CN210924651U - 一种用于无源标签的级数可调的倍压整流和能量管理电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种用于无源标签的级数可调的倍压整流和能量管理电路，应用于射频识别领域，针对现有技术采用固定的电路结构，导致整流电路效率低，输入功率动态范围小的问题；本实用新型通过在多级倍压整流电路最高一级添加两个SWnp开关(低电平导通)，其他各级倍压整流电路的输入和输出添加一个互补开关，所述每一级倍压整流电路的输入由MCU控制，所述多级倍压整流电路每一级倍压整流电路的输出接能量管理电路的输入，能量管理电路中电容C0用于给MCU与传感器模块供电，电容C1用于控制C0开始放电的时间；采用本实用新型的电路能够增加标签的工作性能、增加标签接收功率的输入范围、提高标签和读写器的工作距离和提供更高的输出功率。

Description

一种用于无源标签的级数可调的倍压整流和能量管理电路

技术领域

本发明属于射频识别领域，特别涉及一种倍压整流和能量管理电路。

背景技术

近年来，基于物联网技术的兴起，射频识别技术(RFID)又一次得到了飞速的发展。在医疗监控、环境检测、物流监控、食品安全、室内定位和军事防御等领域，RFID技术得到了更广泛的应用。特别是在无线传感网络中，使用RFID技术来实现各种无源节点，将为系统的工作带来很大的便利性，因为无源RFID标签不需要维护、工作时间长和成本低，在无线传感网络的应用中起着非常重要的作用。

在目前的RFID标签中，大部分实现的功能都较为简单，主要是针对一种单一的应用，比如温度湿度感测，压力检测等。在ISO/IEC 18000-6C type standard标准中，没有将传感功能设置为强制命令，因此，使用这类协议实现的标签更为简单。然而，在物联网领域，不仅需要提供各种传感功能，还要求标签能够集多种功能于一身。并且，随着人们对信息安全的关注度越来越高，在标签中加入一些轻量级的无线通信加密功能是必不可少的，有些特殊领域(比如，贵重物品监管、银行和军事)可能还要求更加复杂的加密算法。但是，使用目前的传统的RFID标签结构来实现这些复杂的传感和加密功能，显然是很困难的，特别是无源标签的能量收集与管理电路，很难满足复杂的标签电路结构对功耗的要求。

现有的无源RFID标签技术大都使用固定的整流电路，这种已经固定的整流电路很难适应高的动态输入范围。无源RFID标签和读写器在不同的距离时，标签接收到的输入功率不同，固定的整流电路只能在一种输入功率下有很高的整流效率。现有的无源RFID标签技术在标签中使用一个电容给后续电路供电，这种电路结构只能在输入功率很高的情况下才能使得标签正常工作，换句话说，这种电路结构必须要输入功率大于负载消耗的功率和电路热耗散的功率，否则标签不会工作。在某些特殊的输入功率情况下，标签只能断断续续工作(刚能满足后续电路开启电压时，就为后续电路供电，然而输入能量不能弥补消耗的能量，这是标签就不会正常工作，这时候收集的能量又开始增加，输入能量又能满足后续电路工作，如此重复工作和不工作)，因此标签必须要有足够的输入能量才能正常工作，这就限制了标签和读写器的工作距离。

RFID标签的能量收集电路大都采用一个电容来存储能量，当能量满足后续电路工作时，后续电路就开始工作，然而，在物联网的应用中，单个标签需要实现多种传感功能，或者需要实现复杂的数据处理和通信协议，将消耗较高的能量，因此采用电容电压达到后续工作电压要求就放电的结构，很难满足复杂的物联网应用需要。

现有技术的缺点是：固定的电路结构，导致整流电路效率低，输入功率动态范围小；能量管理电路采用单电容时，在特殊的情况下导致标签工作不正常，并且限制了标签和读写器的工作距离，使标签不能达到较高的能量灵敏度；单电容充放电的电路结构，无法满足物联网对多功能标签的应用需求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种用于无源标签的级数可调的倍压整流和能量管理电路，采用本发明的电路既能增加标签输入功率的动态范围，也能最大限度的提高能量收集电路的转换效率。

本发明采用的技术方案为：一种用于无源标签的级数可调的倍压整流和能量管理电路，包括多级倍压整流电路，能量管理电路、MCU、LDO以及传感器模块，所述多级倍压整流电路中在最高一级倍压整流电路的输入和输出各添加一个SWnp开关，该开关为低电平导通开关，剩下各级倍压整流电路的输入和输出添加一个互补开关，所述多级倍压整流电路每一级倍压整流电路的输入由MCU控制，所述多级倍压整流电路每一级倍压整流电路的输出接能量管理电路的输入，能量管理电路至少包括并联的电容C0与电容C1，所述电容C0用于给MCU与传感器模块供电，电容C1用于控制C0开始放电的时间。

所述能量管理电路还包括：第一电阻R0、第二电阻R1、第三电阻R2、第四电阻R3、第一二极管D0、第二二极管D1、第一NMOS管N0、第二NMOS管N1、第一PMOS管P0、第二PMOS管P1；所述多级倍压整流电路的输出依次通过第一电阻R1、第二二极管D1、电容C1后接地，所述多级倍压整流电路的输出还经第一电阻R0、第一二极管D0、电容C0后接地；

第一二极管D0的输出端接第一PMOS管P0的源极，第二二极管D1的输出端接第一PMOS管P0的栅极，第一PMOS管P0的漏极接第二PMOS管P1的栅极，第一PMOS管P0的源极接第二PMOS管P1的源极，第二PMOS管P1的漏极连接LDO，

第二二极管D1的输出端还接第一NMOS管N0的栅极，第一NMOS管N0的漏极与第一PMOS管P0的漏极相连，第一NMOS管N0的源极通过第三电阻R3接地；

第二二极管D1的输出端还接第二NMOS管N1的漏极，第二NMOS管N1的源极通过第二电阻R2接地，第二NMOS管N1的栅极接MCU。

初始时最高一级倍压整流电路(即如图2所示的第n级倍压整流电路)的输入和输出连接的低电平导通开关处于导通状态，剩下各级倍压整流电路(即如图2所示的0到n-1级)输入连接的开关处于导通状态，与剩下各级倍压整流电路输出连接的开关处于断开状态。

当MCU根据需要开启的负载计算所需电压和功耗，然后控制相应的倍压整流电路输入端开关闭合，输出端开关断开；其他未被选择的倍压整流电路输入端开关断开，输出端开关闭合。

本发明的有益效果：本发明通过级数可调的倍压整流电路和双电容能量管理电路实现无源RFID标签的能量收集与管理，能够增加标签的工作性能、增加标签接收功率的输入范围、提高标签和读写器的工作距离和提供更高的输出功率。本发明可以为物联网中RFID标签的多功能应用、远距离通信和“大功耗”设备提供充足的能量。本发明可以扩展RFID在物联网中的应用，特别是无线传感网络，既能提供传感器工作需要的能量，同时，也能为无线传感网络的通信安全或者组网等功能提供一种可行的能量供应方式。本发明具备以下优点：

1、本发明提出的使用MCU根据应用的需要来选择整流电路级联级数；

2、本发明提出的用双电容能量管理电路解决无源RFID标签断断续续工作、提高无源RFID标签工作距离和实现大输出电压或连续工作的功能；

3、本发明提出的通过级数可调的倍压整流电路、双电容能量管理电路来实现无源RFID标签的能量收集和管理电路的架构。

附图说明

图1为添加本发明倍压整流和能量管理电路的无源RFID标签结构；

图2为本发明的级数可调的倍压整流电路与能量管理电路；

图3为本发明的双电容能量管理电路工作原理；

图4为本发明的标签的MCU控制流程。

具体实施方式

针对现有无源RFID标签存在的上述问题，本发明提出采用级数可调的倍压整流电路和双电容能量管理电路来实现无源RFID标签中的能量收集与管理，其在标签中的位置如图1所示。

本发明提出级数可调的倍压整流电路和能量管理电路如图1中所示。图1中的MCU(微控制单元，Microprogrammed Control Unit)用来解析读写器发出的命令和根据命令控制级数可调倍压整流电路的工作状态。匹配电路实现阻抗的匹配，达到最大功率接收的目的。检波电路实现信号的包络检波，从而将有用信号从载波解调出来。比较器实现有用信号的电平转换，使其能达到MCU识别的电平。调制电路使用反向散射的通信机制来降低标签返回信号需要的能量(采用反向散射消耗的能量比采用直接发射信号消耗的能量少很多)。

本发明的级数可调的倍压整流电路和能量管理电路实现方式如下：

在传统的无源RFID标签电路中，倍压整流电路的级数一般都是固定的，标签针对某个单独的功能将整流电路调整到最佳状态，因此，整流电路的输出电压将随着标签的输入功率而变化，在较低输入功率情况下，整流电路输出电压就低，导致标签工作不正常或直接导致标签不工作。然而基于物联网的无源RFID标签，需要实现多种功能，才能使得无源RFID标签得到更广泛的应用。针对物联网RFID标签的各种应用，我们提出采用图2所示的倍压整流电路和能量管理电路来实现满足多种功能的物联网RFID标签。

所述级数可调的倍压整流电路结构如图2所示。通过在最高一级添加两个SWnp开关(低电平导通)，其他0到n-1级倍压整流电路的输入和输出添加一个互补开关，就能够既屏蔽后级电路也能够将该级电路输出直接连接到整流电路的输出端，即图2中显示的Vrec，从而实现级数可控的倍压整流电路。多功能物联网RFID标签可能存在不同的负载，读写器发送选择命令使得标签选择特定的功能，不同的功能需要的功率不尽相同。如果使用一种固定的整流电路结构，在标签实现不同功能时，该固定的整流电路输出电压可能较低，并且不能满足工作要求，必须以减小标签和读写器的工作距离来换取更高的输入功率。针对这一问题，本发明通过不同的应用，选择不同的倍压整流电路级联级数，在需要高的整流输出电压时，选择更多的级数。虽然级数越多，整流效率越低，然而却能够满足低输入功率时，标签也能正常工作的要求，缺点是需要充电的时间变长。无线传感网络中，节点大都采用间歇性的工作模式，因此这种充电时间变长可以提前进行能量收集，大大增加标签和读写器的工作距离。在需要高的整流效率或者需要标签实时工作时，这时候读写器一般发送的功率较高，或者标签和读写器距离较近，因此，可以选择较少的整流级数，级数越少，射频能量经过的器件少，消耗也就越少，能提高整流电路的效率。同样的输入功率，级数越多，输出电压越高。然而，在大的输入功率情况下，一级倍压整流电路都可能满足输出电压的要求，可大大提高整流效率，实现实时通信的目的。因此，本发明提出的可调级数倍压整流电路能根据应用的需要，在一定的范围内提供合适的整流输出电压。

所述双电容结构的能量管理电路如图2所示。在带有传感功能的无源RFID标签中，有的传感器需要的功耗较高，并且需要标签先做一些信号处理来降低原始噪声，因此标签需要更多的能量，才能满足这类工作的需要。双电容结构的能量管理电路，其电容C0用来存储能量，C1用来控制C0给MCU和传感器模块供电，这个过程是自动完成的，不需要MCU控制。我们通过调整C0和C1的大小来调整电容的充电时间，必要的时候可以通过调整R1的大小，来使得C1刚刚达到0.8V左右时，C0已经充满，能为后级电路提供足够的能量(根据电容的充电时间常数τ＝RC计算具体的参数值)。假如没有C1来起控制作用，那么C0刚刚达到LDO的输入电压时，C0就开始给后级电路供电，这样容易因为C0中能量不足导致标签工作不正常。在低输入功率的情况下，无法满足高功率输出的要求。我们考虑使用智能的能量管理电路，在收集的能量没有达到足够多的情况，就不使能输出。这种工作模式能够解决，在低输入的情况下，负载不能工作，或者负载断断续续工作的问题。针对双电容管理电路提供如图3的仿真波形，便于进一步说明其工作原理，其中R0、R1、R2的电阻值分别为20欧姆、2000欧姆、2000欧姆，C0、C1的电容值分别为2uf、200nf。V_main是C0的电压，V_ctrl是C1的电压，V_out是能量管理电路的输出电压，从图3中可以看出，在V_out变成高电平时(在0.4秒以后变成高电平)，V_main早已经充电完成(充电时间为0.2～0.3秒之间)，因此能够保证V_main有足够的能量提供给后续电路。

因此，本发明提出的级数可调倍压整流电路和双电容能量管理电路相结合，既能满足宽的输入功率动态范围，又能为大负载提供稳定的工作电压。

本发明的MCU控制流程如图4所示，具体为：

本发明提出的级数可调倍压整流电路由MCU控制(可以是任意的主控制器DSP、ARM、FPGA等来实现，只是这些芯片功耗较高，不适合低功耗应用，但不代表我们提出的级数可调倍压整流电路不能结合这些芯片来工作)，在初始状态，倍压整流电路的每一级都工作，也就是图2中的SW0p、SW1p…SWnp都是导通状态(SW0、SW1…SWn-1都断开状态)，因此整流效率不高，但能满足最小的输入功率的情况下，也能输出足够的电压，这样可以使得MCU开始工作。并且，MCU一般都是低功耗的器件，因此即使初始情况整流效率不高，只需要收集很少的能量，也能使得MCU开始工作。在MCU开始工作时，MCU可以通过调制电路向上位机发送可以开始工作的信号(这个可以自定义)。上位机接收到MCU的反向调制信号后，开始发送命令给MCU(携带工作信息)，MCU确定需要开启哪些负载，并确定需要的电压和功耗等，然后MCU可以控制倍压整流电路的工作级数。如果负载需要的电压低，并且要求实时通信(比如通用的RFID标签，其工作时的功耗很低，并且标签解析读写器的命令后，需要在规定的时间内返回信号)，则MCU控制倍压整流电路采用较低的级数，这样整流效率高，可以在合适的输入功率下，满足MCU和负载的实时工作要求；如果负载需求的电压高，并且不需要实时通信(比如基于RFID技术的无线传感网络节点，节点中带有传感器及信号调理电路，比传统的RFID标签功耗高很多，并且传感信息可以间隔很长的时间采集一次，而且可以根据具体的传感器定义不同的响应时间)，则MCU可以增加倍压整流电路的级数；其他情况可以根据具体的应用在MCU中做好状态切换，即MCU可以根据具体负载所需电压大小选择相应级数的倍压整流电路。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种用于无源标签的级数可调的倍压整流和能量管理电路，其特征在于，包括多级倍压整流电路，能量管理电路、MCU、LDO以及传感器模块，所述多级倍压整流电路的最高一级倍压整流电路的输入和输出各添加一个低电平导通开关，剩下的各级倍压整流电路的输入和输出添加一个互补开关，所述多级倍压整流电路每一级倍压整流电路的输入由MCU控制，所述多级倍压整流电路每一级倍压整流电路的输出接能量管理电路的输入，能量管理电路为MCU与传感器模块供电。

2.根据权利要求1所述的一种用于无源标签的级数可调的倍压整流和能量管理电路，其特征在于，能量管理电路至少包括并联的电容C0与电容C1，所述电容C0用于给MCU与传感器模块供电，电容C1用于控制C0的开始放电的时间。

3.根据权利要求2所述的一种用于无源标签的级数可调的倍压整流和能量管理电路，其特征在于，所述能量管理电路还包括：第一电阻R0、第二电阻R1、第三电阻R2、第四电阻R3、第一二极管D0、第二二极管D1、第一NMOS管N0、第二NMOS管N1、第一PMOS管P0、第二PMOS管P1；所述多级倍压整流电路的输出依次通过第二电阻R1、第二二极管D1、电容C1后接地，所述多级倍压整流电路的输出还经第一电阻R0、第一二极管D0、电容C0后接地；

第一二极管D0的输出端接第一PMOS管P0的源极，第二二极管D1的输出端接第一PMOS管P0的栅极，第一PMOS管P0的漏极接第二PMOS管P1的栅极，第一PMOS管P0的源极接第二PMOS管P1的源极，第二PMOS管P1的漏极连接LDO，

第二二极管D1的输出端还接第一NMOS管N0的栅极，第一NMOS管N0的漏极与第一PMOS管P0的漏极相连，第一NMOS管N0的源极通过第三电阻R3接地；

第二二极管D1的输出端还接第二NMOS管N1的漏极，第二NMOS管N1的源极通过第二电阻R2接地，第二NMOS管N1的栅极接MCU。

4.根据权利要求2所述的一种用于无源标签的级数可调的倍压整流和能量管理电路，其特征在于，初始时最高一级倍压整流电路的输入和输出连接的低电平导通开关处于导通状态，最高一级倍压整流电路以外的各级倍压整流电路输入连接的开关处于导通状态，最高一级倍压整流电路以外的各级倍压整流电路输出连接的开关处于断开状态。

5.根据权利要求4所述的一种用于无源标签的级数可调的倍压整流和能量管理电路，其特征在于，MCU根据负载计算得到所需电压和功耗，然后控制相应的倍压整流电路输入端开关闭合，输出端开关断开；其他未被选择的倍压整流电路输入端开关断开，输出端开关闭合。

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