接触或无线通信在读取器和对象之间执行，其中对象例如为标签类型应答器、非接触智能卡或者模拟成卡模式的移动电话，但不限于这些实例。
读取器例如还可以是模拟成读取器模式的移动电话。
本领域技术人员公知的缩写为NFC的近场通信，是用于无线连接的技术，其允许在电子设备(诸如，非接触智能卡或者模拟为卡模式的移动电话)与读取器之间、在短距离(例如，10cm)内进行通信。
NFC技术尤其适合于连接任何类型的用户设备并且使得能够进行快速且容易的通信。
非接触对象，是能够根据非接触通信协议经由天线与另一非接触对象(例如，读取器)交换信息的对象。
作为非接触对象的NFC对象，是与NFC技术兼容的对象。
NFC技术是依据标准ISO/IEC 18092和ISO/IEC 21481而标准化的开放技术平台，但是结合有多种已经存在的标准，诸如，在标准 ISO-14443中定义的类型A和类型B协议，其可以是可用于NFC技术的通信协议。
除了其作为电话的传统功能之外，蜂窝移动电话可以用于(如果装配有特定装置的话)通过使用可用于NFC技术的非接触通信协议与另一非接触设备(例如非接触读取器)交换信息。
这允许在安装在移动电话中的安全元件与非接触读取器之间交换信息。从而可以实现许多应用，诸如，公共交通的移动购票(移动电话用作旅行票)、或者移动支付(移动电话用作支付卡)。
当信息在读取器和模拟成标签或卡模式的对象之间传输时，读取器通过其天线生成磁场，其通常在传统使用的标准中为13.56MHz频率的波形。
另一方面，模拟标签的对象的天线调制由读取器生成的场。
该调制通过修改连接至对象的天线的端子的负载来执行。
通过修改跨对象的天线的端子的负载，读取器的天线的输出阻抗由于两个天线之间的磁耦合的影响而变化。这导致存在于读取器的和对象的天线上和天线中的电压和电流的幅度和/或相位的变化。因此，以这种方式，从对象传输至读取器的信息经由负载调制而传输至读取器的天线电流。
此外，非接触充电技术允许能量从能量源(例如，充电器)跨分隔充电器与负载的空气空间而非接触传送至负载(例如，无线通信设备，例如，蜂窝移动电话)。
在用于非接触充电的各个标准中，A4WP(无线功率联盟)标准是被智能蜂窝移动电话(或智能手机)的主要制造商选择的一个标准。
本领域技术人员可以根据他们的需要参考A4WP标准的规则的多个出版物。RyanTseng等人的标题为“Introduction to the Alliance for Wireless Power Loosely-Coupled Wireless Power Transfer System Specification Version 1.0”的文章(IEEEWireless Power Transfer Conference 2013,Technologies,Systems andApplications，2013年5月 15-16日，意大利，佩鲁贾)可能尤其地被引用。
总之，非接触能量从功率发射单元(或PTU)和功率接收单元(或 PRU)传送，其受控于用于充电处理的管理协议。非接触能量在等于 6.78MHz的频率下生成。
发明内容
根据一个实施例及其实施方式，本发明的构想为：以简单和紧凑的方式在同一系统内组合非接触通信功能(例如，NFC通信类型的) 和非接触充电功能(例如，根据A4WP规范的)。
根据一个实施例及其实施方式，该构想是组合这些功能，同时确保充电路径不会影响非接触通信的性能特性、充电处理的特性不损伤专用于非接触通信的部件，并且确保非接触通信的特性不影响功率传输的效率。
因此，根据一个方面，提供了一种用于对结合由非接触通信功能和用于电源模块(诸如，可充电电池)的非接触充电功能的系统(例如，结合在诸如蜂窝移动电话或平板电能的无线通信设备内的)的操作进行管理的方法。
根据该方法，经由同一个天线以选择性的方式来执行非接触通信和非接触充电。
与非接触通信或非接触充电的选择性启动组合的、对单个天线的使用，允许所制得的系统具有减小的表面积。
此外，当非接触充电功能能够操作时，非接触通信功能有利地与所述天线隔离，反之亦然。
因此，这有助于使一个功能对另一个功能的影响最小化，并且有助于非接触通信功能不影响功率传送的效率。
根据一个实施例，通过以两种不同方式配置连接至所述天线的端子的匹配电路，来选择非接触通信功能或者非接触充电功能，这允许执行在用于非接触通信的频率与用于非接触充电的频率之间的频率切换。
此外，用于选择非接触充电功能的匹配电路的配置，还使得非接触通信功能能够与天线隔离。
因此，使用了同一个装置(可配置匹配电路)，以便影响频率切换，以及以便在激活了非接触充电功能时使非接触通信功能与天线隔离。
根据另一个实施例，当选择了非接触充电功能时，通过对连接在所述天线与电源模块之间的控制块的配置，来使得非接触充电功能能够操作；并且当选择了非接触通信功能时，通过对控制块的另一配置，使非接触充电功能与天线隔离。
再一次，该控制块(包括有例如在其栅极上被NMOS晶体管控制的PMOS晶体管)根据其配置(PMOS晶体管截止或其他状态)，有助于使得非接触充电功能能够操作、或者有助于在使得非接触通信功能能够操作时将该非接触充电功能与天线隔离。
根据另一方面，提供了一种系统，其包括：天线；通信装置，其被配置为根据非接触通信协议经由天线接收和/或发射信息；充电装置，其被配置为经由所述天线执行电源模块的非接触充电；以及控制装置，其被配置为选择性地使得通信装置或者充电装置能够操作。
根据一个实施例，控制装置被进一步配置为，将通信装置中的或充电装置中的未被致使为能够操作的装置与天线隔离。
根据一个实施例，通信装置被配置为以第一频率经由所述天线接收和/或发射信息，充电装置被配置为以第二频率经由所述天线执行电源模块的非接触充电，并且控制装置包括第一可配置控制装置，第一可配置控制装置被设计为，通过在第一频率和第二频率之间进行频率切换来选择通信装置或者充电装置、并且当选择了充电装置时使通信装置与天线隔离。
根据一个实施例，第一控制块包括耦合所述至天线的可配置匹配电路，其具有：
第一配置，其中第一配置与所述天线形成具有所述第一频率作为谐振频率的第一谐振电路，或者第一配置形成具有与以所述第一频率经由所述天线发射/接收信息相兼容的阻抗的匹配电路，以及
第二配置，其中第二配置与所述天线形成具有第二频率作为谐振频率的第二谐振电路。
根据一个实施例，通信装置包括输入和输出接口，并且
在所述第一配置中，匹配电路连接在所述天线与所述输入和输出接口之间，并且
在所述第二配置中，匹配电路连接在所述天线与电源冷点之间，并且输入和输出接口也连接至电源冷点。
根据一个实施例：
匹配电路包括与所述天线的端子并联的第一电容器、以及分别串联连接在所述天线的端子与输入/输出接口之间的多个第二电容器；
第一控制块还包括连接在输入/输出接口与电源冷点之间且具有第一状态和第二状态的第一可控切换模块，在第一状态下，输入/输出接口与电源冷点之间的有效连接被禁止，从而匹配电路处于其第一配置，而在第二状态下，将所述输入/输出接口有效地连接至所述电源冷点，从而匹配电路处于其第二配置，并且
控制装置包括被配置为选择性地控制所述第一切换模块的第一控制装置。
根据一个实施例，第一切换模块包括的多个MOS晶体管，该多个MOS晶体管分别连接在所述第二电容器与所述电源冷点之间、且其对应栅极被由第一控制装置传输的第一控制信号控制。
根据一个实施例，控制装置还包括第二可控且可配置的控制块，其被设计为：当第一控制块已经选择了充电装置时，使得充电装置在操作；以及当使得通信装置能够操作时，将充电装置与天线隔离。
根据一个实施例，第二控制块连接在所述天线和可充电电源模块之间并具有第一状态和第二状态，在第一状态下，所述天线和电源模块之间的有效连接被禁止，从而充电装置不能够操作，以及在第二状态下，将所述天线有效地连接至电源模块，从而充电装置能够操作；并且控制装置包括被配置为选择性地控制第二控制块的第二控制装置。
根据一个实施例，充电装置包括连接至天线的端子的整流桥、以及连接在整流桥与可充电的电源模块之间的电源管理单元，并且第二控制块设置在整流桥和电源管理单元之间、并且包括PMOS晶体管，该PMOS晶体管连接在整流桥的输出与电源管理单元之间、并且以在第一状态下截止而在第二状态下导通的这种方式在其栅极上可控。
根据一个实施例，第二控制块包括NMOS晶体管，该NMOS晶体管连接在PMOS晶体管的栅极与接地之间，并且可以以截止或者导通所述PMOS晶体管的方式被由第二控制装置传输的第二控制信号控制。
根据一个实施例，第一控制装置和第二控制装置是同一个装置，第一切换模块和第二控制块均处于其第一状态或其第二状态。
根据一个实施例，通信装置是“近场通信”类型的通信装置，并且充电装置与非接触充电技术A4WP兼容。
根据另一方面，提供了一种结合有有上面限定的系统的设备，例如是蜂窝移动电话。
附图说明
本发明的其他优势和特征将在阅读非限制实施例及其实施方式以及附图的基础上变得更加显而易见，其中：
图1至图8示意性示出了本发明的一些实施例及其实施方式。
具体实施方式
在图1中，参考标号TEL表示通信设备(例如，蜂窝移动电话)，其配备有天线ANT1用于建立电话通信。
此处的电话TEL还包括系统SYS，如下文更详细说明的，该系统SYS能够实施与外部设备的非接触通信功能、或者经由相同的天线ANT2(此处为感应天线)实施对电源模块5(例如，电池)的非接触充电。
换句话说，天线ANT2可用于与外部设备的非接触通信、以及用于对电池5的非接触充电。
系统SYS包括被配置为根据非接触通信协议经由所述天线ANT2 接收和/或发射信息的通信装置。举例而言，此处通信装置包括具有传统结构的发射/接收设备或发射/接收头2，并且尤其包括用于帧的调制/解调的装置，帧控制器尤其被设计为根据预定的逻辑功能(例如，在标准ISO 14443中定义的功能)来计算奇偶校验位。
通信装置还包括经由总线23连接至设备2的主机微控制器3，该主机微控制器3例如是NFC微控制器，例如包括与多个存储器相关联的传统中央处理单元。
此处的用于电池5的充电装置包括连接至天线ANT2的两个端子的整流桥6、以及连接在整流桥6和可充电电池5之间的电源管理单元4(缩写为PMU，本领域技术人员所公知)。
系统SYS还包括控制装置，该控制装置被配置为选择性地使得通信装置或者充电装置能够操作。
此外，如以下更详细看出的，控制装置还被配置为，将通信装置中的或充电装置中的未被致使为能够操作的装置与天线ANT2隔离。
如图1所示，控制装置包括级1，级1包括第一控制块10和第二控制块12，这两个控制块可以通过控制信号SCTRL来被配置和控制，其中控制信号SCTRL由位于微控制器3中且例如以软件的形式实施的控制装置30传送。作为一个变形例，这些控制装置可以设置在射频头2内。
射频头2还可以将级1与专用于非接触充电的整流桥6结合到一起。
现在更具体地参照图2至图5，示出了第一控制块10及其各种配置的一个示例性实施例。
第一控制块10包括耦合至天线ANT2的两个端子AC0和AC1 的可配置匹配电路100(图2)。
在再一次更详细描述该匹配电路100的组成之前，应该注意，发射/接收头2包括输入和输出接口，其具有可在读取器模式下使用的两个接触件T20和T21、以及可以在读取器模式下以及在卡模式下使用的另两个接触件R20和R21。
为此，头2有利地配备有内部开关SW，允许接触件T20和T21 针对在卡模式下的操作而被短路、或者接触件不被短路以允许进行在读取器模式下的操作。
此处的匹配电路包括与天线ANT2的端子AC0和AC1并联连接并且还与接触件T20和T21并联连接的第一电容器Cp。匹配电路还包括第二电容器Cs和Crx。
更具体地，第二电容器Cs串联在端子AC0和接触件T20之间。
另一个第二电容器Cs串联在端子AC1和接触件T21之间。
另两个第二电容器Crx分别串联在端子AC0、AC1与接触件R20 和R21之间。
第一控制块10还包括可被控制信号SCTRL控制的第一切换模块 110。
此处的该第一切换块包括分别连接在电容器Cs和Crx的端子 B1-B4与电源冷点(这里为地GND)之间的四个晶体管NMOS T1-T4。
可通过控制信号SCTRL控制这些晶体管NMOS的栅极。
该匹配电路100可以利用图3至图5所示的各种配置。
在图3中，假设内部开关SW闭合，这对应于使用在卡模式下的通信装置。
在该配置中，控制信号SCTRL处于逻辑状态0，这对应于非接触通信功能的选择、并且对应于第一切换模块100的第一状态110A。
晶体管T1-T4截止，然后匹配电路100形成具有天线ANT2的谐振电路100A。更具体地，电容器Cp和Cs在天线的端子处形成等效电容器Ct，其值等于Cp+Cs/2。为了简化Ct，Cp和Cs均表示对应的电容器及其电容值。
在例如在标准ISO/IEC 14443中定义的类型A或B的通信协议的情况下，以使得谐振电路具有等于13.56MHz的第一谐振频率f的方式，来选择电容值Cp和Cs。
在图4的情况下，第一切换模块110仍然处于对应于信号SCTRL 的逻辑值0的第一状态110A。另一方面，在该实例中，内部开关SW 断开，这对应于使用在读取器模式下的通信装置。
在这种情况下，匹配电路以其第一配置形成与以第一频率f经由天线ANT2发射/接收信息相兼容的阻抗匹配电路100B。
在该配置中，阻抗匹配电路允许获取从接触件T20和T21看到的作为天线ANT2的阻抗的复共轭的阻抗。
在使用13.56MHz的第一频率的通信协议的情况下，当在接触件 T20和T21上生成其上升沿隔开70ns的反相的方波电压信号(对应于13.56MHz的频率)时，考虑到匹配电路100B的存在，在接触件 R20和R21上还接收到了，来自天线ANT2的、以及来自连接在接触件T20和T21之间且为了简化在图中未示出的EMI(电磁干扰)滤波器的、峰值或最大值也隔开70ns的正弦电压信号。
天线的完美相位匹配对应于方波信号的上升沿与正弦信号的对应最大值的对齐。
现在参照图5来描述的匹配电路100的第二配置，其对应于控制信号SCTRL的逻辑值1，换句话说选择了非接触充电功能。
为了获取该第二配置，第一切换块110进入第二状态110C，其中晶体管T1至T4导通。
为此，端子B1-B4连接至接地，并且匹配电路跨天线ANT2的端子AC0和AC1形成电容值等于Ct+Crx/2的电容电路。再一次，为了简化的目的，Crx表示对应的电容器及其电容值两者。
该电容电路与天线ANT2一起形成谐振电路，并且通过将电容器Crx的电容值选择为等于值Ct的六倍，该谐振电路将具有等于 6.78MHz的第二谐振频率，其符合A4WP规范地与非接触充电显著兼容。
此外，不仅实施了在非接触通信期间使用的谐振频率与非接触充电期间使用的谐振频率之间的切换，而且这种切换还允许接触件T20、 T21、R20和R21接地，这使得它们在非接触充电期间能够被保护、并且使得非接触通信功能能够与天线隔离。
举例而言，为了具有13.56MHz的谐振频率(图3，NFC卡模式)、 6.78MHz的谐振频率(图5，非接触充电模式)，并且为了在接触件 T20、T21与天线ANT2之间具有良好的阻抗匹配(图4，NFC读取器模式)，通过用于电容器Cp、Cs和Crx的非限制性实例，对于具有 1.5μH的电感值的天线ANT2来说，可以选择以下电容值：
Cp＝76pF，Cs＝32pF，Crx＝552pF。
因此，这些值允许值Ct等于92pF，并且Crx的值等于所获取的 Ct的值的六倍。
现在更具体参照图6至图8来更加详细地描述控制装置1的第二控制块12。
如图6所示，该第二控制块12包括串联连接在整流桥6的输出与电源管理单元4之间的PMOS晶体管T6。此外，电阻器R6连接在整流桥的输出与晶体管T6的栅极之间。
该第二控制块还包括连接在PMOS晶体管T6的栅极与接地GND 之间的NMOS晶体管T7。该NMOS晶体管T7在栅极上被控制信号 SCTRL所控制。
第二控制块被设计为，当第一控制块10选择了充电装置 (SCRTL＝1)时，使得充电装置能够操作，而当通信装置被致使为能够操作(SCTRL＝0)时，将充电装置与天线ANT2隔离。
为此，如对应于选择了非接触通信装置(SCTRL＝0)的图7所示，第二控制块具有NMOS晶体管T7截止的第一状态，从而截止PMOS 晶体管T6。
在第一状态12A中，充电装置4随后处于非操作状态，因为在天线ANT2和电源模块(电池)之间没有有效的连接。
然后，充电装置与天线ANT2有效地隔离，并且不与非接触通信的操作发生干扰。
第二控制块还具有图8所示的第二状态12C，其对应于选择了非接触充电功能(SCTRL＝1)。
在该状态下，NMOS晶体管T7导通，这使得PMOS晶体管T6 导通，并且将电源管理单元4有效地连接至整流桥6，从而连接至天线ANT2。从而使得充电装置能够操作。
Claims (13)
1.一种系统，包括：
天线(ANT2)；
通信装置(2、3)，被配置为根据非接触通信协议经由所述天线来接收和/或发射信息；
电源模块(5)；
匹配电路(100)，耦合在所述天线与所述通信装置之间，所述匹配电路包括多个电容性元件，所述多个电容性元件在其间没有中间电路的情况下耦合到所述天线以形成多个第一节点，所述多个电容性元件还在其间没有中间电路的情况下直接耦合到所述通信装置以形成多个第二节点，所述多个第一节点可控地耦合到所述电源模块(5)；
充电装置(6、4)，被配置为经由所述天线(ANT2)执行对所述电源模块(5)的非接触充电，其中所述充电装置经由所述多个第一节点在其间没有中间电路的情况下直接耦合到所述天线；以及
控制装置(1)，所述控制装置包括：
第一控制块(10)，被设计为：选择所述通信装置或所述充电装置，当所述通信装置被选择时将所述多个第二节点与接地电位隔离，以及当所述充电装置被选择时通过将所述多个第二节点耦合到所述接地电位来将所述通信装置与所述天线隔离，并且其中，当所述通信装置被选择时以及当所述充电装置被选择时，所述充电装置、所述多个电容性元件和所述天线保持经由所述多个第一节点并且在其间没有中间电路的情况下直接地彼此耦合，以及
第二控制块(12)，被设计为：当所述第一控制块(10)已经选择了所述充电装置时使得所述充电装置能够操作，以及当使得所述通信装置能够操作时将所述充电装置与所述天线隔离。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述通信装置(2、3)被配置为以第一频率经由所述天线接收和/或发射信息，所述充电装置(6、4)被配置为以第二频率经由所述天线执行所述电源模块的非接触充电，并且其中所述第一控制块(10)被设计为：通过在所述第一频率与所述第二频率之间的频率切换，来选择所述通信装置或者所述充电装置。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述多个电容性元件具有：
第一配置，其中所述匹配电路与所述天线一起形成具有所述第一频率作为谐振频率的第一谐振电路，否则所述第一配置形成具有与以所述第一频率经由所述天线发射/接收信息相兼容的阻抗的匹配电路；以及
第二配置，其中所述匹配电路与所述天线一起形成具有所述第二频率作为谐振频率的第二谐振电路。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述通信装置包括输入和输出接口(2)，并且
在所述第一配置中，所述匹配电路连接在所述天线与所述输入和输出接口之间，并且
在所述第二配置中，所述匹配电路连接在所述天线与电源冷点(GND)之间，并且所述输入和输出接口也连接至所述电源冷点(GND)。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述天线包括一对端子，并且其中所述多个电容性元件包括：
与所述天线的所述端子并联连接的第一电容器(Cp)；以及
分别串联连接在所述天线的所述端子与所述输入和输出接口之间的多个第二电容器(Cs，Crx)；
其中所述第一控制块(10)还包括第一切换模块(110)，所述第一切换模块(110)连接在所述输入和输出接口与所述电源冷点之间，并且具有第一状态(110A)和第二状态(110C)，在所述第一状态(110A)下，所述输入和输出接口与所述电源冷点之间的有效连接被禁止，从而所述匹配电路处于其第一配置，在所述第二状态(110C)下，所述第一切换模块(110)将所述输入和输出接口有效地连接至所述电源冷点，从而所述匹配电路处于其第二配置；
并且所述通信装置还包括被配置为选择性地控制所述第一切换模块的第一控制装置(30)。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述第一切换模块(110)包括多个晶体管MOS(T1-T4)，所述多个晶体管MOS(T1-T4)分别连接在所述第二电容器与所述电源冷点之间、并且可以在其对应栅极上被由所述第一控制装置传输的第一控制信号(SCTRL)控制。
7.根据权利要求2所述的系统，其中所述第二控制块(12)连接在所述天线(ANT2)与所述电源模块(5)之间，并且具有第三状态(12A)和第四状态(12C)，在所述第三状态下，所述天线与所述电源模块之间的有效连接被禁止，从而所述充电装置不能够操作，以及在所述第四状态下，所述第二控制块(12)将所述天线有效地连接至所述电源模块，从而使得所述充电装置能够操作；并且
所述通信装置还包括被配置为选择性地控制所述第二控制块的第二控制装置(30)。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述天线包括一对端子，并且其中所述充电装置包括：
连接至所述天线的所述一对端子的整流桥(6)，以及
连接在所述整流桥与所述电源模块之间的电源管理单元(4)，并且
其中所述第二控制块(12)设置在所述整流桥(6)与所述电源管理单元(4)之间、并且包括PMOS晶体管(T6)，所述PMOS晶体管连接在所述整流桥的输出与所述电源管理单元之间、并且以在所述第三状态下截止而在所述第四状态下导通的这种方式在其栅极上可控。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述第二控制块(12)包括NMOS晶体管(T7)；所述NMOS晶体管(T7)连接在所述PMOS晶体管(T6)的栅极与接地之间，并且被由所述第二控制装置(30)传输的第二控制信号(SCTRL)控制，以便导通或截止所述PMOS晶体管。
10.根据与权利要求5和6中任一项所述的系统，其中所述第二控制块(12)连接在所述天线(ANT2)与所述电源模块(5)之间，并且具有：
第三状态(12A)，在所述第三状态下，所述天线与所述电源模块之间的有效连接被禁止，从而所述充电装置不能够操作，以及
第四状态(12C)，在所述第四状态下，所述第二控制块(12)将所述天线有效地连接至所述电源模块，从而使得所述充电装置能够操作，并且
所述通信装置还包括被配置为选择性地控制所述第二控制块的第二控制装置(30)，并且
其中所述第一控制装置和所述第二控制装置是同一个装置，所述第一切换模块处于所述第一状态并且所述第二控制块处于所述第三状态，或者所述第一切换模块处于所述第二状态并且所述第二控制块处于所述第四状态。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，其中所述通信装置是“近场通信”类型的通信装置，并且所述充电装置与非接触充电技术A4WP相兼容。
12.一种结合有根据权利要求1至11中任一项所述的系统的设备。
13.根据权利要求12所述的设备，包括蜂窝移动电话。
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