CN116054882A - 用于nfc/rfid系统的优化的低功率模式 - Google Patents

用于nfc/rfid系统的优化的低功率模式 Download PDF

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CN116054882A CN202211323228.5A CN202211323228A CN116054882A CN 116054882 A CN116054882 A CN 116054882A CN 202211323228 A CN202211323228 A CN 202211323228A CN 116054882 A CN116054882 A CN 116054882A
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D·罗曼
J-L·德梅斯内
L·查斯蒂龙
R·勒蒙涅尔
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STMicroelectronics Rousset SAS
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Abstract

本公开的实施例涉及用于NFC/RFID系统的优化的低功率模式。本说明书涉及具有被配置为接收射频信号的天线的电子器件。该电子器件还包括控制单元。控制单元关断，天线接收射频信号。所述天线被配置为在所述控制单元的启动期间传送表示所述射频信号的第一电压，以用所述电压为所述控制单元供电。

Description

用于NFC/RFID系统的优化的低功率模式
优先权要求
本申请要求2021年10月28日提交的法国专利申请No.2111452的优先权，该申请通过引用的方式在此全文引入。
技术领域
本公开大体上涉及电子器件，并且在特定实施例中，涉及用于近场通信(NFC)和射频识别(RFID)系统的优化低功率模式。
背景技术
电路、器件和系统的能量消耗目前是大多数技术领域中的关键问题。
许多电子电路、器件和系统适于根据它们必须实现的操作来调整它们的能量消耗。为此目的，许多具有电源模式，例如全功率、低功耗或待机模式。
希望至少部分地改进电子电路，器件和系统的电源的某些方面。
发明内容
需要消耗较少能量的电子电路、器件和系统。
存在对适于接收射频波的消耗较少能量的电子器件的需要。
需要这种电子器件在实现待机模式期间消耗较少的能量。
一个实施例克服了这种已知电子器件的全部或部分缺点。
一个实施例提供了一种电子器件，该电子器件至少包括：天线，其适于至少接收射频信号；以及控制单元，其中，当所述控制单元关断并且所述天线接收到射频信号时，所述天线递送表示所述射频信号的第一电压，并且在所述控制单元的启动期间利用所述电压向所述控制单元供电。
另一个实施例提供了一种启动电子器件的方法，该方法至少包括：天线，其适于至少接收射频信号；以及控制单元，其中，当所述控制单元关断并且所述天线接收到射频信号时，所述天线递送表示所述射频信号的电压，并且在所述控制单元的启动期间利用所述电压向所述控制单元供电。
根据一个实施例，控制单元是处理器、微处理器或微控制器。
根据一个实施例，当控制单元的启动结束时，控制单元由用于向电子器件供电的电路提供的第二电压供电。
根据实施例，通过转换电路将表示射频信号的电压转换为电源电压。
根据实施例，电源电压是DC电压。
根据实施例，转换电路包括电压整流二极管桥。
根据一个实施例，当不使用控制单元时，其被关断。
根据一个实施例，控制单元的启动包括控制单元的软启动，控制单元的时钟系统的启动，以及控制单元的通信。
根据一个实施例，该器件还包括选择电路，其适于选择施加到该器件的不同元件的参考电位。
根据一个实施例，当控制单元由表示射频信号的电压供电时，选择电路适于选择第一参考电位，并且当电源电路向控制单元供电时，选择电路适于选择第二参考电位。
根据一个实施例，控制单元是单稳态电路。
根据实施例，该器件还包括适于无线通信的电路。
根据实施例，适于无线通信的电路适于近场通信。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优点，现在结合附图参考以下描述，其中：
图1是实施例电子器件的示意图；
图2是实施例操作方法的流程图；
图3是实施例电子器件的框图；以及
图4是实施例操作的时序图。
具体实施方式
在各个附图中，相同的特征由相同的附图标记表示。特别地，在各个实施例中共同的结构或功能特征可以具有相同的附图标记并且可以设置相同的结构，尺寸和材料特性。
为清楚起见，仅详细说明和描述了可用于理解本文所述实施例的步骤和元件。特别地，用于实现在说明书中描述的实施例的计算机协议没有被描述，但是对于本领域的技术人员在以下描述中存在的指示是可访问的。
除非另有说明，当提及连接在一起的两个元件时，这表示除了导体之外没有任何中间元件的直接连接，并且当提及耦接在一起的两个元件时，这表示这两个元件可以被连接或者它们可以经由一个或多个其它元件被耦接。
在以下公开中，除非另有说明，当提及绝对位置限定词时，例如术语“前”，“后”，“顶”，“底”，“左”，“右”等，或提及相对位置限定词时，例如术语“上”，“下”，“上”，“下”等，或提及取向限定词时，例如“水平”，“垂直”等，是指图中所示的取向。
除非另有说明，表述“约”，“大约”，“基本上”和“以…量级”表示在10％以内，优选在5％以内。
图1是电子器件100的实施例的非常示意性和简化的框图。
电子器件100包括适于实现电子器件100的不同操作和功能的控制单元101(PROC)。根据一个实施例，控制单元101是处理器、微处理器或微控制器。在说明书的其余部分中根据一个实施例，控制单元101是单稳态电路或者仅仅是单稳态的。
在一个实施例中，单稳态电路连续地以第一电平(例如低电平)递送输出电压，并且在接收到控制脉冲时，在将其输出电压改变回第一电平之前，该单稳态电路将其输出电压的值修改为第二电平(例如高电平)一段确定的时间。
控制单元101包括至少一个电源端子VCC，控制单元101适于在其上接收电源电压。控制单元101还包括图1中未示出的参考端子，控制单元101适于在该参考端子上接收参考电压，例如接地。控制单元101还包括使控制单元101能够与器件100的其它元件通信的多个通信端子。下面将详细描述这些通信端子以及电子器件100的其它元件。
电子器件100包括适于接收和发射射频信号的天线102(ANT)。在实施例中，射频信号是具有范围从3kHz到300GHz的频率的信号；这些信号目前用于无线电通信。
天线102包括至少一个输出端子ANT-IO，其适于递送表示由天线102接收的射频信号的电压。输出端子ANT-IO实际上可以由两个电节点形成，这两个电节点递送具有表示由天线102接收的射频信号的电压差的电势。
电子器件100还可选地包括无线通信电路103(RFID)。根据示例，电路103可以是适用于无线射频通信或射频识别(RFID)的电路，或者更具体地，适用于无线近场通信(NFC)的电路。电路103包括耦合到(例如连接到)天线102的输出端子ANT-IO的至少一个RFID-IO输入端子，以及耦合到控制单元101的通信端子RFID－COMM2的至少一个通信端子RFID－COMM。根据一个示例，电路103通过使用I2C(内部集成电路)类型的电子总线与控制单元101通信。根据一个示例，电路103不需要被供电，接收由天线102递送的电压对于其操作是足够。根据一个变型，电路103具有电源端子。
电子器件100还可选地包括用于实现器件100的应用的一个或多个电路104。图1中示出了单个电路104。电路104可以是测量电路、传感器、显示电路、密码电路等。每个电路104包括至少一个电源端子VCCAPP，电路104适于在该电源端子上接收电源电压。每个电路104还包括图1中未示出的参考端子，电路104适于在该参考端子上接收参考电压，例如接地。每个电路104还包括耦合(例如连接)到控制单元101的通信端子APP－COMM2的通信端子APP－COMM。
电子器件100还包括用于为控制单元101和(一个或多个)电路104供电的器件。这些电源器件包括电源电路105、转换电路106和选择器件107。
电源电路105适于为电子器件100的元件供电。更具体地，电源电路105适于向元件输送电源电压或多个不同的电源电压。在图1中，电路105适于向控制单元101递送第一电源电压，并且向电路104递送第二电源电压。电源电路105还可以适于与控制单元101通信，并且因此可以包括至少一个通信端子ALIM－COMM，其耦合到(例如连接到)控制单元101的通信端子ALIM－COMM2。根据另一实施例，电源电路105不与控制单元101通信。
转换电路106适于将表示由天线102接收的射频信号的电压转换成适于功率控制单元101的电压。根据一个示例，适于功率控制单元101的电压是经整流的AC电压，或者甚至是DC电压。转换电路106包括接收天线102的输出电压的输入端子CONV－IN和递送适于功率控制单元101的电压的输出端子CONV－OUT。
选择器件107使能控制单元101以选择电源。特别地，选择器件107使得控制单元能够选择其电源端子VCC接收源自电源电路105的电源电压还是源自转换电路106的电源电压。根据一个示例，选择器件107是由控制单元101控制的选择器。根据另一示例，选择器件107在控制单元101内部。
根据一个实施例，控制单元101适于实现多个操作模式。在第一操作模式或激活模式中，控制单元101以全功率操作并且适于控制电子器件100的所有元件。在第二操作模式、待机模式或低功耗模式中，控制单元101关断，并且如果天线102接收到射频信号，则可以在任何时间启动。换句话说，在待机模式期间，控制单元不接收电源电压。结合图2描述了在通过天线102接收射频信号时实现的供电方法。
图2是示出了当控制单元处于待机模式并且天线102接收射频信号时，为关于图1描述的器件100的控制单元101供电的方法的框图。
在供电方法开始时，控制单元101处于初始状态201，如框“关断”所示，其中控制单元101关断，即不供电。至于天线102，它也处于初始状态202，如框“NO RF”所示，其中天线102还没有接收到射频信号。还可以是，在状态201和202期间，电子器件100处于待机模式。没有实现电子器件100的功能。根据一个示例，电源电路105起作用，但是当控制单元101关断时不使用。
在初始状态202之后的框“RF”所示的状态203，天线102接收射频信号。天线102将该信号转换为表示射频信号的电压。该电压被传输到转换电路106，转换电路106然后产生适于功率控制单元101的电源电压。该电压还可以被传输到无线通信电路103，无线通信电路103处理该电压，例如以便向电路103提供能量。
根据实施例，一旦转换电路106产生电源电压，并且由于控制单元101关断，选择器件107将转换电路106的电源电压递送到控制单元101的电源端子VCC。
然后控制单元101进入启动状态204，由框“BOOT”表示。在状态204期间，控制单元执行其启动所需的所有操作，例如软启动，以及其内部电路和组件的启动，电源电路105的启动，以及可选地，用于电子器件100的其它元件的启动，例如应用电路104的启动。更具体地，控制单元的启动所需的操作包括其内部时钟的启动，其通信单元的启动，其内部软件或程序的启动等。
一旦控制单元101的启动结束，控制单元101切换到状态205，如框“ACTIVE”所示，其中控制单元101处于激活模式。选择器件107不再递送源自转换电路106的电源电压，而是递送源自电源电路105的电源电压，该电源电压现在被启动。
换句话说，在其启动阶段期间，控制单元101由转换电路106供电，并且一旦其启动阶段结束，控制单元101由电源电路105供电。
只要需要，控制单元101就保持在激活模式，无论天线102是否接收射频信号。如果天线102不再接收射频信号，则控制单元101选择它是否继续处于激活模式或者它是否切换到待机模式。
该实施例的优点在于，在待机模式期间，控制单元101不消耗能量，因为它未被供电并且因此关断。实际上，电子器件通常具有低消耗模式，在该模式中，它们比在它们在激活消耗模式中消耗更少的能量。在该低功耗模式期间，控制单元保持“警醒(on alert)”以能够处理射频信号，或者更一般地，能够引起其启动的任何事件，并且为此目的，它需要总是被供电，但是一般具有较低的功率。这不是器件100的情况。
图3是关于图1描述的电子器件100的类型的电子器件300的实施例的示例的部分地以方框形式的电气图。
与电子器件100类似，电子器件300包括：图1的控制单元101类型的控制单元301(PROC)；图1的天线102类型的天线302(ANT)；图1的无线通信电路103类型的可选无线通信电路303(RFID)；实现图1的电路104类型的器件300的应用的一个或多个可选电路304(APP)；图1的电源电路105类型的电源电路305(ALIM)；图1的转换电路106类型的转换电路306(CONV)；以及图1的选择器件107类型的选择器件307。
在图3中，控制单元301包括：电源端子VCC，该电源端子耦合(例如被连接)到选择器件307上并且接收一个电源电位VCC；端子GND，控制单元301在其上接收参考电位GND，例如接地；三个通信端子ALIM－COMM2，APP－COMM2和RFID－COMM2，例如分别连接到电源电路305，电路306和电路303；复位端子N_RST，其能够控制控制单元101的启动或重启或复位。
天线302包括两个端子ANT－IO1和ANT－IO2，每个端子提供电位。端子ANT－IO1和ANT－IO2的电势差是表示由天线302接收的射频信号的电压VANT。
无线通信电路303包括两个端子RFID－IO1和RFID－IO2，这两个端子例如分别连接到天线302的端子ANT－IO1和ANT－IO2。电路303还包括接收参考电位(例如接地)的端子RFIDGND，以及耦合(例如连接到)控制单元101的端子RFID－COMM2的通信端子RFID－COMM。
在图3中，实现应用的电路304包括：通信端子APP－COMM，其耦合(连接到)控制单元301的通信端子APP－COMM2；电源端子VCAPP，其从电源电路305接收电源电位VCCAPP；以及端子APPGND，其接收参考电位，例如接地。
在图3中，电源电路305包括：一个电源端子VCC传送电源电位VCC；一个电源端子VCCAPP传送电源电位VCCAPP；端子ALIMGND，其接收参考电位，例如接地；以及通信端子ALIM－COMM，其耦合到例如连接到控制单元302的通信端子ALIM－COMM2。
根据一个示例，电源电势VCC和VCCAPP是相同的。
在图3的示例中，转换电路306包括两个输入端子CONV－IN1和CONV－IN2，这两个输入端子分别耦合(例如连接)到天线302的端子ANT－IO1和ANT－IO2；输出端子CONV－OUT，其输送电源电位VCC－ANT；以及提供参考电位GND－ANT的端子。
根据实施例的示例，电路306包括并联耦合在端子CONV－OUT和CONV－GND之间的三个元件。更具体地，电路306包括电压整流二极管桥，该电压整流二极管桥接收作为输入电压VANT、并且传送作为输出的电源电压，该电源电压是对应于整流电压VCCANT的电位VCC-ANT以及GND－ANT之差。二极管电桥由四个二极管D1，D2，D3和D4形成。根据一个示例，二极管D1的阳极耦合到，优选地连接到端子CONV－IN1，并且二极管D1的阴极耦合到，优选地连接到端子CONV－OUT。二极管D2的阳极耦合，优选地连接到端子CONV－OUT，二极管D2的阴极耦合，优选地连接到端子CONV－IN2。二极管D3的阳极耦合，优选地连接到端子CONV－IN2，并且二极管D3的阴极耦合，优选地连接到端子CONV－GND。二极管D34的阳极耦合，优选地连接到端子CONV－GND，而二极管D4的阴极耦合，优选地连接到端子CONV－IN1。电路306还包括二极管D－CONV，例如齐纳二极管，其阳极耦合到(优选地连接到)端子CONV－GND，并且其阴极耦合到(优选地连接到)端子CONV－OUT。电路306还包括电容器C－CONV，该电容器C－CONV具有耦合到(优选地连接到)端子CONV－GND的第一电极，并且其第二电极耦合到(优选地连接到)端子CONV－OUT。
电子器件300还包括使得能够保护控制单元301的复位端子N－RST的RC型电路。该电路包括电阻器R－RST和电容器C－RST。电阻器R－RST的第一端子耦合(优选地连接)到转换电路306的端子CONV－OUT，并且电阻器R－RST的第二端子耦合(优选地连接)到控制单元301的端子N－RST。电容器C－RST的第一电极耦合到(优选地连接到)控制单元301的端子N－RST，并且电容器C－RST的第二电极接收参考电位GND－PERM。
电子器件300进一步包括选择电路GND－SELECT，其适于选择施加到器件300的不同元件的参考电位。实际上，由于器件300的主电源，尤其是控制单元301的主电源是可修改的，所以参考电位也是。选择电路GND－SELECT包括输入节点A，耦合到控制单元301的端子GND，电路304的APPGND，电路305的ALIM－GND和电路303的RFID－GND。选择电路GND－SELECT适于在其端子CONV－GND上传送由转换电路306传送的参考电位GND－ANT，或传送参考电位GND－PERM。
选择电路GND－SELECT包括开关INT－GND，例如N沟道MOS型晶体管。将MOS型晶体管称为绝缘栅场效应晶体管，当前更称为MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。开关INT－GND包括：第一端子，其对应于晶体管的第一传导端子，其耦合(优选地连接)到节点A；以及第二端子，其对应于晶体管的第二传导端子，其耦合(优选地连接)到递送参考电位GND－PERM的节点。对应于晶体管栅极的开关INT－GND的控制节点耦合到(优选地连接到)控制单元301的端子SEL。
选择电路GND－SELECT还包括二极管D－GND，二极管D－GND的阳极耦合(优选地连接)到节点A，二极管D－GND的阴极耦合(优选地连接)到转换电路306的端子CONV－GND。根据替代实施例，二极管D－GND可用开关INT－GND类型的开关代替。根据另一备选实施例，二极管D－GND可用由射频场的存在与否控制的开关代替。
当控制单元301由电源电路305供电时，则开关INT－GND导通，节点A递送电位GND－PERM，否则开关INT－GND关断并且节点A递送电位CONV－GND。
结合图4相关的器件300，进一步详细描述与图2相关描述的电源方法的应用。
图4示出了在关于图2描述的供电方法期间电子器件300的电压的时序图。换句话说，这些时序图示出了在天线302接收到射频信号时控制单元301从不接通的待机模式转换到激活模式的过程。
在图4中更具体地示出了时间变化：天线302的输出电压VANT的时序变化；由控制单元301在其电源端子VCC上接收的电源电压VCC的时序变化；在控制单元301的端子N－RST的电平处的电位与电位GND－PERM之间的差电压VN_RST的时序变化；以及在控制单元301的端子SEL的电平处的电位与电位GND－PERM之间的差电压VSEL的时序变化。
在初始时间t0，所有电压处于低状态或参考状态。换句话说，天线302不接收射频信号，并且转换电路306不接收要转换的电压。控制单元301的启动不被其复位端N_RST请求，因为控制单元301不被供电。选择电路GND－SELECT选择电位GND－PERM作为器件100的元件的参考电位。
在时间t0之后的时间t1，天线302接收射频信号。然后，电压VANT从其对应于两个基本相等电位的差的低状态切换到表示由天线302接收的射频信号的振荡状态。转换电路306接收电压VANT并开始其转换。为此目的，并且直到时间t2，在时间t1之后，电压VCC是由转换电路306递送的电压VCCANT并且例如基本上线性地增加。
在时间t2，电压VCC以及因此电压VCCANT已经达到其最大幅度，并且然后等于整流电压VANT。电压VCCANT则对功率控制单元301足够高，以使得控制单元301的复位端子N－RST处的电压VN－RST增加。
在时间t2之后的时间t3，电压VN－RST处于高电平。换句话说，控制单元301的复位端N－RST被激活，并且控制单元301可以开始其启动。
在时间t3之后的时间t4，控制单元301结束其启动。如结合图2所述，控制单元301于是能够修改其用于电源电路305的电源。由于电源被修改，选择电路GND－SELECT修改器件300的元件的参考电位。为此，控制单元301将电压VSEL切换到不同于其低状态的高状态。
在时间t4之后的时间t5，电压VCC是由电源电路305提供的电压VCC－ALIM。因此，从时间t5起，电压VCC是稳定电压，或者甚至是DC电压。
在时间t5之后的时间t6，天线302不再接收射频信号，并且不再递送电压。因此，电压VANT切换回其低状态。根据实施例的一个示例，控制单元301在此决定继续操作而不停止。设想不同的实施例将在本领域技术人员的能力范围内。
在时间t7，在时间t6之后，控制单元301已经完成它应该执行的操作，并且器件300可以被关断。器件300的所有元件被停止，并且电压VCC，VN－RST和VSEL被设置回到它们的低状态。
已经描述了各种实施例和变型。本领域技术人员将理解，这些各种实施例和变型的某些特征可以组合，并且本领域技术人员将想到其它变型。
最后，基于以上给出的功能指示，所描述的实施例和变型的实际实现在本领域技术人员的能力范围内。

Claims (20)

1.一种电子器件，包括：
控制单元；以及
天线，被配置为：
当所述控制单元处于关断状态时接收射频信号，以及
向所述控制单元传输第一电压以在所述控制单元的启动序列的持续时间内对所述控制单元供电，所述第一电压表示所述射频信号。
2.根据权利要求1所述的电子器件，其中所述控制单元是处理器、微处理器、或微控制器。
3.根据权利要求1所述的电子器件，其中所述电子器件进一步包括电源电路，并且其中所述控制单元被配置为在所述启动序列完成之后由来自所述电源电路的第二电压供电。
4.根据权利要求3所述的电子器件，其中所述电子器件包括选择电路，所述选择电路被配置为选择施加到所述电子器件的组件的参考电位。
5.根据权利要求4所述的电子器件，其中所述选择电路被配置为：
响应于所述控制单元由所述第一电压供电而选择第一参考电位；以及
响应于所述控制单元由所述电源电路供电而选择第二参考电位，所述第二参考电位不同于所述第一参考电位。
6.根据权利要求1所述的电子器件，其中所述电子器件进一步包括被配置为将所述第一电压转换为电源电压的转换电路。
7.根据权利要求6所述的电子器件，其中所述电源电压是直流DC电压。
8.根据权利要求6所述的电子器件，其中所述转换电路包括电压整流二极管桥。
9.根据权利要求1所述的电子器件，其中当所述控制单元不被使用时，所述控制单元被配置为处于关断状态。
10.根据权利要求1所述的电子器件，其中所述启动序列包括：所述控制单元的软启动、所述控制单元的时钟系统的启动、以及所述控制单元的通信电路的启动。
11.根据权利要求1所述的电子器件，其中所述控制单元是单稳态电路。
12.根据权利要求1所述的电子器件，其中所述电子器件还包括被配置用于无线通信的通信电路。
13.根据权利要求12所述的电子器件，其中所述通信电路被配置用于近场通信NFC。
14.一种方法，包括：
当电子器件的控制单元处于关断状态时，通过所述电子器件的天线接收射频信号；
通过所述天线将第一电压传输至所述控制单元；以及
在所述控制单元的启动序列的持续时间内使用所述第一电压对所述控制单元供电，所述第一电压表示所述射频信号。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括在所述启动序列完成之后使用来自所述电子器件的电源电路的第二电压对所述控制单元供电。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括由所述电子器件的选择电路选择施加到所述电子器件的组件的参考电位。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：
响应于由所述第一电压对所述控制单元供电，来由所述选择电路选择第一参考电位；以及
响应于由所述电源电路对所述控制单元供电，来由所述选择电路选择第二参考电位，所述第二参考电位不同于所述第一参考电位。
18.一种电子器件，包括：
天线，被配置为接收射频信号；
电源电路，被配置为生成电源电压；以及
控制单元，被配置为在第一模式和第二模式中接通，
其中在所述第一模式中，当所述天线接收所述射频信号时所述控制单元被关断，并且响应于所述天线向所述控制单元传输表示所述射频信号的第一电压而将所述控制单元接通，以在所述控制单元的启动序列期间接通所述控制单元，以及
其中在所述第二模式中，在所述控制单元的所述启动序列完成之后，所述控制单元由来自所述电源电路的所述电源电压接通。
19.根据权利要求18所述的电子器件，其中所述电子器件包括选择电路，所述选择电路被配置为选择施加到所述电子器件的组件的参考电位。
20.根据权利要求19所述的电子器件，其中所述选择电路被配置为：
响应于所述控制单元在所述第一模式中被接通而选择第一参考电位；以及
响应于所述控制单元在所述第二模式中被接通而选择第二参考电位，所述第二参考电位不同于所述第一参考电位。
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