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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Versorgung einer Datenverarbeitungseinheit
mit Energie, insbesondere zum Einsatz in kontaktlosen Chipkarten.
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Passive,
kontaktlose Chipkarten finden aufgrund ihrer einfachen Handhabung
eine immer weitere Verbreitung. Sie tauschen über kapazitive, induktive oder
elektromagnetische Koppelung Daten mit Lesegeräten aus und werden dabei gleichzeitig
mit Energie versorgt. Mit zunehmender Leistungsfähigkeit der Chipkarten-Mikroprozessoren
erhöht
sich der Energiebedarf und damit auch die Anforderungen an deren
Energieversorgung.
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1 zeigt eine aus dem Stand
der Technik bekannte Anordnung zur Versorgung derartiger Chipkarten
mit Energie. Die Lesegerätantenne 21 des
Lesegeräts 20 erzeugt
ein elektromagnetisches Feld, welches in der Chipkartenantenne 1 eine
Spannung zwischen den Punkten RF1 und RF2 induziert. Durch Parallelschalten
eines Resonanzkondensators 2 zur Chipkartenantenne 1 kann
man die Resonanzfrequenz des so entstandenen Parallelschwingkreises auf
die Sendefrequenz des Lesegerätes 20 abstimmen.
Auf diese Weise erreicht die in der Chipkartenantenne 1 induzierte
Spannung ein Maximum. Diese Spannung wird anschließend einem
Gleichrichter 3 zugeführt
und gleichgerichtet. Über
einen Spannungsregler 4, zusammen mit einem Stützkondensator 5,
wird die gleichgerichtete Spannung VDD_RF auf den Wert der Betriebsspannung
VDD der Chiplast 6 geregelt.
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Für die Übertragung
von Daten vom Lesegerät 20 zur
Chipkarte setzt man bevorzugt Amplitudenmodulation ein. Bei einer
Chipkarte, die die ISO-Norm 14443 Typ A erfüllt, werden dazu die zu übertragenden
Daten mit Hilfe eines modifizierten Millercodes codiert. Anschließend werden
die codierten Daten zur Modulation der an der Lesegerätantenne 21 anliegenden
Spannung eingesetzt. Die Modulation erfolgt durch eine 100%ige Amplitudentastung (100%
ASK), bei der das Lesegerätfeld
für Zeitdauern
von ca. 3 μsec
abgeschaltet wird. Da Änderungen in
der Lesegerätfeldamplitude über die
Kopplung zwischen Lesegerätantenne 21 und
Chipkartenantenne 1 auch in der zwischen RF1 und RF2 induzierten Spannung
sichtbar sind, lassen sich auf diese Weise Daten vom Lesegerät 20 an
die Chipkarte übertragen.
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Für die Datenübertragung
in die andere Richtung, also von der Chipkarte zum Lesegerät 20, wird
das Prinzip der Lastmodulation eingesetzt. Dazu ändert man die Resonanzkreisgüte der Chipkarte durch
einen Modulator (in 1 nicht
gezeigt). Im wesentlichen wird dabei eine Spannung in der Chipkarte,
z.B. VDD_RF, niederohmig belastet. Über die Kopplung durch das
elektromagnetische Feld wirken sich die Änderungen im Resonanzkreis
der Chipkarte auch auf die Spannung an der Lesegerätantenne 21 aus.
Geschieht die Änderung
der Resonanzkreisgüte der
Chipkarte durch Daten, so lassen sich auf diese Weise auch Daten
von der Chipkarte zum Lesegerät 20 übertragen.
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Da
die Chipkarte durch das Feld des Lesegerätantenne 21 versorgt
wird, entstehen durch dessen Abschalten während der 100% Amplitudenmodulation
Lücken
in der Energieversorgung der Chipkarte. Dadurch und auch durch die
niederohmige Lastmodulation kann es passieren, dass die Spannung VDD_RF
unter ei nen zulässigen
Wert sinkt. Dies hat zur Folge, dass die Chiplast 6 nicht
mehr ausreichend mit Spannung versorgt wird und die durch die Lastmodulation
bewirkten Spannungsänderungen
zu gering ausfallen und nicht mehr im Lesegerät 20 detektiert werden
können.
Um dennoch eine ausreichende Betriebsspannung VDD für die Chiplast 6 garantieren
zu können,
sieht man einen zusätzlichen, durch
einen weiteren Gleichrichter 7 gespeisten Stützkondensator 8 vor,
welcher durch den Umschalter 9 bei Bedarf zugeschaltet
wird.
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Nachteilig
ist bei dieser aus dem Stand der Technik bekannten Lösung, dass
die Spannung VD_RF2 am Stützkondensator 8 großen Spannungsschwankungen
unterliegt. Die zwischen RF1 und RF2 und über den Gleichrichter 7 an
den Stützkondensator 8 weitergeleitete
Spannung ist nämlich
abhängig
von der elektromagnetischen Kopplung zwischen Chipkartenantenne 1 und
Lesegerätantenne 21.
Ist z.B. die Chipkarte weit vom Lesegerät 20 entfernt, so
wird eine kleinere Spannung induziert als wenn sich die Chipkarte
in unmittelbarer Nähe
des Lesegerätes 20 befindet.
Der Stützkondensator 8 muss
daher eine große
Spannungsfestigkeit aufweisen.
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Ein
weiterer Nachteil ist, dass der Stützkondensator 8 immer
sofort dann geladen wird, sobald Feldenergie vorhanden ist. Da der
Stützkondensator 8 direkt
hinter dem Gleichrichter 7 angeschlossen ist, lassen sich
weder der Zeitpunkt an dem der Stützkondensator 8 geladen
wird, noch dessen Ladestrom vorgegeben. Dies ist von besonderem
Nachteil, wenn der Stützkondensator 8 durch
eine längere Leistungsabgabe
ganz entladen ist. In solchen Fällen fließen besonders
am Anfang der Ladephase relativ große Ströme. Durch diese niederohmige
Belastung des Feldes bricht dieses zusammen und die vom Feld induzierte
Spannung kann nicht mehr aufrecht erhalten werden. Die Betriebsspannung
VDD sinkt unter eine Mindestspannung und eine Datenübertragung
zwischen Lesegerät 20 und
Chipkarte ist nicht mehr möglich.
Typischerweise wird in einem solchen Fall ein „Power down-Reset" in der Chipkarte
erzeugt. Um diesen zu vermeiden und eine ausreichende Spannungsversorgung
der Chiplast 6 sicherzustellen, wird der Stützkondensator 8 so
groß wie möglich dimensioniert.
Nachteilig ist dabei jedoch, dass der Chipflächenbedarf für den Stützkondensator 8 zunimmt.
Außerdem
kann es passieren, dass abhängig
von der Feldstärke
der zur Verfügung
stehende Spannungshub zu klein sein kann und nicht ausreicht, um
den groß dimensionierten
Stützkondensator 8 wieder
ganz zu laden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Versorgung einer
Datenverarbeitungseinheit mit Energie anzugeben, wobei die Energie
lückenlos
bereitgestellt wird und die notwendige Chipfläche minimiert ist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
eine Vorrichtung mit mindestens zwei Energiespeichern zur Versorgung
der Datenverarbeitungseinheit mit Energie angegeben wird, wobei
mindestens einer der Energiespeicher über eine Vorrichtung zum Anheben
des Potentials verfügt
und ein Verfahren zum Betreiben der Energieversorgungsvorrichtung
angegeben wird.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den untergeordneten
Ansprüchen.
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Gemäß einer
weiteren Ausbildung der Erfindung wird das Potential abhängig von
einer in der Vorrichtung vorhandenen Spannung angehoben. Dadurch
wird z.B. sichergestellt, dass das elektromagnetische Feld erst
dann zum Anheben des Potentials eingesetzt wird, wenn eine Mindestspannung
in der Vorrichtung vorhanden ist.
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Vorteilhafterweise
ist der Zeitpunkt an dem das Potential angehoben wird frei wählbar. Auf
dies Weise können
Energiespeicher zeitverzögert
zum optimalen Zeitpunkt geladen werden.
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Eine
vorteilhafte Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass die Rate mit
der das Potential angehoben wird frei wählbar ist. Dadurch lassen sich
die Belastungen des Feldes durch die Potentialanhebung an die vorhandene
Feldstärke
anpassen.
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Vorteilhafterweise
sind die Energiespeicher als Kondensatoren ausgeführt. Kondensatoren
lassen sich gut in CMOS-Technologie realisieren.
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Die
Potentiale der Energiespeicher werden vorteilhafterweise durch eine
Spannung beschrieben.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird das Potential durch eine Ladungspumpe angehoben.
Dies hat den Vorteil, dass die Spannung an dem als Energiespeicher
eingesetzten Kondensator frei bestimmbar ist.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, dass die Energie kontaktlos an die Datenverarbeitungseinheit übertragen
wird. Auf diese Weise lassen sich Probleme durch Verschmutzung von
Kontakten vermeiden und die Handhabung der Chipkarte vereinfacht
sich.
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Die
Energiespeicher werden vorteilhaft auf unterschiedlichen Potentialen
betrieben. Auf diese Weise lässt
sich die gespeicherte Energie maximieren und der Flächenbedarf
für die
Energiespeicher reduzieren.
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Vorteilhafterweise
können
die Energiespeicher die Datenverarbeitungseinheit getrennt oder
gemeinsam mit Energie versorgen. Damit wird erreicht, dass zumindest
einer der Energiespeicher die Datenverarbeitungseinheit mit Energie
versorgt.
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Die
Auswahl der Energiespeicher zur Versorgung der Datenverarbeitungseinheit
kann vorteilhaft abhängig
von einer in der Datenverarbeitungseinheit vorhandenen Spannung
geschehen. Dadurch wird sichergestellt, dass jeweils der geeignetste
Energiespeicher zur Versorgung der Datenverarbeitungseinheit benutzt
wird.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme
der Zeichnungen näher
erläutert.
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1 zeigt
eine aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung zur Energieversorgung
einer Datenverarbeitungseinheit.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Versorgung einer Datenverarbeitungseinheit mit Energie, wobei
gleiche Komponenten wie in 1 mit gleichen
Bezugszeichen versehen sind.
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In 2 ist
ein Lesegerät 20 gezeigt,
dessen Lesegerätantenne 21 über ein
elektromagnetisches Feld mit der Chipkartenantenne 1 verkoppelt
ist. Mit Hilfe eines Resonanzkondensators 2 entsteht ein
auf die Frequenz des Lesegerätesignals
abgestimmter Resonanzkreis. Die zwischen RF1 und RF2 induzierte
Spannung wird über
den Gleichrichter 3 einem Spannungsregler 4 zugeführt. Dessen
Ausgangsspannung VDD dient zum Speisen der Chiplast 6, des
Stützkondensators 5 und
einer Ladungspumpe 10. Die Ladungspumpe 10 erzeugt
eine Spannung VDD_CP, welche zum Aufladen des Stützkondensators 11 dient.
Dieser ist über
einen Spannungsregler 12 mit der Betriebsspannung VDD verbunden.
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Fällt die
Spannung VDD_CP am Stützkondensator 11 unter
einen bestimmten Wert und ist die Betriebsspannung VDD groß genug,
so fängt
die Ladungspumpe 10 an, den Stützkondensator 11 aufzuladen.
Sinkt dagegen die Betriebsspannung VDD aufgrund eines schwachen
Feldes unter einen vorgegebenen Wert, so hört die Ladungspumpe 10 auf, den
Stützkondensator 11 weiter
aufzuladen. Die Ladungspumpe 10 ist in diesem Ruhezustand
hochohmig. Die im Stützkondensator 11 gespeicherte
Ladung wird nun über
den Spannungsregler 12, welcher als NMOS-Transistor ausgebildet
sein kann, zur Versorgung der Chiplast 6 eingesetzt. Sobald
wieder ein stärkeres
Feld anliegt, und die Betriebsspannung VDD anfängt zu steigen, kann die Ladungspumpe 10 wieder
anfangen, den Kondensator 11 aufzuladen. Der Spannungsregler 12 wird
dabei wieder hochohmig. Der Energiebedarf aus dem Feld lässt sich
somit über
die Ladungspumpe 10 an das vorhandene Feld anpassen.
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Die
in einem Kondensator gespeicherte Ladung Q ergibt sich aus dem Produkt
der Kapazität
C des Kondensators und der Spannung U am Kondensator: Q = C·U. Um
die zur Verfügung
stehende Ladung Q zu erhöhen,
kann man also entweder die Kapazität C oder die Spannung U erhöhen. Im
allgemeinen ist man jedoch bestrebt, die Kapazität C des Kondensators möglichst
klein zu halten, um die dafür erforderliche
Chipfläche
zu minimieren. Um mehr Ladung Q zur Verfügung zu haben, muss man daher
die Spannung am Kondensator erhöhen.
Dies geschieht in dieser Erfindung durch eine Ladungspumpe 10. Typischerweise
ist die von der Ladungspumpe 10 erzeugte Spannung VDD_CP
mit ca. 7 Volt um den Faktor 3 bis 4 größer als
die Betriebsspan nung VDD mit 1,8 Volt. Der Stützkondensator 11 kann
daher 3 bis 4 mal kleiner ausfallen als der an
der Betriebsspannung VDD betriebene Stützkondensator 5 und dennoch
die gleiche Ladungsmenge speichern. Durch Einsatz einer Ladungspumpe 10 lässt sich
daher der für
den Stützkondensator 11 notwendige Chipflächenbedarf
vorteilhaft reduzieren.
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Durch
den Einsatz der Ladungspumpe 10 kann außerdem der Ladezeitpunkt gesteuert
werden. Es ist daher möglich,
den Stützkondensator 11 erst dann
wieder zu laden, wenn sich das elektrische Feld wieder aufgebaut
hat. Durch den frei wählbaren
Zeitpunkt zum Laden kann die Belastung des elektromagnetischen Feldes
durch den Ladestrom an einen weniger kritischen Zeitpunkt verschoben
werden.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die Ladungspumpe 10 der
Ladestrom begrenzt und geregelt werden kann. Die Belastung des Feldes
durch den Ladestrom kann abhängig
von einer internen Spannung, z.B. von der Betriebsspannung VDD,
erfolgen und auch auf einen maximal zulässigen Wert beschränkt werden.
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Durch
die Regelung der von der Ladungspumpe 10 erzeugten Spannung
VDD_CP ist es weiterhin möglich,
für den
Stützkondensator 11 einen Kondensator
mit geringerer Spannungsfestigkeit einzusetzen. Da aufgrund der
Regelung die Spannungsschwankungen am Stützkondensator 11 geringer ausfallen,
kann dieser vorteilhaft verkleinert werden.
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Die
vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden
Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke
der Beschränkung
der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen
und Modifika tionen möglich,
ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.
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- 1
- Chipkartenantenne
- 2
- Resonanzkondensator
- 3
- Gleichrichter
- 4
- Spannungsregler
- 5
- Stützkondensator
- 6
- Chiplast
- 7
- Gleichrichter
- 8
- Stützkondensator
- 9
- Umschalter
- 10
- Ladungspumpe
- 11
- Stützkondensator
- 12
- Spannungsregler
- 20
- Lesegerät
- 21
- Lesegerätantenne
- RF1
- Wechselspannung
- RF2
- Wechselspannung
- VDD
- Betriebsspannung
der Chiplast
- VDD_CP
- Ladungspumpenspannung
- VDD_RF
- gleichgerichtete
Spannung
- VDD_RF2
- Stützkondensatorspannung