CN110110562B - 用于电磁应答器的电压和功率限制器 - Google Patents

用于电磁应答器的电压和功率限制器 Download PDF

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Abstract

本公开涉及用于电磁应答器的电压和功率限制器。提供一种电磁应答器，其包括：谐振电路；具有跨谐振电路连接的输入端子并且具有提供电子电路供电电压的整流输出端子的整流桥；以及用于限制跨谐振电路的电压的器件，所述器件连接在整流桥的输入端子之间。

Description

用于电磁应答器的电压和功率限制器
本申请为申请日为2015年4月27日、申请号为201510205440.5、题为“用于电磁应答器的电压和功率限制器”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求提交于2014年7月2日的法国专利申请No.14/56333的优先权，在法律所允许的最大程度上将其整体内容作为参考在此并入。
技术领域
本公开大体上涉及电子电路，并且具体地，涉及电磁应答器(transponder)或电子标签(TAG)。
背景技术
具有电磁应答器的通信系统越来越普及，特别是随着近场通信(NFC)技术的发展。
这种系统利用由终端的射频场生成的功率与电磁应答器进行通信并且通常情况下对电磁应答器进行供电。
为了保护应答器的电子电路免于遭受其天线从终端将接收到的过电压或是过高功率，通常提供电压限制电路。
发明内容
一个实施例改进了已知的电磁应答器中功率或电压限制技术的部分或全部的缺陷。
一个实施例提供了避免使用高电压整流桥的解决方案。
一个实施例提供了无需对应答器侧的数据解译电路进行修改的解决方案。
一个实施例提供了保留射频信号的调制的解决方案。
由此，一个实施例提供了一种电磁应答器，包括：
谐振电路；
整流桥，具有跨谐振电路连接的输入端子并且具有提供用以对电子电路进行供电的电压的整流输出端子；以及
用于限制跨谐振电路的电压的器件，连接在整流桥的输入端子之间。
根据一个实施例，该限制器件包括对跨谐振电路的信号的峰值电压进行检测并且相对于阈值进行比较的电路，所述电路控制连接在整流桥的输入端子之间的可调整阻抗的元件。
根据一个实施例，在峰值电压检测电路和阻抗之间插入滤波电路。
根据一个实施例，滤波器在所检测到的电压下降时具有的时间常数比当所检测到的电压上升时的时间常数至少大10倍。
根据一个实施例，所述应答器还包括增加可调整阻抗的控制电压的电荷泵电路。
根据一个实施例，所述阈值在第一值和较大的第二值之间可调整，当应答器电路处于逆向调制模式时使用所述第二值。
以下结合附图在就特定实施例的非限定性描述中对上述以及其他特征和优势进行讨论。
附图说明
图1为采用框图形式的示例性电磁应答器系统的简化表示，该电磁应答器系统的类型为在其上可以应用将要描述的实施例；
图2为局部图示了装备有电压限制元件的常规电磁应答器的示例的框图；
图3以框图的形式概略地示出了装备有用于限制接收到的功率的电路的电磁应答器的实施例；
图4为示出了图3的限制电路的实施例的框图；
图5为示出了图3的限制电路的另一实施例的框图；
图6为示出了图3的限制电路的又一实施例的框图。
具体实施方式
在各个附图中用相同的参考标号来指代相同的元件。
为了清楚起见，仅示出了对于理解将要描述的实施例有用的步骤和元件并且对其进行详细的描述。特别地，没有详细描述射频信号的生成以及在终端侧和应答器侧对其所进行的解译，所描述的实施例与这些信号的生成和解译的常规技术相兼容。在之后的描述中，当提及术语“将近”、“大约”、“数量级为”时，这意味着在10％之内，并且优选地在5％之内。
图1为采用框图形式的非接触式近场通信系统(NFC)的示例的简化视图。读取器1(READER)包括用于生成通过天线12传输的射频信号的各种电子电路。由终端或读取器1生成的射频场被例如定位在范围内的电子标签2(TAG)之类的一个或多个电磁应答器检测到。标签2本身包括天线22。标签2通常从由终端1生成的射频场提取其所包含的电路的操作所需要的功率。
针对从终端1到应答器2的方向上的通信，终端1对远程供应载波(典型地为13.56MHz)进行调制，通常为调幅。在从应答器2到终端1的方向上，通过对应答器在终端的振荡电路上所形成的负载进行修改(逆向调制)，例如幅度调制或是相位调制，从而完成通信。
根据终端1和应答器2之间的距离，应答器2所接收到的场功率发生很大的变化。这将会产生跨应答器2的天线生成的电压的显著变化。该电压能够达到数十伏特，可能会超过应答器2的电子电路所能够承受的电压，后者仅有几伏特。
图2为传统电子标签2’的示例的简化电子框图。这种标签2’包括通常平行的谐振电路20，其由感应线圈形成的天线22和相平行的电容元件21形成。该谐振电路感测终端的射频场，所述终端将所述谐振电路包括在其范围内。跨谐振电路恢复的电压Vrf由整流桥23(通常为全波二极管桥)进行整流。桥23的整流后的输出传送由电容元件24进行滤波的电压Vdd。电压Vdd(可能通过未示出的电压调节器)形成应答器2的一个或多个电子电路25(PU)的供电电压，在这些电子电路中通常有一个用于处理从终端接收到的信号并且生成逆向调制信号的单元。
为了避免电压Vdd达到对电路25造成损害的值，通常提供用于限制电压Vdd的电路26(CLP)。这样，当应答器和终端之间的耦合状况导致了跨天线产生的过高电压Vrf时，电路26对电压Vdd进行钳位从而将其限制到一个可接受的值。
通常的电压限制电路例如由检测电压Vdd值的电路所控制的MOS晶体管或齐纳二极管形成。
例如参照图2所描述的解决方案要求形成整流桥23的元件，并且更常见地，要求所有相对于其而言在天线侧的元件能够承受对于天线而言的可能的过电压。特别地，二极管或是执行该功能的相等同的元件将需要承受这种过电压，而该过电压可能达到数十伏特。
在射频信号调制的效应下会产生另一个问题。的确是进行了幅度调制，然而如果其高态被钳制而其低态却跌落回限制元件阈值之下且未对其进行钳位，这就会产生电路25所能够检测到的调制幅度的降低。由此，在应答器侧的装配有幅度解调器的电路25的高态和低态的阈值通常不得不制造得彼此更为接近，这使得电路对于噪音较为敏感。
图3为装配有功率限制电路的应答器2的实施例的简化电气框图。
其示出例如由感应线圈或天线22以及电容元件21相并行形成的谐振电路20，连接到整流桥23的输入端子33和34。桥23的整流后的输出31和32连接到处理单元25的供电端子，电容器24对桥23的输出电压Vdd进行滤波。
根据该实施例，在整流桥23的上游处在端子33和34之间连接功率限制电路4(CLAMP)。
在桥的上游(在天线侧)对电压进行限制的事实具有很多优势，其中：
保护天线22免受过高功率；
在显著场存在时限制形成整流桥的电路的加热；以及
减少了意欲承受高电压的元件的数量，并且由此降低了集成电路所占据的表面积。
有尝试设计为直接跨天线放置一个保护二极管(例如，齐纳二极管)。然而，这种二极管将会钳制住信号并且将仍然具有削减调制的缺陷。更进一步，这种二极管由于其所要承受的电压而尺寸过大。
发明人提出了形成形式为天线上的阻抗的限制电路4，该阻抗的值由跨其的峰值电压控制。换句话说，提供了具有恒定的跨天线的阻抗的电路4，与保护是否激活的事实无关。相应地，保护电路4的激活包括降低其跨天线22的电阻以限制最大电压并且由此限制最大吸收功率。
图4为用于限制在整流桥(附图3的23)上游的射频电压Vrf的电路4的一个实施例的框图。
器件4包括用于检测峰值电压Vrf的电路42(Vrf(cc))，其具有直接连接到端子33和34的两个输入端子。电路4还包括用于对电路42的输出进行滤波的放大器44(FILT)。滤波器44应当具有对高于阈值的峰-峰电压的增加具有快响应(低时间常数)并且对于该电压的下降具有较慢的响应(较高时间常数)的特性，从而对场控制的调制进行滤波。在实践中，滤波器的下降时间常数应当大于射频调制所传输的符号持续区间。增加时间常数较之于滤波器在下降模式时的下跌时间常数而言例如小10-100倍。滤波器-放大器44由电压Vdd或是由天线直接生成的另一功率供给源进行供电。
滤波器44的输出控制一可变阻抗Z，在这个示例中，该阻抗Z由漏极和源极直接连接到端子33和34并且栅极连接到放大器44的输出的MOS晶体管46形成。当天线感测到的场增加时，峰值电压Vrf倾向于增加。相应的阻抗Z的降低(通过增加晶体管46的栅极电压)于是使电压Vrf降低。
与如图2所示类型的传统解决方案相比，一个优势在于在整流桥23下游的所有组件，包括该桥的整流元件，无需承受过电压，因其已在桥之前被滤波。进一步，通过在元件46上消散可能的过电压也由此限制了天线上的加热。
图5为将要放置在电磁应答器中的整流桥上游的功率限制器件4的框图。
与图4的实施例相比而言，其差别在于使用电荷泵电路(CP)48来增加晶体管46的控制电压Vg的幅度(优选为数量级为10的比例)。在实践中，由电压Vdd供电的电路48传送较高的供电电压Vddp到滤波器44。这使得较之于图4所示的实施例而言减小了晶体管46的尺寸。进一步，由于电荷泵电路48具有仅传送栅极电压的功能，其功耗非常低并且其所包含的电容元件的尺寸无需太大。特别地，发明人认为相较于晶体管46侧的表面积增益而言电荷泵电路48所占据的表面积微乎其微。
图6为限制电路的又一个实施例的框图。根据该实施例，峰值电压检测器42’与触发阈值(VTH)的动态调整的元件相关联。该控制来源于应答器的数字电路PU并且目标在于增加逆向调制周期期间的触发阈值。这样，从逆向调制周期之外的第一值以及在逆向调制周期期间的第二值来完成保护的触发，所述第二值大于第一值。一个优势在于由此改善标签对于读取器的可见性。
在逆向调制仅仅关注状态零的情况下，代价是功耗的略微增加。然而，从统计学上来说，响应在高态和低态之间达到平衡。在这种情况下，在逆向调制周期期间仅仅增加了一半功耗。例如，考虑在无逆向调制操作中约为4伏特的阈值以及在逆向调制周期期间过渡到达6伏特的阈值，此时在统计学上来说并没有增加功率。
图5和图6的实施例可以合并。
已经描述了各种实施例。对于本领域技术人员来说，可以容易地得到各种替代、修改以及改进。特别地，保护电路4的触发阈值的选择依赖于在不能超过的最大温度(与吸收功率成正比)下的应答器组件的击穿电压，并且可以随应用的不同而变化。进一步，通过利用上面所给出的功能性指示以及利用其惯常使用的电子组件，所描述的实施例的在实践中的实施在本领域技术人员的能力范围内。
这种替代、修改以及改进旨在成为本公开的一部分，并且旨在囊括在本发明的精神和范围内。相应地，前述的描述仅作为示例而非意在限制。本发明仅仅受限于所附权利要求以及其等同物所定义的那样。

Claims (14)

1.一种电磁应答器，包括：
谐振电路；
整流桥，具有跨所述谐振电路电耦合的输入端子并且具有被配置用于提供用以对电子电路进行供电的电压的整流输出端子；以及
限制器，被配置用于限制跨所述谐振电路的电压，被电耦合在所述整流桥的所述输入端子之间，其中所述限制器包括检测电路，所述检测电路被配置用于将跨所述谐振电路的峰值电压与阈值进行比较，所述阈值在第一值和第二值之间可调整，所述第二值大于所述第一值。
2.根据权利要求1所述的应答器，其中所述限制器包括可调整阻抗元件，所述可调整阻抗元件被电耦合在所述整流桥的所述输入端子之间，所述检测电路被配置用于调整所述可调整阻抗元件的阻抗。
3.根据权利要求2所述的应答器，其中所述限制器包括滤波器，所述滤波器被插入在所述检测电路和所述可调整阻抗元件之间。
4.根据权利要求3所述的应答器，其中所述滤波器在跨所述谐振电路的所述电压减小时具有第一时间常数，并且在跨所述谐振电路的所述电压增加时具有第二时间常数，所述第一时间常数至少比所述第二时间常数大10倍。
5.根据权利要求2所述的应答器，其中所述限制器包括电荷泵电路，所述电荷泵电路被配置为提供用于调整所述可调整阻抗元件的升压控制电压。
6.根据权利要求1所述的应答器，还包括控制电路，所述控制电路被配置用于当所述应答器处于逆向调制模式时将所述阈值设置在所述第二值处。
7.根据权利要求1所述的应答器，其中所述检测电路被配置为与所述阈值比较的跨所述谐振电路的所述电压为峰值电压。
8.一种器件，包括：
谐振电路；
整流桥，被配置用于整流跨所述谐振电路的电压；以及
限制器，被配置用于限制跨所述谐振电路的所述电压，被电耦合在所述整流桥的输入端子之间，其中所述限制器包括检测电路，所述检测电路被配置用于将跨所述谐振电路的峰值电压与阈值进行比较，所述阈值在第一值和第二值之间可调整，所述第二值大于所述第一值。
9.根据权利要求8所述的器件，其中所述限制器包括可调整阻抗元件，所述可调整阻抗元件被电耦合在所述整流桥的所述输入端子之间，所述检测电路被配置用于调整所述可调整阻抗元件的阻抗。
10.根据权利要求9所述的器件，其中所述限制器包括滤波器，所述滤波器被插入在所述检测电路和所述可调整阻抗元件之间。
11.根据权利要求10所述的器件，其中所述滤波器在跨所述谐振电路的所述电压减小时具有第一时间常数，并且在跨所述谐振电路的所述电压增加时具有第二时间常数，所述第一时间常数至少比所述第二时间常数大10倍。
12.根据权利要求9所述的器件，其中所述限制器包括电荷泵电路，所述电荷泵电路被配置用于提供用于调整所述可调整阻抗元件的升压控制电压。
13.根据权利要求8所述的器件，还包括控制电路，所述控制电路被配置用于当应答器处于逆向调制模式时将所述阈值设置在所述第二值处。
14.根据权利要求8所述的器件，其中所述检测电路被配置为与所述阈值比较的跨所述谐振电路的所述电压为峰值电压。
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