CN1416557A - 应答器,特别是用于无触点的智能卡的应答器 - Google Patents

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Abstract

一种例如位于无触点的智能卡中的应答器，其通过天线(L2)接收来自高频交变磁场的能量。利用整流器(12)形成的电压(Udd)作为控制量被馈送到具有时钟频率调节装置的时钟发生器(14)。在天线上的磁场强度高时，通过增加数字电路(10)的时钟频率，将所述电压调节下降。如果不能够进一步增加时钟信号(CLK)的时钟频率，则连接一个用于EPROM(18)的电荷泵(16)，以便增加所述EPROM的写速度。还可以选择方式连接一个常规的分流调节器。一个接口电路(20)在和读出器通信期间不受经调节的时钟频率的影响，而是工作在固定频率下。

Description

应答器，特别是用于无触点的智能卡的应答器
本发明涉及一种应答器(transponder)，特别是用于无触点的智能卡的应答器。此处的术语“应答器”指的是一种组件，其包括天线和电子电路，特别是呈芯片形式，用于操作芯片和通过制成线圈的天线接收数据所需的能量。这种应答器用于无触点智能卡中，用于在货物上提供的标签中，用于密匙特别是作为驻留物(immobilizer)的并且通常被包括在动物体内的玻璃或盒(capsule)中的自动识别密匙(auto key)中，用于进行识别。
所述的应答器被设计用于和外部装置进行单向的或双向的数据交换，所述外部装置这里被称为读出器。读出器通过天线发射高频磁场，应答器通过位于非常接近读出器的大表面的线圈从磁场取得能量。在其吸收能量的同时，应答器导出一个时钟信号。这种应答器的结构和操作在现有技术中被详细地说明了，例如可以参看US-C5 841123，“Kontaktlose Chipkarten”，KlarsDinkenzeller，Funkschau 19/98，pp.40-43，和Klaus Finkenzeller，RFID-Handbuch，Carl Hanser Verlag，Munich/Vienna，1999。
为了帮助理解本发明，下面说明应答器的基本特征，稍后将参照附图进行详细说明。
读出器通过天线发射例如13.56MHz的高频磁场。如果应答器的天线位于所述磁场中，由于在两个天线之间的负反馈，能量便被耦合进入应答器中。可以由应答器得到的电功率和天线上的磁场强度成正比。在应答器上的磁场强度和离开读出器的距离成反比(1/x3)，因而在工作状态下具有非常大的改变。
微型芯片需要恒定的电源电压，以便以恒定的时钟频率进行操作。在读出器和应答器之间的非常短的距离下，如果不采取措施，在应答器中感应的电压将超过所需的电源电压。因此，和切换一个和负载并联的分流调节器，用于把过量的功率转换成热量，从而在应答器中增加感应电压的情况下，保持电源电压恒定。
本发明基于现有的应答器的问题，其中和公知的应答器相比，在本发明的应答器中可利用的电功率可以被更好地利用。
为此目的，本发明提供一种应答器，其具有由时钟发生器利用具有时钟频率的时钟信号操作的内部数字电路，以及由外部的交变磁场非接触地馈送的内部能源。按照本发明，在这种应答器中，包括具有时钟频率调节装置的时钟发生器，所述调节装置用于根据应答器上的外磁场的磁场强度调节时钟信号的时钟频率。
这里的术语“根据磁场强度”进行调节指的是，时钟信号的时钟频率的调节或者直接根据磁场强度进行调节，或者间接根据磁场强度进行调节。磁场强度可以测量，并且时钟频率根据测量结果进行调节，但是时钟频率也可以根据感应电压而改变，这是因为感应电压取决于天线上的磁场强度。在本发明的应答器中，根据磁场强度即根据读出器和应答器之间的距离，重新调节数字电路(微型芯片)工作的时钟频率。在读出器和应答器之间的距离小时，在应答器中可以得到相对大的能量。因而，可以增加时钟频率。代替借助于分流调节器消耗过量的能量，使时钟信号的频率增加。
让我们看一下用CMOS技术实现的一般的微型芯片，在这种电路中的能量消耗P相应于
P＝CL×Udd 2×fd
其中，
P＝在门电路(gate)中使用的功率
CL＝门电路的电路电容
Udd＝工作电压
Fd＝平均工作频率(时钟频率)
因而，在CL和Udd为恒值或几乎为恒值的条件下，作为一方面的在CMOS电路的能量消耗和作为另一方面的工作时钟的时钟频率之间呈线性相关。
因而，当应答器和读出器之间的距离小于最大的可能距离时，本发明的措施使得时钟频率连续地或步进地增加，因此使微型芯片中的操作速度加快。因而，按照本发明，专门由分流调节器消耗的过量的能量被用于增加操作速度，即用于缩短总的操作时间。
在另一方面，可以利用本发明的措施减少使能量从读出器馈送到应答器的距离。在相对大的距离时，可以使时钟频率减少到一个刚好使微型芯片的各部分能够工作的可以允许的限度。结果，本发明的措施允许应答器的范围，即能够最小观测操作的读出器和应答器之间的最大距离，增加大约30-50％。
应答器在接收天线的输出端通常具有整流器。由整流器提供的未被调节的电压在本发明的优选实施例中被用作实际值和控制量。其和一个内部产生的参考电压值比较，根据差值信号调节用于微型芯片的工作时钟的时钟频率，所述差值信号代表磁场强度和读出器与应答器之间的距离。
实现时钟调节具有几种可能的方法。按照本发明，最好使用压控振荡器(VCO)，其输入端接收来自整流器的未被调节的电压，其输出端提供时钟信号，所述时钟信号可以可选择方式被处理，例如被输入到一个信号调节器和/或分频器。
在本发明的另一个优选实施例中，时钟频率的调节借助于一个可调的分频器来实现。为此目的，从参考信号和未被调节的整流器电压获得的差值信号由模数转换器转换成数字值，以可选择方式进行其它的处理，然后被提供给可调分频器的调节输入端，所述分频器的信号输入端接收由应答器接收的固定频率的时钟信号(例如13.56MHz)。此时在可调的分频器的输出端产生输出信号。在读出器和应答器之间的距离越小，整流器的输出端的未被调节的电压越高，相对于参考电压的差值越大，由模数转换器获得的数字值越大，分频器中的作为除数(dividor)的值越小，分频器的作为时钟信号的输出信号也越高。
应当指出，时钟信号的调节严格地说只涉及应答器的内部操作时序。为了和读出器进行通信，需要一个固定的标准的时钟频率。所述时钟频率通过高频磁场从读出器发送给应答器，并在应答器中被调节，用于操作接口电路。
由可调频率的时钟信号操作的应答器的数字电路中的部件例如有RAM，微控制器，EEPROM等。本发明的用于根据应答器和读出器之间的距离改变时钟频率的措施在非常小的距离时导致相应的高的时钟频率。当然具有一个时钟频率的上限。在本发明的优选实施例中，当达到一个规定的最大时钟频率时，则：
-连接一个电荷泵，以便增加属于数字电路的EEPROM的写速度，和/或
-启动一个分流调节器，以便借助于电阻元件把过量的电能转换成热能。
因而，在应答器和读出器之间的距离非常小时，以这样的方式实行最佳的操作，使得过量的能量首先被用于增加工作时钟的时钟频率。当达到最大时钟频率时，连接电荷泵，以便操作微型芯片的EEPROM，并且当电荷泵在最大的功率下工作时，则最终启动本领域中公知的分流调节器。
本发明尤其适用于智能卡，但是也可以用于其它的用途。例如本发明的应答器一般地可以用于识别元件中，例如提供在商品上、物架上以及类似的物品上的标签中。还可以用于用来开门的密匙中，或者用于开启驻留物的点火密匙中。还可以用于农场饲养的动物中，用于帮助管理和喂养。
下面参照附图详细说明本发明的实例，其中：
图1是公知的应答器的等效电路图，其和一个示意地表示的读出器相连；
图2表示和用于调节电压的分流调节器相连的应答器的等效电路图；
图3表示本发明的应答器的实施例的方块图；
图4的曲线表示分流调节器的电阻和应答器的接收天线与外磁场之间的耦合系数的关系曲线；
图5表示时钟频率调节装置的一个特定实施例的简化的方块图；以及
图6表示本发明的应答器的时钟频率调节装置的另一个特定实施例的方块图。
按照图1，读出器L通过天线L1发射高频例如13.56MHz的磁场。如果应答器T的天线L2位于所述磁场内，由于在天线L1和L2之间的负反馈，能量便进入应答器T中，电流i2通过输入电路的电阻R2流动。RL表示由微型芯片形成的负载。电容器C和负载RL并联，其和天线L2一起构成被调谐到读出器L的发射频率的谐振电路。
可以由应答器利用的电功率和天线L2上的磁场强度成正比。为了收到用于操作微型芯片所需的能量，天线L2必须离开读出器L一个最小的距离。和读出器L的天线L1的距离相关的磁场强度的使用经历表明，在公知的智能卡的当前通常的工作区域内，磁场强度可以改变30倍以上(磁场强度H＝0.15…5[A/m](安/米))。
微型芯片需要恒定的电源电压，在恒定的时钟频率下操作。这样设计图1所示的电路，使得当天线L2离天线L1为一个规定的最小距离时，刚好达到用于操作微型芯片的元件(RAM，EEPROM，微控制器等)所需的电源电压。在读出器L与应答器T之间的距离较短时，如果不采取措施，在应答器中感应的电压将超过所需的电源电压。
因此，按照图2，切换和负载RL并联的分流调节器RS，用于把过量的功率转换成热量，以便在应答器中的感应电压增加的情况下保持电源电压U2恒定。
根据读出器L和应答器T之间的距离，分流调节器处于待用状态即高阻状态(当应答器T超过允许其操作的最大距离时)，或者处于分流调节器RS最大工作状态，即当读出器L和应答器T之间的距离最小时。图2所示的应答器T的等效电路图把分流调节器RS表示为一个可变电阻。在集成的芯片中的分流调节器的特定实施例在本领域内是熟知的。
图4表示和应答器的天线线圈与读出器的天线线圈之间的耦合系数相关的分流调节器RS的输入电阻。耦合系数k的增加相应于两个天线之间距离的减少。
由图4可见，在天线之间的耦合系数非常小的情况下(大的距离)，分流调节器RS的输入电阻无穷大，然后在达到最大操作距离时，所述电阻快速减小。
在应答器的设计中，能源必须这样设计，使得在读出器和应答器为一个预定的最大距离时，微型芯片能够操作。在这种状态下，分流调节器仍然不工作。
应答器的上述的设计要求还意味着，当应答器和读出器之间的距离下降到所述最大距离以下时，分流调节器工作，以便通过把额外吸收的功率转换成热量，从而保持电压U2恒定。只要应答器接近读出器以便进行数据交换，便有多于当下降到最大可能距离以下时进行操作所需的能量的能量被耦合进入应答器中。
图3表示本发明的应答器2的一个实施例。应答器2包括上述的接收天线L2，其被制成一个扁平线圈，一个整流器12和其相连。微型芯片10和整流器12的输出相连，其接收来自整流器12的整流输出Udd。还由时钟发生器接收电压Udd，所述时钟发生器包括时钟频率调节装置，用于根据感应的和整流的电压Udd调节微型芯片10的时钟频率CLK。时钟信号CLK的频率和感应电压的相关性在时钟发生器14的方块图中用函数f(u)表示。
此处没有全部分别示出微型芯片的各个元件。下面说明所示的EPROM18和电荷泵16。微型芯片10通过总线22和接口电路20相连。接口电路20从调制解调器24接收由读出器通过高频磁场发送的时钟信号，此处的高频磁场的频率是13.56MHz。为了传递数据，接口电路20向调制解调器24馈送要传递的数据，使得所述数据通过天线L2发送。
图3同样省略了包括在微型芯片10中的分流调节器，如图2的等效电路的右方所示。
当图3所示的应答器2的天线L2位于未示出的读出器附近，从而使得与所述读出器的距离下降到某个距离以下时，整流器12便提供整流电压Udd，该电压足够大，从而使得微型芯片10因而也是整个应答器能够操作。如果和读出器的距离被进一步减少，则电压Udd上升一些，因而借助于本发明的时钟频率调节装置14，通过与微型芯片的频率相关的电流消耗把电压向下调节到一个稳态偏差。
虽然在常规的应答器中，在通过将读出器的发送频率分频而产生的固定频率例如3.39MHz(13.56MHz/4)下操作，但是在图3所示的应答器中能够在低得多的频率下操作。不过，当读出器和应答器之间的距离增加而超过某个值时，则在应答器中不进行操作。当距离下降到某个值以下时，则进入应答器2的能量大于用来操作应答器实际所需的能量。这个超过的能量被用于增加工作时钟CLK的时钟频率，借以提高应答器2的效率。
参见图5，下面说明在图5中用标号14A表示的按照图3的时钟发生器14的第一特定实施例。
来自整流器12的直流电压Udd在比较器30中和在应答器内部产生的参考电压uref比较。电压差值Δu被模数转换器(ADC)32转换成数字值，再被馈送到可调的分频器34的调节输入端。分频器34的信号输入端接收由在线圈L2上感应的电压得到的固定频率f1(例如13.56MHz)的信号。另外，可以由设置在应答器中的振荡器36产生具有固定频率f1的信号。
根据和被馈送到调节输入端的数字值，对相当高的频率f1这样分频，使得在高的电压Udd，即高的差值信号Δu下，在分频器34的输出端的工作时钟CLK的频率也相应地具有高的值。
如果工作时钟CLK的频率由于在应答器2和读出器之间的距离的减小很高，使得进一步增加便不能进行微型芯片10的操作，则连接图3中示意地表示的用于EPROM18的电荷泵。借助于所述电荷泵，可以增加EPROM的写速度。
微型芯片10的实施例可以具有或没有分流调节器。当达到最大时钟频率时，这种分流调节器可被启动工作用于代替电荷泵16，不过如果时钟频率被增加到最大限度，并且电荷泵16也已经工作在最大功率下，则分流调节器也可用作用于保持电压Udd恒定的第三个元件。
图6表示按照图5的时钟发生器的另一种方案。图6所示的时钟发生器14B对压控的振荡器(VCO)40提供如在图5中获得的差值信号Δu。在应答器和读出器之间的距离小因而差值信号Δu相应地较大时，VCO40的输出频率相对地较高，在差值信号Δu小时，VCO40的输出信号的频率则相对地较低。所述VCO可以具有另外的和其相连的信号处理电路，例如信号调节器电路，分频器电路等等。这个实施例的优点在于，VCO的最大输出频率(利用CMOS目前为50MHz以上)可以大于在线圈L2上耦合的读出器的时钟频率(13.56MHz)。
本发明的应答器被集成在无触点的智能卡中，所述智能卡在图中未示出，这是因为其原理是公知的。应答器的其它可能的用途也是公知的，例如用于对动物体内施加作用的盒，包括在用于自动装置驻留物的自动密匙或其类似物中。本发明的应答器适合于所有这些应用。

Claims (13)

1.一种应答器，其具有由一个时钟发生器(14)利用具有时钟频率的时钟信号操作的内部数字电路(10)，以及由外部的交变磁场非接触地馈送的内部能源(12)，其特征在于，所述时钟发生器具有时钟频率调节装置(30-34；40)，所述调节装置用于根据应答器(2)上的外磁场的磁场强度调节时钟信号(CLK)的时钟频率。
2.如权利要求1所述的应答器，具有用于磁场的接收天线(L2)，以及和所述接收天线相连的整流器(12)，其特征在于，在整流器的输出端具有未被调节的电压(UDD)，所述电压代表在接收天线上的磁场的磁场强度，其作为启动信号施加于所述时钟频率调节装置(14)上。
3.如权利要求2所述的应答器，其特征在于，按照压控的振荡器(VCO)(40)构成所述时钟频率调节装置，其输入端接收未被调节的电压，或由所述未被调节的电压导出的信号值，其输出端提供时钟信号或者所述时钟信号(CLK)的先驱信号。
4.如权利要求2所述的应答器，其特征在于，所述时钟频率调节装置具有：
-模数转换器(32)，用于把未被调节的电压转换成数字值；
-具有可调的分频比的分频器，
1)在其第一输入端提供有由在所述线圈(L2)上感应的电压导出的固定频率的信号，以及
2)其第二输入端通过模数转换器(32)接收由所述未被调节的电压导出的用作除数运算的信号，以及
3)其输出端提供所述时钟信号(CLK)。
5.如权利要求1-4中的任何一个所述的应答器，其特征在于，具有接口电路(20)，用于和外部装置进行数据交换，并利用固定频率的通信时钟信号进行操作。
6.如权利要求1-5中的任何一个所述的应答器，其特征在于，对所述时钟信号(CLK)的时钟频率以和通过在一个确定的工作区域内的磁场而获得的在应答器上的可利用的能量线性相关的方式进行重新调节。
7.如权利要求1-6中的任何一个所述的应答器，其特征在于，所述时钟频率相对于一个规定的标准的时钟频率被降低，以便使得当在所述应答器上的磁场强度下降到一个正常值以下时数字电路(10)能够操作。
8.如权利要求1-7中的任何一个所述的应答器，其特征在于，当达到所述规定的最大时钟频率时，
连接一个电荷泵，以便增加属于所述数字电路(10)的EPROM(18)的写速度；和/或
启动一个分流调节器(RS)，以便借助于电阻元件把过量的电能转换成热量。
9.如权利要求4-8中的任何一个所述的应答器，其特征在于，所述分频器的第一输入端和用于提供所述固定频率的信号的振荡器相连。
10.一种具有如权利要求1-9中的任何一个所述的应答器的无触点智能卡。
11.一种具有如权利要求1-9中的任何一个所述的应答器的识别元件。
12.如权利要求11所述的识别元件，其呈自动密匙的形式，作为用于开启电子装置驻留物的电子密匙。
13.如权利要求11所述的识别元件，其呈盒的形式，被包括在生物体内。
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