CN107251353A - 用于nfc设备的过电压保护 - Google Patents

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CN107251353A CN201580050475.4A CN201580050475A CN107251353A CN 107251353 A CN107251353 A CN 107251353A CN 201580050475 A CN201580050475 A CN 201580050475A CN 107251353 A CN107251353 A CN 107251353A
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Abstract

本申请涉及具有用于接收NFC信号的天线的近场通信(NFC)装置。NFC设备包括用于针对如果装置进入强磁场可以在天线的输出端处出现的潜在地破坏性电压保护NFC设备的发射/接收系统和其他系统。保护系统包括电流控制装置，可操作用于取决于天线输出端处信号的极性而发源或收集电流，以产生至少部分地求反了天线的输出端处正或负电压的电压，由此减小了在所述天线输出端处峰值电压。

Description

用于NFC设备的过电压保护
技术领域
本发明涉及近场通信(NFC)设备的技术领域，并且更特别地涉及保护NFC设备中部件和系统免受破坏电压。
背景技术
近场通信(NFC)系统用于在通常称作NFC读取器的NFC发射器装置与通常称作标签的通电或未通电NFC接收器装置之间短距离通信。NFC读取器产生与NFC标签中天线耦合的短距离磁场，并且可以通过调制该磁场在NFC读取器和NFC标签之间发射数据。为此，NFC标签除了天线之外通常包括发射/接收电路。
当NFC接收器装置诸如标签进入磁场时，在标签的天线的输出端处产生电压。电压的幅度取决于许多因素，包括磁场的强度、磁场源与标签之间的距离、标签中天线的类型、以及存在于标签中的任何天线接口电路。
标签中的发射/接收电路仅可以在破坏发生之前容忍在其输入端口处有限的正或负电压。在NFC标签的正常工作中(例如当标签用于从NFC读取器接收信号并对其做出响应时，这可以不是特别有问题，但是当标签进入强磁场时，诸如可以发生在无线充电器系统附近，存在由作为强磁场的结果而可以在标签天线的输出端处发展出的高的正或负电压破坏标签的发射/接收电路的风险。
因此，存在对于保护在NFC设备诸如NFC标签中发射/接收和其他电路以避免当NFC设备进入或者存在于强磁场中时可以发展出的潜在的破坏性电压的机制的需求。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种近场通信(NFC)装置，包括：天线；通信电路；以及耦合至天线的保护电路，保护电路用于针对由天线所输出的破坏性电压的影响保护通信电路，其中保护电路包括：第一电流控制装置和第二电流控制装置；以及用于输出用于控制第一电流控制装置和第二电流控制装置的控制信号的控制器，保护电路可操作用于根据存在于天线输出端处电压的极性而流出(source)或流入(sink)电流以便于产生减小存在于天线输出端处峰值电压的电压。
第一方面的NFC设备包括可操作用于针对潜在地破坏性高峰值正或负电压保护通信电路的保护系统，这是因为第一电流控制装置和第二电流控制装置取决于在天线输出端处信号的极性而流出或流入电流以产生减小了在天线输出端处存在的峰值电压的正或负电压，由此减小通信电路所经受的峰值电压。
控制器可以包括伺服回路。
伺服回路可以可操作用于将在天线输出端处峰值电压与所需的峰值输出电压比较以产生用于控制第一电流控制装置和第二电流控制装置以便于实现所需峰值输出电压的控制信号。
备选地，控制器可以包括连接至第一电流控制装置和第二电流控制装置中的每一个的控制输入的多个二极管。
控制器可以进一步包括可操作用于控制流过多个二极管的电流的开关器件。
当NFC设备通电时可以反向偏置多个二极管。
第一电流控制装置和第二电流控制装置可以包括晶体管。
晶体管可以例如是N沟道MOSFET。
N沟道MOSFET的栅极端子可以相互耦合并且耦合至控制器的输出端。
N沟道MOSFET的源极端子可以相互耦合。
第一N沟道MOSFET的漏极端子可以耦合至天线的一个端子，以及第二N沟道MOSFET的漏极端子可以耦合至天线的另一端子。
根据本发明的第二方面提供了一种近场通信(NFC)装置，包括：天线；通信电路；以及耦合至天线的负载调制电路，其中负载调制电路包括：第一电流控制装置和第二电流控制装置；以及用于输出用于控制第一电流控制装置和第二电流控制装置的控制信号的控制器，负载调制电路可操作用于根据由控制器输出的控制信号以调节在去往天线的输入端处信号的幅度。
第一电流控制装置和第二电流控制装置可以包括晶体管。
晶体管可以例如是N沟道MOSFET。
N沟道MOSFET的栅极端子可以相互耦合并且耦合至控制器的输出端。
N沟道MOSFET的源极端子可以相互耦合。
第一N沟道MOSFET的漏极端子可以耦合至天线的一个端子，以及第二N沟道MOSFET的漏极端子可以耦合至天线的另一端子。
附图说明
现在将严格地仅借由示例的方式参照附图描述本发明的实施例，其中：
图1是近场通信(NFC)系统的示意图；
图2是用于诸如NFC标签之类的NFC设备的保护系统的等效电路的示意图；
图3a－图3d是用于示出图2的保护系统的工作的示意图；
图4是用于诸如NFC标签之类的NFC设备的另一保护系统的等效电路的示意图；以及
图5是用于诸如NFC标签之类的NFC设备的另一保护系统的等效电路的示意图。
具体实施方式
首先参照图1，近场通信(NFC)系统通常示出在10，并且包括磁场产生装置20和NFC接收器装置30。
磁场产生装置20可以例如是NFC读取器或无线充电器，并且包括连接至形式为导电材料(诸如导线等)的线圈的天线22的磁场发生器24。
NFC接收器装置30可以例如是NFC标签。NFC读取器装置30包括天线32，同样形式为导体诸如导线等的线圈。天线32连接至天线接口34，其将天线32耦合至发射/接收系统36。
天线接口34也连接至保护系统50，其与发射/接收系统36并联连接，并且可操作用于当NFC接收器装置30存在于强磁场内时通过减小在天线接口34输出端处出现的峰值电压，保护发射/接收系统36(以及可以包括在NFC接收器装置30内的其他电路)免受可以由天线所产生的潜在破坏性电压的影响，如以下所述。
图2是示出了代表保护系统50的等效电路的示意图。在图2的示图中，信号发生器52表示天线接口34的输出端，而同时电阻54，56表示天线52的阻抗。
保护系统50包括第一电流控制装置和第二电流控制装置。在图2中所示的示例中，电流控制装置采取第一N沟道MOSFET晶体管58和第二N沟道MOSFET晶体管60的形式，但是应该知晓的是也可以使用任何其他合适类型的电流控制装置，诸如双极结型晶体管器件。第一N沟道MOSFET晶体管58和第二N沟道MOSFET晶体管60是等同的器件，这有助于当实施在集成电路中时最小化由保护系统50所占据的芯片面积。
第一晶体管58的栅极端子连接至第二晶体管60的栅极端子，并且第一晶体管58和第二晶体管60的栅极端子连接至共同的控制输入端62。在一个实施例中，由伺服回路66向共同控制输入端62提供控制信号。在其他实施例中(以下详细描述)由备选的专用控制系统提供控制信号。
第一晶体管58的源极端子连接至第二晶体管60的源极端子，以及第一晶体管58和第二晶体管60的源极端子均连接至接地64。
第一晶体管58的漏极端子连接至天线接口34的正输出端子68(在图2的等效电路图中由信号发生器52代表)，而第二晶体管60的漏极端子连接至天线接口34的负输出端子70。
现在将参照图3a至图3d描述保护系统50的工作。
如上所示，由具有连接至共同控制输入端62的输出端的伺服回路66提供控制信号。伺服回路66可以是模拟的或可以是混合信号(也即模拟和数字电路的组合)，并且被配置用于感测在天线接口34的输出端子68、70处的峰值电压(正或负)，以及将感测到的峰值电压与期望水平比较，在期望水平处峰值电压将不会破坏发射/接收电路36。基于该比较，伺服回路66输出控制信号至控制输入端62以在将实现天线接口34的所需峰值输出电压的水平处偏置晶体管58、60。
当天线接口34的输出在正输出端子68处是正的时，存在图3a中所示的情形。在该情形中，第一晶体管58导通并且电流从天线接口34的输出端(在图3a的等效电路中由信号发生器52表示)通过第一晶体管58至接地64，如由虚箭头所示。因此，第一晶体管58在该情形下用作电流吸收器(current sink)。该电流流过电阻54的效果是跨越天线32产生负电压，这作为磁场的结果部分地求反跨越天线32出现的峰值正电压，并且因此减小了在天线接口34的输出端处峰值正电压，由此减小了破坏发射/接收系统36内过电压状况的风险。
当在负输出端子70处天线接口34的输出为负时，存在图3b中所示的情形。在该情形中，第二晶体管60导通并且电流从地64通过第二晶体管60流至天线接口34的输出端(在图3b的等效电路中由信号发生器52表示)，如虚箭头所示。因此，第二晶体管60在该情形中用作电流源。该电流流过天线阻抗56的效果是跨越天线32出现正电压，其作为磁场的结果而部分地求反了跨越天线32出现的峰值负电压，并且因此减小了在天线接口34的输出端处的峰值负电压，由此降低了破坏在发射/接收系统36处破坏性过电压状况的风险。
当在正输出端子68处天线接口34的输出为负时，存在图3c中所示的情形。在该情形中，第一晶体管58导通并且电流从地64通过第一晶体管58流动至天线接口34的输出端(在图3c的等效电路中由信号发生器52表示)，沿虚箭头方向。因此，第一晶体管58在该情形中用作电流源。电流穿过阻抗54的效果是作为磁场的结果跨越天线32出现峰值负电压，由此降低了破坏在发射/接收系统36处破坏性过电压状况的风险。
当在负输出端子70处天线接口34的输出为正时，存在图3d中所示的情形。在该情形中，第二晶体管60导通并且电流从天线接口34的输出端(在图3d的等效电路中由信号发生器52表示)通过第二晶体管60流动至接地64，如由虚箭头所示。因此，第二晶体管60在该情形中用作电流收集器。该电流穿过天线阻抗56的效果在于负电压跨越天线32而产生，其部分地求反了作为磁场结果跨越天线32出现的峰值正电压，并且因此减小了在天线接口34的输出端处峰值正电压，由此减小了在发射/接收系统36处损坏过电压保护的风险。
如应该知晓的，保护系统50保护发射/接收系统34通过减小在天线接口34的输出端处峰值正和负电压而免受潜在的破坏性正和负过压状况的影响。
应该知晓，如上所述并且示出在图2以及图3a－图3d中的保护系统依赖于由连接至共同控制输入端62的伺服回路66所提供的控制信号，并且因此为了使得保护系统工作，NFC接收器装置30必须通电，以允许伺服回路66产生控制信号。然而，可能的是当NFC接收器电路未供电时其将进入强磁场，并且因此发射/接收系统36当保护电路50未工作时可以经受潜在地破坏性峰值电压。
图4是示出了当NFC接收器装置30未通电时可以工作的备选保护系统的等效电路的示意图。图3和图4中所示的系统具有一些共同元件，并且因此图3和图4中相同的参考数字涉及相同的元件。
图4中所示的保护系统80是基于图2中所示，并且因此包括第一电流控制装置和第二电流控制装置。如前所述，在图4中所示的示例中，电流控制装置采取第一N沟道MOSFET晶体管58和第二N沟道MOSFET晶体管60的形式，但是应该知晓的是也可以使用任何其他合适类型的电流控制装置，诸如双极结型器件。同样，第一N沟道MOSFET晶体管58和第二N沟道MOSFET晶体管60是等同的器件。
第一晶体管58的栅极端子连接至第二晶体管60的栅极端子，并且第一晶体管58和第二晶体管60的栅极端子连接至共同的控制输入端62。
第一晶体管58的源极端子连接至第二晶体管60的源极端子，以及第一晶体管58和第二晶体管60的源极端子均连接至接地64。
第一晶体管58的漏极端子连接至天线接口34的正输出端子68(在图4的等效电路中由信号发生器52表示)，而第二晶体管60的漏极端子连接至天线接口34的负输出端子70。
图4中所示系统80不同于图2的系统50之处在于，系统50的伺服回路66在图4的系统80中由专用控制电路82替代。
控制电路82由在第一晶体管58的漏极端子和共同控制输入端62之间串联连接的第一组二极管84、86、88(串联中第一二极管的阳极连接至第一晶体管58的漏极端子，并且串联中最后二极管的阴极连接至共同控制输入端)，以及在第二晶体管的漏极端子和共同控制输入端62之间串联连接的第二组二极管90、92、94(同样串联中第一二极管的阳极连接至第二晶体管60的漏极端子，并且串联中最后二极管的阴极连接至共同控制输入端)构成。尽管图4中所示的系统80中第一组二极管包括三个二极管84、86、88，应该知晓的是可以使用任意数目的二极管。额外地，可以与二极管串联添加电阻器或电容器以保护它们免受高电流水平影响。类似地，尽管第二组二极管在图4中示出未包含三个二极管，应该知晓的是可以使用任意数目二极管，如果需要的话具有额外的串联电阻器或电容器以保护二极管免受高电流影响。为了设计和实施方式的简便，如果第一和第二组中所有二极管84、86、88、90、92、94在它们的规格、工作参数等方面均是等同的，这是有利的。
在图4的系统的工作中，第一组和第二组二极管中的一个将被正向偏置，取决于由天线接口34(在图4的等效电路中由信号发生器52表示)所输出信号的极性，因此向第一晶体管58和第二晶体管60中的每一个的栅极端子提供正电压以准许电流由保护系统80流入或流出以减小在天线接口34的输出端处的峰值电压，由此保护发射/接收系统36免受潜在的过电压状况。
例如，如果在天线接口34的正输出端68处电压是正的，则第一组二极管84、86、88将正向偏置，由此向第一晶体管58和第二晶体管60的栅极提供正电压，并且准许保护系统80流入电流以减小由天线接口34所输出的峰值电压。
类似地，如果在天线接口34的负输出端70处电压是正的，第二组二极管90、92、94将正向偏置，由此向第一晶体管58和第二晶体管60的栅极提供正电压，并且准许保护系统80流入电流以减小由天线接口34输出的峰值电压。
控制电路82可以结合伺服回路66使用以当NFC接收器装置30通电时和当NFC接收器装置30未通电时均未发射/接收系统36提供过电压保护。在该情形中，当NFC接收器通电时发射/接收系统36将向共同控制输入端62提供控制信号，而当NFC接收器装置30未通电时控制电路向共同控制输入端提供控制信号。
在图4中所示的工作模式中，系统80并未从电池吸取任何电流，但是替代地依赖于使用二极管从磁场收集的电力。在共同控制输入端62处添加大数值电容器准许收集并存储能量以由其中使用系统80的装置的其他部件所使用。
在正常工作中(也即当NFC接收器装置30通电并且由发射/接收系统36施加控制信号时)，第一和第二组二极管84、86、88、90、92、94应该反向偏置，以防止由伺服回路66所输出的控制信号发射至天线接口34。为了确保是这样的情形，应该在正常工作中观测到以下关系：
Vpeak_desired-Vg_desired<n*VdiodeON,
其中Vpeak_desired是在天线接口34的输出端处期望的正峰值电压，Vg_desired是产生Vpeak_desired的栅极电压，VdiodeON是二极管84、86、88、90、92、94的导通电压，以及n是在第一或第二组二极管中串联连接的二极管的数目。
如果对于任何原因无法观测到以上相互关系，可以对保护系统80做出修改，如现在将参照图5描述。
图5是示出了当NFC接收器装置30通电时并且其通电时可以工作以提供过电压保护的另一备选保护系统的等价电路的示意图。同样，图3、图4和图5中所示的系统具有一些共同元件，并且因此图3、图4、图5中相同的参考数字涉及相同的元件。
图5中所示的保护系统100类似于图4，并且因此为了简短，将不再描述对于图5的保护系统100和图4的保护系统80是共同的元件。
图5的保护系统100不同于图4的保护系统80之处在于，其包括第一开关器件102和第二开关器件104。在图5中所示的示例中，第一开关器件102和第二开关器件104是P沟道MOSFET晶体管器件，但是应该知晓的是可以等同地采用其他类型开关器件。
第一开关器件102的源极端子连接至第一组中最后二极管88的阴极，而第一开关器件102的漏极端子连接至共同控制输入端62。第一开关器件102的栅极端子从外源接收控制输入，以控制第一开光器件102的工作。
类似地，第二开关器件104的源极端子连接至第二组中最后二极管94的阴极，而第二开关器件104的漏极端子连接至共同控制输入端62。第二开关器件104的栅极端子从外部来源接收控制输入，以控制第二开关器件104的工作。
当NFC接收器装置30通电时，使能伺服回路66，并且第一开关器件102和第二开关器件104的栅极端子接收正控制输入，因此关断第一和第二开关装置102、104，由此为伺服回路66禁用了控制电路82。因此，当发射/接收系统36通电时，以参照图2中所示保护系统50而以如上所述方式保护发射/接收系统36免受潜在地损害性过电压状况。
当NFC接收器装置30未通电时，伺服回路66被禁用(由于缺乏至NFC接收器装置30的电力)，以及第一开关器件102和第二开关器件104的栅极端子在0伏下接收控制输入(同样由于缺乏至NFC接收器装置30的电力)，因此导通第一开关器件102和第二开关器件104以使能控制电路82。因此，当NFC接收器装置30未通电时，参照图4中所示保护系统80以如上所述方式保护发射/接收系统36免受潜在地破坏性过电压状况。
为了高效地限制在天线接口34输出端处潜在地破坏性的电压，第一晶体管58和第二晶体管60必须能够收集或发源高电流，这可以高达1安培或甚至更高。为了实现这点，第一晶体管58和第二晶体管60必须每个是非常大的。对于第一晶体管58和第二晶体管60使用相同晶体管类型帮助最小化实施第一晶体管58和第二晶体管60所需的面积。额外地，相同的电流均流过第一晶体管58和第二晶体管60，并且该电流没有DC分量。这辅助最小化在集成电路中实施保护系统50所需的面积，当因为存在很少电迁移的风险时可以最小化金属互连的面积。
在此所述保护系统的感兴趣特征在于，当NFC接收器装置30处于发射模式中时，可以使用保护系统50而并未修改有效载荷调制。
当用于发射模式时，天线32用于发射信号，而不是如接收模式中接收信号。通过调节经由共同控制输入端62施加至第一晶体管58和第二晶体管60的栅极端子的信号幅度，调制了在天线接口34的输出端子68、70处信号幅度(当NFC接收器装置30在发射模式时，其用作输入端子以用于待发射的信号)。可以由NFC读取器感测并解码该已调制负载。因此在该情形中与控制器结合使用的第一晶体管58和第二晶体管60可操作用于调节经由共同控制输入端62向第一晶体管58和第二晶体管60的栅极端子施加的控制信号幅度，以用于负载调制系统。

Claims (17)

1.一种近场通信(NFC)设备，包括：
天线；
通信电路；以及
保护电路，耦合至所述天线，所述保护电路用于针对所述天线输出的破坏性电压保护所述通信电路，其中所述保护电路包括：
第一电流控制装置和第二电流控制装置；以及
控制器，用于输出用于控制所述第一电流控制装置和所述第二电流控制装置的控制信号，所述保护电路操作性地用于根据存在于所述天线输出端处的电压的极性而流出或流入电流，以便于产生减小在所述天线的输出端处存在的峰值电压的电压。
2.根据权利要求1所述的NFC设备，其中，所述控制器包括伺服回路。
3.根据权利要求2所述的NFC设备，其中，所述伺服回路操作性地用于将在所述天线的输出端处的峰值电压与期望的峰值输出电压比较，并且产生用于控制所述第一电流控制装置和所述第二电流控制装置的控制信号，以便于实现所述期望的峰值输出电压。
4.根据权利要求1所述的NFC设备，其中，所述控制器包括连接至所述第一电流控制装置和所述第二电流控制装置中的每一个电流控制装置的控制输入端的多个二极管。
5.根据权利要求4所述的NFC设备，其中，所述控制器还包括操作性地为控制流经所述多个二极管的电流的开关装置。
6.根据权利要求4所述的NFC设备，其中，当所述NFC设备通电时所述多个二极管被反向偏置。
7.根据权利要求1所述的NFC设备，其中，所述第一电流控制装置和所述第二电流控制装置包括晶体管。
8.根据权利要求7所述的NFC设备，其中，所述晶体管是N沟道MOSFET。
9.根据权利要求8所述的NFC设备，其中，所述N沟道MOSFET的栅极端子相互耦合并且耦合至所述控制器的输出端。
10.根据权利要求8所述的NFC设备，其中，所述N沟道MOSFET的源极端子相互耦合。
11.根据权利要求8所述的NFC设备，其中，所述第一N沟道MOSFET的漏极端子耦合至所述天线的一个端子，以及所述第二N沟道MOSFET的漏极端子耦合至所述天线的另一端子。
12.一种近场通信(NFC)设备，包括：
天线；
通信电路；以及
负载调制电路，耦合至所述天线，其中所述负载调制电路包括：
第一电流控制装置和第二电流控制装置；以及
控制器，用于输出用于控制所述第一电流控制装置和所述第二电流控制装置的控制信号，所述负载调制电路操作性地用于根据由所述控制器所输出的所述控制信号而调节在所述天线的输入端处的信号的幅度。
13.根据权利要求12所述的NFC设备，其中，所述第一电流控制装置和所述第二电流控制装置包括晶体管。
14.根据权利要求13所述的NFC设备，其中，所述晶体管是N沟道MOSFET。
15.根据权利要求14所述的NFC设备，其中，所述N沟道MOSFET的栅极端子相互耦合并且耦合至所述控制器的输出端。
16.根据权利要求14所述的NFC设备，其中，所述N沟道MOSFET的源极端子相互耦合。
17.根据权利要求13所述的NFC设备，其中，第一N沟道MOSFET的漏极端子耦合至所述天线的一个端子，以及第二N沟道MOSFET的漏极端子耦合至所述天线的另一端子。
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