CN106663844B - 从接地平面解耦的指示器电路 - Google Patents
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Abstract
本发明针对一种指示器电路。所述指示器电路包括:接地平面;天线;解耦器部件;以及集成电路。所述天线包括:至少一个天线迹线;第一天线端子;以及第二天线端子。所述解耦器部件包括第一解耦器部件端子和第二解耦器部件端子。所述集成电路电耦合到所述第一天线端子和所述第二天线端子。所述集成电路电耦合到所述第一解耦器部件端子。所述第二解耦器部件端子电连接到所述接地平面。
Description
技术领域
本发明涉及从接地平面解耦的指示器电路,并且更具体地,涉及从电池组(battery)解耦的指示器电路。
背景技术
包括射频识别(RFID)和其它近场通信(NFC)协议的无线通信正在针对诸如安全性、库存管理、访问控制等等之类的应用而受到欢迎。包括RFID或NFC协议的智能电话的数量正在随着无源或有源发射机应答器(诸如RFID指示器电路和NFC指示器电路)的各种应用一起增长。这样的指示器电路包括调制且在一些实例中发射可由诸如智能电话之类的读取器读取的无线通信信号的天线。然而,寄生电容可以在天线和接地平面之间形成。例如,当天线被放置在金属上或附近时,寄生电容可能特别成问题。寄生电容可以减小指示器电路内的天线的天线电压。因此,可以减小天线的读取范围。另外,寄生电容可以使天线失谐于天线的指定频率,诸如13.56MHz。天线可能需要被重新调谐,并且在某些情形中,重新调谐可能是不可行的。
电化学电池(cell)或电池组通常被用作电能源。电池组包含通常称为阳极的负电极和通常称为阴极的正电极。阳极包含可被氧化的活性材料。阴极包含可被还原的活性材料。阳极活性材料能够还原阴极活性材料。分隔部(separator)被设置在阳极和阴极之间。电解质也被包括在电池组内。上述部件通常被设置在金属罐中。
电池组测试器可以被用于确定电池组的特性,诸如剩余电池组容量。被放置在电池组上的常用电池组测试器的示例性类型被称为热致变色型测试器。在热致变色电池组测试器中,当消费者手动按下一个或两个按钮开关时,可以把电路接通。一旦开关被按下,消费者就已经将电池组连接到热致变色测试器。热致变色测试器可以包括银电阻器,例如,具有可变宽度以使得电阻也沿其长度而变化的平坦银层。随着电流行进通过银电阻器,耗散的功率生成热量,该热量改变被放置在银电阻器之上的热致变色油墨显示器的颜色。热致变色油墨显示器可以被布置为指示电池组的相对容量的计量器。然而,对于消费者来说通常必需的是不方便地握持电池组和/或从设备中移除电池组以便使用电池组测试器来测试电池组。
因此,存在针对从接地平面解耦的用于无线通信(例如RFID和/或NFC应用)的指示器电路的需要。包括这样的指示器电路的通信系统可以减少或消除天线和接地平面之间的短路。另外,包括这样的指示器电路的通信系统可以消除重新调谐天线的任何需要。另外,包括这样的指示器电路的通信系统可以减小或消除来自可起接地平面作用的其它金属部分的干扰。从接地平面解耦的用于无线通信的指示器电路还可以被并入电池组测试器内。可以减小或消除可能由于电池组或其它金属部件(诸如,设备内的那些金属部件)的金属外壳的结果而形成的任何寄生电容。在两个实例中的任一个实例中,当天线处于接地平面/金属部件附近时,指示器电路内的天线的读取范围可能不受接地平面/金属部件不利地影响。
发明内容
在一个实施例中,本发明针对一种指示器电路。所述指示器电路包括:接地平面;天线;解耦器部件;以及集成电路。所述天线包括:至少一个天线迹线;第一天线端子;以及第二天线端子。所述解耦器部件包括第一解耦器部件端子和第二解耦器部件端子。所述集成电路电耦合到所述第一天线端子和所述第二天线端子。所述集成电路电耦合到所述第一解耦器部件端子。所述第二解耦器部件端子电连接到所述接地平面。
在另一实施例中,本发明针对一种指示器电路。所述指示器电路包括:电池组;天线;解耦器部件;以及集成电路。所述电池组包括正端子和负端子。所述天线包括:至少一个天线迹线;第一天线端子;以及第二天线端子。所述解耦器部件包括第一解耦器部件端子和第二解耦器部件端子。所述集成电路电耦合到所述第一天线端子和所述第二天线端子。所述集成电路电耦合到所述电池组的所述正端子。所述集成电路电耦合到所述第一解耦器部件端子。所述第二解耦器部件端子电连接到所述电池组的所述负端子。
在另一实施例中,本发明针对一种指示器电路。所述指示器电路包括:电池组;天线;解耦器部件;以及集成电路。所述电池组包括正端子和负端子。所述天线包括:至少一个天线迹线;第一天线端子;以及第二天线端子。所述解耦器部件包括第一解耦器部件端子和第二解耦器部件端子。所述集成电路电耦合到所述第一天线端子和所述第二天线端子。所述集成电路电耦合到所述电池组的所述负端子。所述集成电路电耦合到所述第一解耦器部件端子。所述第二解耦器部件端子电连接到所述电池组的所述正端子。
附图说明
尽管本说明书以权利要求特别指出且清楚地要求保护被视为形成本发明的主题来结束,但应当相信,本发明将从结合附图进行的以下描述中更好地理解。
图1是根据本文中示出和描述的一个或多个实施例的从接地平面解耦的指示器电路的示意图。
图2是根据本文中示出和描述的一个或多个实施例的从接地平面解耦的另一指示器电路的示意图。
图3是根据本文中示出和描述的一个或多个实施例的从接地平面解耦的另一指示器电路的示意图。
图4是根据本文中示出和描述的一个或多个实施例的从接地平面解耦的另一指示器电路的示意图。
图5是根据本文中示出和描述的一个或多个实施例的从接地平面解耦的另一指示器电路的示意图。
图6是包括根据本文中示出和描述的一个或多个实施例的指示器电路的圆柱形电池组上的天线。
图7是包括根据本文中示出和描述的一个或多个实施例的指示器电路的圆柱形电池组上的另一天线。
图8是可与根据本文中示出和描述的一个或多个实施例的指示器电路结合地使用的两个对称环形天线的异相配置。
图9是可与根据本文中示出和描述的一个或多个实施例的指示器电路结合地使用的两个对称环形天线的另一异相配置。
图10是可与根据本文中示出和描述的一个或多个实施例的指示器电路结合地使用的两个对称环形天线的同相配置。
图11是可与根据本文中示出和描述的一个或多个实施例的指示器电路结合地使用的两个对称环形天线的另一同相配置。
具体实施方式
本发明针对一种从接地平面解耦的指示器电路。指示器电路能够发送和/或接收无线通信信号。指示器电路包括集成电路、天线和解耦器部件。指示器电路可以电耦合到诸如电池组之类的设备,并且指示器电路可以向诸如智能电话之类的读取器无线地传送诸如电池组电压之类的特性。在一些实施例中,接地平面可以是例如电池组的金属外壳。
集成电路(IC)可以包括在单个衬底(诸如半导体晶片或芯片、或金属、聚合物、或陶瓷衬底)上构造的晶体管、电阻器、二极管、电感器和/或电容器的电路,其中分立部件被互连以执行给定的功能。IC可以包括电耦合在一起以执行一功能或任何数量的功能的通信电路和/或模数转换器(ADC)。IC可以电连接到系统接地,以便使IC执行其(一个或多个)功能。IC可以包括其它电路,从而包括但不限于指示电路、电源电路、RFID电路或块、NFC电路或块、输入/输出电路或端口等。IC可以在物理上将通信电路和ADC并排地共同定位在一起或者在物理上将它们集成在一起。IC还可以包括专用集成电路(ASIC),其具体被制造成涵盖该功能或所必需的任何数量的功能的执行。该功能可以是确定物件的指定状况并以功能信息的形式将该信息中继到读取器。该功能还可以是以信号的方式传送物件的特定状况的通知,或者该功能可以是提供物件的指定状况的指示,其可以包括可听、可见或振动觉指示。振动觉是感测振动的能力,并且振动觉指示是提供振动感觉的机械或机电手段。IC可以是任何合适形状的。IC可以具有带有长度、宽度和高度的矩形或正方形形状。IC可以是有源的、半有源的、电池组辅助无源的或者可以是无源的。IC可以具有小于约3mm(例如约0.5mm和约2mm之间)的宽度。IC可以具有小于约1.0mm(例如约0.02mm和约0.10mm之间)的高度。IC可以具有小于约3mm(例如约1.0mm至约2.0mm之间)的长度。
通信电路可以是诸如下述各项之类的任何合适通信电路系统:如包括在例如ISO/IEC 14443(接近式卡)、15693(邻近式卡)、15961、15962、15963和18000通信标准内的射频识别(RFID)电路系统和近场通信(NFC)电路系统;如包括在例如IEEE 802.15.1通信标准内的Bluetooth电路系统;如包括在例如IEEE 802.11通信标准内的WiFi电路系统;如包括在例如IEEE 802通信标准内的Zigbee电路系统;以及任何合适固定无线通信电路系统。通信电路可以利用诸如下述各项之类的任何合适频带:低频率(从约125kHz到约134.2kHz和从约140kHz到约148.5kHz);高频率(HF)(13.56MHz);超高频率(UHF)(860-956MHz);或微波频率(2.4-5.8GHz)。另外,可以使用其它通信电路系统,诸如可听或不可听声音或可见光。
天线可以包括可限定单个天线、多个天线或者限定一个或多个连续环形天线的至少一个天线迹线。每个环路可以具有该至少一个天线迹线的一个或多个匝或绕组。该至少一个天线迹线可以包括第一天线端子和第二天线端子。第一天线端子和第二天线端子可以提供用于集成电路(IC)的焊合、导电粘合剂、超声焊接、热超声接合、热压接合或压接的接头连接。第一天线端子和第二天线端子可以电耦合到IC。
天线可以包括实现期望读取范围所需的任何数量的环路。在决定多少对称环路和/或每对称环路多少匝可以被用于提供具有可调谐性范围的LC(电感和电容)储能电路(tank circuit)时,必须计及对应的IC输入电容和天线电感,以满足通信电路和读取器谐振频率。
该至少一个天线迹线、第一天线端子和第二天线端子可以由铜、铝、银、金或其它导电金属制成。其它示例包括导电聚合物、导电胶和导电碳,诸如石墨。该至少一个天线迹线、第一天线端子和第二天线端子可以被印刷或喷涂。天线的该至少一个天线迹线可以被机器印刷,该机器通过使用丝网印刷、凹版印刷或喷墨印刷以将材料施加到主体表面上来限定天线。印刷可以经由下述各项而被完成:RF溅射技术;在主体表面上限定材料的撞击或挤压技术;金属箔掩模技术;以及蚀刻技术,或者活化被施加到主体表面的材料的热或光活化技术。
该至少一个天线迹线、第一天线端子和第二天线端子可以由箔制成。该至少一个天线迹线、第一天线端子和第二天线端子可以是绝缘或裸露的预成型线。如果预成型线是裸露的,则其可以被非导电片材、非导电带、非导电柔性衬底或非导电收缩包裹物覆盖。
接地平面可以是连接到系统接地的导电表面。接地平面可以是例如金属。接地平面可以是例如被包括在设备内的金属部件或部件部分。
寄生电容可以在天线接近于接地平面时形成。寄生电容可以是天线与接地平面之间的分布式电容。寄生电容可能影响包括例如单端天线和差分类型或浮点类型天线的任何天线。寄生电容可以减小天线的期望读取范围。寄生电容可以以电子的方式起电容器的作用,并可以具有电容值。寄生电容的电容值将取决于天线与接地平面的重叠面积而变化。寄生电容的电容值还将取决于天线与接地平面之间的距离以及天线与接地平面之间的电介质而变化。电介质可以是电绝缘体,诸如铁氧体、塑料、空气等等。寄生电容的电容值可以根据等式1来计算:
(等式1)
其中C是寄生电容的电容值,以法拉(F)为单位;是天线与接地平面之间的电介质的相对静态电容率或介电常数(对于真空,=1);是真空电容率,其近似为8.854×10-12 F m-1;A是天线与接地平面的重叠面积,以平方米(m2)为单位;以及d是天线与接地平面之间的分隔距离,以米(m)为单位。例如,天线与接地平面之间的介电材料可以是具有为1的介电常数的铁氧体;天线迹线的表面积可以是335mm2;以及天线与接地平面之间的距离可以是0.1mm。使用等式1,将这些条件下的寄生电容的电容值计算为约29.7×10-12 F [(1)(0.000335m2)(8.854×10-12 F m-1)/(0.0001m)]。
天线的电抗和寄生电容可以充当指示器电路内的分压器。分压器将减小天线的天线电压和天线的关联读取范围。解耦器部件可以被选择成最小化由分压器对天线电压的减小。解耦器部件将寄生电容从天线解耦,并减小或消除来自接地平面的与天线的任何干扰。解耦器部件可以是提供天线从接地平面的必要解耦的任何部件。解耦器部件可以是电阻器、电感器及其任何组合。解耦器部件可以是例如分立的表面安装部件。解耦器部件可以是印刷部件,诸如印刷碳。解耦器部件可以是电阻材料,诸如电阻胶。当解耦器部件被包括在指示器电路内时,系统接地和接地平面不直接连接。
解耦器部件可以是例如具有下述电阻的电阻器:该电阻被选择成最小化由接地平面对指示器电路内的天线电压的减小。电阻器的电阻可以是例如在指示器电路的操作频率处的寄生电容的电抗的至少约10倍。电阻器可以具有例如大于约100欧姆(Ω)的电阻。电阻器可以具有例如大于约200Ω的电阻。电阻器可以具有例如大于约1000Ω的电阻。电阻器可以具有例如大于约10000Ω的电阻。电阻器可以具有例如大于约20000Ω的电阻。
解耦器部件可以是例如具有下述电感的电感器:该电感被选择成最小化由接地平面对指示器电路内的天线电压的减小。电感器可以具有例如大于约50微亨(μH)的电感。电感器可以具有例如大于约100μH的电感。电感器可以具有例如大于约150μH的电感。
解耦器部件的选择可以根据下面的示例计算来确定。天线将具有下述电感:该电感被最大化以便在考虑到通信电路的输入电容时使天线保持可调谐。天线的电抗可以根据等式2来计算:
其中ZL是天线的电抗,以欧姆(Ω)为单位;f是天线电压的频率,以赫兹(Hz)为单位;以及L是天线的电感,以亨利(H)为单位。例如,13.56MHz处的高频率RFID或NFC通信电路的天线可以具有约5×10-6H的电感,其中天线被参考到系统接地。使用等式2,将针对示例性RFID指示器电路的天线的电抗计算为约426Ω(2·π·13.56×106Hz·5×10-6H)。
通过上面的等式1计算的示例性寄生电容还可以具有电抗。寄生电容的电抗可以根据等式3来计算:
其中ZC是寄生电容的电抗,以欧姆(Ω)为单位;f是天线电压的频率,以赫兹(Hz)为单位;以及C是寄生电容的电容值,如通过等式1计算的那样,以法拉(F)为单位。使用等式3,将寄生电容的电抗计算为约390Ω[1/(2·π·13.56×106Hz·29.7×10-12F)]。
对指示器电路内的天线来说可用的电流将根据基尔霍夫定律而被分割在由集成电路拉取的电流与耗费在寄生电容上的电流之间。该关系根据等式4而在数学上被表达:
其中IANT是天线电流,以安培(A)为单位;IIC是集成电路的输入电流,以安培(A)为单位;以及ILOST是耗费在寄生电容上的电流,以安培(A)为单位。
指示器电路内的特定集成电路将具有最小操作电流。特定集成电路还将具有集成电路在其处能够接通的最小电压或阈值电压。可以根据欧姆定律针对特定集成电路来确定最小操作电流,这是由于特定集成电路的阈值电压和特定集成电路内的电阻是已知的。例如,特定集成电路的阈值电压和特定集成电路内的电阻可以分别是1伏特(V)和1000Ω。根据欧姆定律的集成电路的最小操作电流IIC是0.001A [1V/1000Ω]。
天线将需要产生足够的电流来补偿与寄生电容相关联的任何损失电流,以便保持阈值电压恒定。耗费在寄生电容上的电流ILOST可以使用欧姆定律和如通过等式3计算的寄生电容的电抗来计算。根据欧姆定律的耗费在寄生电容上的电流在恒定阈值电压处为0.00256A [1V/390Ω]。
根据等式4的天线电流是0.00356A [0.001A+0.00256A]。天线将必须生成1V并根据等式5补偿跨天线电抗的损失:
(等式5)
其中VANT是天线电压,以伏特(V)为单位;VIC是集成电路的阈值电压,以伏特(V)为单位;IANT是天线电流,以安培(A)为单位;以及ZANT是天线的电抗,如通过等式2计算的那样,以欧姆(Ω)为单位。如根据等式5计算的天线电压是2.517V [1V+(0.00356A×426Ω)],这将导致指示器电路的减小的读取范围。
在系统接地与接地平面之间添加解耦器部件。指示器电路的所得等效电路将具有与寄生电容串联的解耦器部件。耗费在寄生电容上的电流ILOST现在根据等式6而在数学上被表示:
其中VIC是集成电路的阈值电压,以伏特(V)为单位;ZC是寄生电容的电抗,如通过等式3计算的那样,以欧姆(Ω)为单位;以及ZD是解耦器部件的电抗,以欧姆(Ω)为单位。解耦器部件的电抗应当相对于寄生电容的电抗而言较大,以最小化寄生电容对指示器电路内的天线的任何负面影响。
该指示器电路的天线电压可以例如大于未受寄生电容影响的指示器电路的天线电压的约95%。在该实例中,耗费在寄生电容上的电流应当小于集成电路的输入电流的5%。在这些条件下的等式6可以被编写如下:
求解ZC+ZD得到约5%电压减小处的指示器电路内的总电抗,其是20000Ω。寄生电容的电抗ZC上面被计算为390Ω。针对示例性指示器电路的解耦器部件的所得阻抗ZD是19610Ω(20000Ω–390Ω)。因此,解耦器部件(诸如,具有约20000Ω电阻的电阻器)的包括将导致小于约5%天线电压损失。例如,电阻器将寄生电容从天线解耦,并减小或消除来自接地平面的与天线的任何干扰。
如上所述的解耦器部件可以是电感器。电感器的电感可以根据等式7来计算:
(等式7)
其中L是电感器的电感,以亨利(H)为单位;f是天线电压的频率,以赫兹(Hz)为单位;以及ZL是解耦器部件(例如,电感器)的电阻,以欧姆(Ω)为单位。使用等式7,电感器的所计算出的电感是约0.00023H [19610Ω/(2·π·13.56×106Hz)]。因此,解耦器部件(诸如,具有约0.00023H电感的电感器)的包括将导致小于约5%天线电压损失。电感器作为解耦器部件的使用可以最适用于带有具有高频率的天线的通信电路,诸如UHF和微波通信电路。
另外,解耦器部件(诸如电阻器或电感器)的阻抗可能不超过通过由指示器电路内的ADC进行的电压测量的期望准确度而确定的电阻值。解耦器部件的阻抗的最大值将取决于针对特定指示器电路选择的ADC的输入电阻和ADC的电压测量的期望准确度而变化。
解耦器部件可以包括第一解耦器部件端子和第二解耦器部件端子。第一解耦器部件端子可以电耦合到IC。第二解耦器部件端子可以电耦合到接地平面。例如,诸如引线之类的导电迹线可以将解耦器部件的第一解耦器部件端子耦合到IC。类似地,诸如引线之类的导电迹线可以将解耦器部件的第二解耦器部件端子耦合到接地平面。导电迹线可以由导电的任何合适材料(诸如,导电聚合物、导电胶、导电碳(诸如石墨)和导电金属(诸如铝、镍、银、铜、金和锡))形成。导电迹线可以采取提供从解耦器部件的第一解耦器端子到IC的电耦合以及从解耦器部件的第二解耦器端子到接地平面的电耦合的任何合适形式。例如,导电迹线可以被直接印刷在主体表面上;可以是加接到主体表面的细金属线;或者可以是附接到主体表面的细绝缘线。导电迹线还可以部分地起解耦器部件的作用。例如,可以使导电迹线的或导电迹线的一段的电阻满足解耦器部件的所需电阻。例如,导电迹线(诸如导电胶或碳)可以遍及整个导电迹线或在导电迹线的一段内具有约20000Ω的电阻。
读取器可以是能够读取RFID指示器电路或NFC指示器电路的任何设备。读取器的特定示例包括智能电话、平板电脑、具有NFC适配器的个人计算机(PC)、专用RFID指示器电路读取器、专用NFC指示器电路读取器、手持计算设备或电耦合到计算设备的魔杖天线(wand antenna)。读取器可以用于通过发射询问信号来激励IC,或者可以向IC发射“唤醒”信号。询问信号可以是用于给IC中的电路供能且向IC提供发射其功能信息的功率的预定频率的RF脉冲。“唤醒”信号可以是RF脉冲,但是IC可以使用来自另一个源的功率来为IC供电并发射其功能信息。读取器可以包括用于可视地呈现功能信息的显示器或能够可听地呈现功能信息的可听设备。读取器还可以包括用于在呈现之前解释和/或修改功能信息的算法。
电池上远程指示系统可以包括电耦合到电化学电池或电池组的指示器电路。电池上远程指示系统可以通过使用读取器来向例如消费者提供关于电池组的信息。电池组可以包括金属外壳。金属外壳可以充当接地平面。指示器电路可以被从接地平面解耦。在电池上远程指示系统内从接地平面解耦的指示器电路内的天线的天线电压可能不受可在天线与电池组/接地平面之间形成的寄生电容不利地影响。
电化学电池是能够借助于电化学氧化还原(redox)反应转换电化学电池的活性材料内的化学能量的设备。David Linden, Handbook of Batteries, 1.3 (2011年第4版)。电化学电池由阳极、阴极和电解质构成。同上。一个或多个电化学电池可以被称作电池组。电化学电池或电池组可以是一次的或二次的。一次电池组意味着被仅一次放电例如到耗尽、然后被丢弃。一次电池组例如被描述在David Linden, Handbook of Batteries (2011年第4版)中。二次电池组意图被再充电。二次电池组可以被放电和再充电许多次,例如多于50次、100次或更多。二次电池组例如被描述在David Linden, Handbook of Batteries(2011年第4版)中。因此,电池组可以包括各种电化学耦合和电解质组合。应当意识到,本发明适用于水体系、非水体系、离子液体体系和固态体系的一次电池组和二次电池组两者。上述体系的一次电池组和二次电池组因此处于本申请的范围内,并且本发明不限于任何特定实施例。
电池组还在于变化的大小和尺寸。例如,国际电工委员会(IEC)已经为对消费者来说零售可购得的电池组建立了标准大小和尺寸。IEC已经设置了标准大小和尺寸,例如圆柱形电池组,诸如AAA电池组、AA电池组、C电池组和D电池组。类似地,已经为非圆柱形电池组设置了标准大小和尺寸。例如,9V碱性电池组具有棱柱形或矩形形状。个体电池组或设备制造商还可以指定可能一般零售不可购得的棱柱形电池组(诸如锂离子棱柱形电池组)的尺寸。应当意识到,本发明适用于各种大小(诸如圆柱形和棱柱形)和尺寸(诸如AA、AAA、C、D和9V)以及由个体电池组或设备制造商指定的电池组大小和尺寸的电池组。
电池组可以具有正端子和负端子。IC可以以串联、并联或其组合的方式电耦合到电池组的正端子和负端子。例如,诸如引线之类的导电迹线可以将电池组的负端子连接到IC。类似地,诸如引线之类的导电迹线可以将电池组的正端子连接到IC。导电迹线可以由导电的任何合适材料形成,该合适材料诸如是:导电聚合物;导电胶;导电碳,诸如石墨;以及导电金属,诸如铝、镍、银、铜、金和锡。导电迹线可以被直接印刷在电池组上;可以是加接到电池组的细金属线;可以是附接到电池组的细绝缘线;或者是提供从正端子到IC以及从负端子到IC的电连接的任何其它合适形式。导电迹线可以与电池组的外壳电隔离。例如,导电迹线可以从IC延伸到电池组的负端子,并保持与电池组电隔离直到其电耦合到电池组的负端子。类似地,导电迹线可以从IC延伸到电池组的正端子,并保持与电池组电隔离直到其电耦合到电池组的正端子。导电迹线可以例如通过导电粘合剂(诸如银环氧树脂)、通过超声焊接、通过电阻焊接、通过激光焊接、或通过机械压力而耦合到电池组的正端子和负端子。
指示器电路的IC可以执行关于电池组的任何数量的一系列功能。IC可以提供关于以下各项的信息:电池组的功率输出;电池组的放电速率;电池组何时接近其使用寿命的结尾;以及电池组的充电状态。IC还可以提供:过放电保护;过充电保护;剩余容量确定;电压确定;循环寿命确定;以及功率管理。功率管理功能可以包括:电池组识别;电池组健康状态;电池组保护;电池平衡;燃料计量;充电控制;电压转换;负载调节;使电池组通电/断电;功率设置调整;允许或阻止再充电;电池组旁路;温度监测;以及充电速率调整。IC可以例如被用在电池上远程指示系统中,以通过使用读取器来向例如消费者提供关于电池组的信息。IC还可以被配置有唯一标识符,诸如RFID指示器电路等效物,该唯一标识符指示数字/符号的唯一序列或者诸如例如制造日期、批号、序列号和其它可识别信息之类的信息。
用于电池上远程指示系统的指示器电路还可以包括如上所述的天线,其包括至少一个天线迹线、第一天线端子和第二天线端子。例如,IC可以在物理上将诸如RFID指示器电路和/或NFC指示器电路之类的通信电路、ADC、第一天线端子和第二天线端子集成并电耦合在一起。
IC可以例如被配置成利用电耦合到电池组的负端子的第一引线和电耦合到电池组的正端子的第二引线来感测电池组的电压。IC可以感测电池组的负端子与电池组的正端子之间的电压,并以信号的方式向读取器报告该电压。电池组的金属外壳可以充当接地平面。另外,多个电池组可以被包括在电子设备内。包括电池上远程指示系统的处于电池组附近的电池组的金属外壳可以充当接地平面。另外,电子设备可以包括可充当接地平面的金属部件,诸如端子、电路系统等等。寄生电容可以在天线接近于该电池组的金属外壳、另一电池组的金属外壳和/或电子设备内的其它金属部件时形成。寄生电容可以减小电池上远程指示系统内的天线的天线电压。与IC以及例如电池组的正端子电耦合的解耦器部件将寄生电容从天线解耦,并减小或消除来自接地平面的与天线的任何干扰。在电池上远程指示系统内从接地平面解耦的指示器电路内的天线的天线电压可能不受可在天线与电池组/接地平面之间形成的寄生电容不利地影响。
如果电池上远程指示系统所附接到的电池组的外壳是金属的,则电池上远程指示系统还可以包括磁转向器(magnetic diverter)。磁转向器可以是在指定频率处具有高磁导率且具有低电导率的任何材料。磁转向器可以是例如邻近于且覆盖外壳的薄的柔性铁氧体材料。可以使用其它材料作为提供高磁导率的铁氧体屏蔽物,诸如例如铁、镍或钴及其对应合金。用于铁氧体屏蔽物的其它材料还包括基本上不导电的氧化物。磁转向器可以是加接到外壳的表面或并入覆盖外壳的标签内的膜。磁转向器可以被喷涂或涂覆在外壳的表面上。磁转向器可以是例如约30微米至约300微米厚。
参照图1,示出了包括天线110、集成电路(IC)120、接地平面130、系统接地132和解耦器部件140的指示器电路100。天线110包括至少一个天线迹线150、第一天线端子152和第二天线端子154。天线110的第一天线端子152和第二天线端子154电耦合到集成电路120。解耦器部件140包括第一解耦器部件端子142和第二解耦器部件端子144。集成电路120经由系统接地132电耦合到第一解耦器部件端子142。第二解耦器部件端子144电连接到接地平面130。寄生电容160可以在天线110与接地平面130之间形成。寄生电容160可以具有由电容器162示意性地表示的电容值。寄生电容160的电容值将取决于天线110与接地平面130的重叠面积而变化。寄生电容160的电容值还将取决于天线110与接地平面130之间的距离以及天线110与接地平面130之间的电介质而变化。在图1内还示出了集成电路电流(IIC)、天线电流(IANT)、耗费在寄生电容上的电流(ILOST)和天线电压(VANT),以进一步辅助上面讨论的示例性计算。
寄生电容160在图1中被示出为虚线,以指示寄生电容162不是指示器电路100的电路系统的物理部分。解耦器部件140将寄生电容160从天线110解耦,并减小或消除来自接地平面130的与天线110的任何干扰。从接地平面130解耦的指示器电路100内的天线110的天线电压(VANT)可能不受可在天线110与接地平面130之间形成的寄生电容160不利地影响。
参照图2,示出了包括天线210、集成电路(IC)220、接地平面230、系统接地232和连接到电池组270的解耦器部件240的指示器电路200。天线210包括至少一个天线迹线250、第一天线端子252和第二天线端子254。天线210的第一天线端子252和第二天线端子254电耦合到集成电路220。电池组270包括一个电化学电池。电池组270包括正端子272和负端子274。集成电路220电连接到电池组270的正端子272。解耦器部件240包括第一解耦器部件端子242和第二解耦器部件端子244。集成电路220经由系统接地232电耦合到第一解耦器部件端子242。第二解耦器部件端子244电连接到电池组270的负端子274。电池组270的负端子274还充当接地平面230。寄生电容260可以在天线210与负端子274/接地平面230之间形成。寄生电容260可以具有由电容器262示意性地表示的电容值。寄生电容260的电容值将取决于天线210与负端子274/接地平面230的重叠面积而变化。寄生电容260的电容值还将取决于天线210与负端子274/接地平面230之间的距离以及天线210与负端子274/接地平面230之间的电介质而变化。
寄生电容260在图2中被示出为虚线,以指示寄生电容260不是指示器电路200的电路系统的物理部分。解耦器部件240将寄生电容260从天线210解耦,并减小或消除来自负端子274/接地平面230的与天线210的任何干扰。从负端子274/接地平面230解耦的指示器电路200内的天线210的天线电压可能不受可在天线210与负端子274/接地平面230之间形成的寄生电容260不利地影响。
参照图3,示出了包括天线310、集成电路(IC)320、接地平面330、系统接地332和连接到电池组370的解耦器部件340的指示器电路300。天线310包括至少一个天线迹线350、第一天线端子352和第二天线端子354。天线310的第一天线端子352和第二天线端子354电耦合到集成电路320。电池组370包括一个电化学电池。电池组370包括正端子372和负端子374。集成电路320电耦合到电池组370的负端子374。解耦器部件340包括第一解耦器部件端子342和第二解耦器部件端子344。集成电路320经由系统接地332电耦合到第一解耦器部件端子342。第二解耦器部件端子344电连接到电池组370的正端子372。电池组370的正端子372还充当接地平面330。寄生电容360可以在天线310与正端子372/接地平面330之间形成。
寄生电容360可以具有由电容器362示意性地表示的电容值。寄生电容360的电容值将取决于天线310与正端子372/接地平面330的重叠面积而变化。寄生电容360的电容值还将取决于天线310与正端子372/接地平面330之间的距离以及天线310与正端子372/接地平面330之间的电介质而变化。寄生电容360在图3中被示出为虚线,以指示寄生电容360不是指示器电路300的电路系统的物理部分。解耦器部件340将寄生电容360从天线310解耦,并减小或消除来自正端子372/接地平面330的与天线310的任何干扰。从正端子372/接地平面330解耦的指示器电路300内的天线310的天线电压可能不受可在天线310与正端子372/接地平面330之间形成的寄生电容360不利地影响。
参照图4,示出了包括天线410、集成电路(IC)420、接地平面430、系统接地432和连接到电池组470的解耦器部件440的指示器电路400。天线410包括至少一个天线迹线450、第一天线端子452和第二天线端子454。天线410的第一天线端子452和第二天线端子454电耦合到集成电路420。电池组470包括至少两个电化学电池。电池组470包括正端子472和负端子474。IC 420与电池组470的正端子472电耦合。解耦器部件440包括第一解耦器部件端子442和第二解耦器部件端子444。集成电路420经由系统接地432电耦合到第一解耦器部件端子442。第二解耦器部件端子444电连接到电池组470的负端子474。电池组470的负端子474还充当接地平面430。寄生电容460可以在天线410与负端子474/接地平面430之间形成。寄生电容460可以具有由电容器462示意性地表示的电容值。寄生电容460的电容值将取决于天线410与负端子474/接地平面430的重叠面积而变化。寄生电容460的电容值还将取决于天线410与负端子474/接地平面430之间的距离以及天线410与负端子474/接地平面430之间的电介质而变化。
寄生电容460可以具有由电容器462示意性地表示的电容值。寄生电容460的电容值将取决于天线410与负端子474/接地平面430的重叠面积而变化。寄生电容460的电容值还将取决于天线410与负端子474/接地平面430之间的距离以及天线410与负端子474/接地平面430之间的电介质而变化。寄生电容460在图4中被示出为虚线,以指示寄生电容460不是指示器电路400的电路系统的物理部分。解耦器部件440将寄生电容460从天线410解耦,并减小或消除来自负端子474/接地平面430的与天线410的任何干扰。从负端子474/接地平面430解耦的指示器电路400内的天线410的天线电压可能不受可在天线410与负端子474/接地平面430之间形成的寄生电容460不利地影响。
参照图5,示出了包括天线510、集成电路(IC)520、接地平面530、系统接地532和连接到电池组570的解耦器部件540的指示器电路500。天线510包括至少一个天线迹线550、第一天线端子552和第二天线端子554。天线510的第一天线端子552和第二天线端子554电耦合到集成电路520。电池组570包括至少两个电化学电池。电池组570包括正端子572和负端子574。IC 520电耦合到电池组570的负端子574。解耦器部件540包括第一解耦器部件端子542和第二解耦器部件端子544。集成电路520经由系统接地532电耦合到第一解耦器部件端子542。第二解耦器部件端子544电连接到电池组570的正端子572。电池组570的正端子572还充当接地平面530。寄生电容560可以在天线510与正端子572/接地平面530之间形成。
寄生电容560可以具有由电容器562示意性地表示的电容值。寄生电容560的电容值将取决于天线510与正端子572/接地平面530的重叠面积而变化。寄生电容560的电容值还将取决于天线510与正端子572/接地平面530之间的距离以及天线510与正端子572/接地平面530之间的电介质而变化。寄生电容560在图5中被示出为虚线,以指示寄生电容560不是指示器电路500的电路系统的物理部分。解耦器部件540将寄生电容560从天线510解耦,并减小或消除来自正端子572/接地平面530的与天线510的任何干扰。从正端子572/接地平面530解耦的指示器电路500内的天线510的天线电压可能不受可在天线510与正端子572/接地平面530之间形成的寄生电容560不利地影响。
参照图6,示出了包括天线610、集成电路(IC)620、系统接地632和连接到圆柱形电池组670的解耦器部件640的指示器电路600。天线610包括至少一个天线迹线650、第一天线端子652和第二天线端子654。天线610的第一天线端子652和第二天线端子654电耦合到集成电路620。电池组670包括正端子672和负端子674。集成电路620电耦合到电池组670的负端子674。解耦器部件640包括第一解耦器部件端子642和第二解耦器部件端子644。集成电路620经由系统接地632电耦合到第一解耦器部件端子642。第二解耦器部件端子644电连接到电池组670的正端子672。电池组670的正端子672还充当接地平面。寄生电容可以在天线610与电池组670的正端子672之间形成。解耦器部件640将寄生电容从天线610解耦,并减小或消除来自正端子672的与天线610的任何干扰。从正端子672/接地平面解耦的指示器电路600内的天线610的天线电压可能不受可在天线610与正端子672/接地平面之间形成的寄生电容不利地影响。
参照图7,示出了包括天线710、集成电路(IC)720、系统接地732和连接到圆柱形电池组770的解耦器部件740的指示器电路700。天线710包括至少一个天线迹线750、第一天线端子752和第二天线端子754。天线710的第一天线端子752和第二天线端子754电耦合到集成电路720。电池组770包括正端子772和负端子774。集成电路720电耦合到电池组770的正端子772。解耦器部件740包括第一解耦器部件端子742和第二解耦器部件端子744。集成电路720经由系统接地732电耦合到第一解耦器部件端子742。第二解耦器部件端子744电连接到电池组770的负端子774。电池组770的负端子774还充当接地平面。寄生电容可以在天线710与电池组770的负端子774之间形成。解耦器部件740将寄生电容从天线710解耦,并减小或消除来自负端子774的与天线710的任何干扰。从负端子774/接地平面解耦的指示器电路700内的天线710的天线电压可能不受可在天线710与负端子774/接地平面之间形成的寄生电容不利地影响。
参照图8,示出了双对称环形天线800的异相配置。为了非重叠的两个对称环路的清楚起见,图8将双对称环形天线800描绘为平坦的。双对称环形天线800可以被印刷在柔性衬底810上。柔性衬底810可以具有第一边缘820和第二边缘830。双对称环形天线800的每一个对称环路可以包括天线迹线840的一个、两个或更多个匝。天线800可以包括第一天线端子842和第二天线端子844。第一天线端子842和第二天线端子844可以电耦合到集成电路(IC)850。天线800可以被包括在从接地平面解耦的指示器电路内,以供无线通信系统内使用。
参照图9,示出了可卷绕在圆柱体(诸如电池组)周围的柔性910上的双对称环形天线900(如图8中所示)的异相配置。在第一边缘920与第二边缘930之间不存在重叠。IC 950、第一天线端子942和第二天线端子944被示出且如上所述那样工作。在该说明性实施例中,当柔性衬底910卷绕在圆柱形对象周围时,第一边缘920和第二边缘930基本上彼此平行。在另一实施例中,双对称环形天线可以被印刷在形状上为圆柱形的柔性衬底910上。圆柱形的柔性衬底910可以在圆柱体之上滑动。天线900可以被包括在从接地平面解耦的指示器电路(诸如圆柱形电池组)内,以供无线通信系统(诸如电池上远程指示系统)内使用。
参照图10,示出了双对称环形天线1000的同相配置。为了非重叠的两个对称环路的清楚起见,图10将双对称环形天线1000描绘为平坦的。双对称环形天线1000可以被印刷在柔性衬底1010上。柔性衬底1010可以具有第一边缘1020和第二边缘1030。双对称环形天线1000的每一个对称环路可以包括天线迹线1040的一个、两个或更多个匝。天线1000可以包括第一天线端子1042和第二天线端子1044。第一天线端子1042和第二天线端子1044可以电耦合到集成电路(IC)1050。在同相配置1000中,天线迹线1040与IC 1050的连接是与图8和9的异相连接中所示出的连接反向的。天线1000可以被包括在从接地平面解耦的指示器电路内,以供无线通信系统内使用。
参照图11,示出了可卷绕在圆柱体(诸如电池组)周围的柔性1110上的双对称环形天线1100(如图10中所示)的同相配置。在第一边缘1120与第二边缘1130之间不存在重叠。IC 1150、第一天线端子1142和第二天线端子1144被示出且如上所述那样工作。在该说明性实施例中,当柔性衬底1110卷绕在圆柱形对象周围时,第一边缘1120和第二边缘1130基本上彼此平行。在另一实施例中,双对称环形天线1100可以被印刷在形状上为圆柱形的柔性衬底1110上。圆柱形的柔性衬底1110可以在圆柱体之上滑动。天线1100可以被包括在从接地平面解耦的指示器电路(诸如圆柱形电池组)内,以供无线通信系统(诸如电池上远程指示系统)内使用。
在异相配置(图8和9)中和在同相配置(图10和11)中示出了双对称环形天线。当双对称环形天线耦合到圆柱体(诸如圆柱形电池组)时,双对称环形天线的两个环路以约180度与彼此分开(圆柱体的相对侧),这可以允许双对称环形天线与读取器之间的更好信号通信。异相配置提供了圆柱体的圆柱形末端(顶和底)处的提高的信号保真度,在这些圆柱形末端处,天线迹线的沿圆柱体顶段和底段的圆形段彼此同相,并且天线迹线的长轴段抵消。术语“同相”可以包括下述情形:其中,波形是同步的;或者其中,两个或更多个波形的频率是相同的并且它们的正峰值和负峰值同时出现。术语“抵消”可以包括下述情形:其中,两个或更多个波形异相约180度且具有相同频率和幅度。
在一些实施例中,柔性衬底可以是多层印刷电路板(PCB)。第一端子可以经由多层PCB上与天线迹线不同的层电耦合到芯片位置上的IC。这可以允许如图9和11中所示的迹线重叠而不将迹线电耦合在一起。此外,如图6和7中所示的到电池组的正端子和负端子的引线也可以处于多层PCB的单独层上,以促进引线与天线迹线的交叉。
实验测试
具有指示器电路的示例性AA电池组被组装。该电池组是具有金属外壳的镍金属氢化物可再充电电池组。该电池组包括正端子和负端子。薄铁氧体材料的层覆盖电池组的金属外壳的圆柱轴的表面。柔性天线紧密地卷绕在铁氧体覆盖的金属外壳的圆柱轴周围。具有板上模数转换器(ADC)的无源ISO15693 RFID使能硅芯片电连接到天线。用于将天线的谐振频率与RFID读取器的谐振频率(13.56MHz)严密地匹配的调谐电容器电连接到集成电路。由680kΩ电阻器和360kΩ电阻器构成的分压器连接在电池组的正端子与系统接地之间。分压器的输出连接到IC的ADC输入。
电池组A包括指示器电路,其中ADC输入通过分压器连接到电池组的正端子。电池组A的指示器电路的IC的系统接地不连接到接地平面或与接地平面接近。电池组B包括指示器电路,其中ADC输入通过分压器连接到电池组的正端子。电池组B的指示器电路的IC的系统接地通过作为20kΩ电阻器的解耦器部件连接到电池组的金属外壳。电池组C包括指示器电路,其中ADC输入通过分压器连接到电池组的正端子。电池组C的指示器电路的IC的系统接地直接连接到电池组的金属外壳。
示例性电池组内的每一个指示器电路的读取范围由读取范围测试来评估。读取范围测试包括:经由智能电话来与RFID使能集成电路通信,该RFID使能集成电路附接到与电池组电通信的指示器电路内的天线。通过将智能电话和电池组的长轴、中心点和相对旋转进行对准来找到最大读取范围。在智能电话上使用NFC使能应用的情况下记录针对每一个配置的最大读取范围。通过测量在智能电话与指示器电路之间建立成功通信的最远距离来确定最大读取范围。为了测量最大读取范围,通过使用低电容率的非金属间隔部来使指示器电路和电话分离所设置的距离。智能电话试图发起与指示器电路的通信。成功通信被视为在电话能够接收到并理解指示器电路的包含其唯一标识号码(UID)和电压读取的响应的情况下已经发生。电话与天线之间的距离连续增加,直到通信不再被建立为止。所测量出的距离是电话的背面和天线的与电话最近的表面之间的距离。读取范围测试是在室温处在实验室中被执行的。
电池组A的最大读取范围被确定为28.0mm。电池组C的最大读取范围被确定为9mm或者电池组A的最大读取范围的约32%。电池组B的最大读取范围被确定为27.7mm或者电池组A的最大读取范围的约99%。电池组B(其包括一指示器电路,该指示器电路包括本发明的解耦器部件)的读取范围具有近似等于电池组A的读取范围,并且在有电池组的金属外壳(接地平面)的情况下未展现出读取范围的显著减小。
本文中公开的尺寸和值不应被理解为严格限于所记载的精确数值。代替地,除非另有指定,每一个这样的尺寸意图意味着所记载的值和围绕该值的功能上等效的范围这两者。例如,被公开为“40mm”的尺寸意图意味着“约40mm”。
本文中记载的每个文档(包括任何交叉引用或相关专利或申请和本申请要求享有其优先权或权益的任何专利申请或专利)由此以其全部内容通过引用并入本文,除非被明确排除或另有限制。任何文档的引用都不是对下述内容的承认:其为关于本文中公开或要求保护的任何发明的现有技术;或者,其单独或以与一个或多个任何其它参考文献的任何组合的方式教导、暗示或公开任何这样的发明。此外,在本文档中的术语的任何含义或定义与通过引用而并入的文档中的相同术语的任何含义或定义冲突的程度上,本文档中指派给该术语的含义或定义应当起支配作用。
尽管已经说明和描述了本发明的特定实施例,但是对本领域技术人员来说将显而易见的是,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,可以作出各种其它改变和修改。因此,意图是,在所附权利要求中覆盖处于本发明范围内的所有这样的改变和修改。
Claims (7)
1.一种电池上远程指示系统,包括:
电池组(270,470),所述电池组(270,470)包括正端子(272,472)和负端子(274,474),其中所述电池组是AAA电池组、AA电池组、C电池组、D电池组或9V电池组;
天线(210,410),所述天线包括至少一个天线迹线(250,450)、第一天线端子(252,452)以及第二天线端子(254,454);
解耦器部件(240,440),所述解耦器部件(240,440)包括第一解耦器部件端子(242,442)和第二解耦器部件端子(244,444);以及
集成电路(220,420);
模数转换器;和
通信电路,其中所述集成电路被配置成感测所述电池组(270,470)的状况并将所述状况以信号的方式传送给读取器;
其中所述集成电路(220,420)电耦合到所述第一天线端子(252,452)和所述第二天线端子(254,454);所述集成电路(220,420)电耦合到所述电池组(270,470)的所述正端子(272,472);所述集成电路(220,420)电耦合到所述第一解耦器部件端子(242,442);以及所述第二解耦器部件端子(244,444)电连接到所述电池组(270,470)的所述负端子(274,474)。
2.如权利要求1所述的电池上远程指示系统,其中所述解耦器部件(240,440)选自由电阻器、电感器及其任何组合构成的组。
3.如权利要求1所述的电池上远程指示系统,其中所述电池组(270,470)的所述状况选自由下述各项构成的组:过放电保护、过充电保护、剩余容量确定、电压确定、循环寿命确定、以及功率管理。
4.如权利要求1所述的电池上远程指示系统,其中所述集成电路(220,420)进一步包括射频识别芯片或近场通信芯片。
5.如权利要求1所述的电池上远程指示系统,其中所述天线(210,410)是以同相配置的双对称环形天线(1000,1100)。
6.如权利要求1所述的电池上远程指示系统,其中所述天线(210,410)是以异相配置的双对称环形天线(800,900)。
7.如前述权利要求中任一项所述的电池上远程指示系统,所述电池组(270,470)包括金属外壳。
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