DE102005028396A1

DE102005028396A1 - Transpondervorrichtung

Info

Publication number: DE102005028396A1
Application number: DE102005028396A
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Ganz
Original assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Current assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority date: 2005-04-29
Filing date: 2005-06-20
Publication date: 2006-11-02
Anticipated expiration: 2025-06-21
Also published as: KR100928612B1; WO2006117373A1; EP1877962B1; US20070013524A1; EP1877962A1; DE102005028396B4; CN101213566A; US7518512B2; KR20080015815A; DE602006007978D1

Abstract

Die erfindungsgemäße Transpondervorrichtung umfasst einen integrierten CMOS-Schaltkreis mit einem Halbleitersubstrat. Eine erste Gleichrichterdiode wird durch die Substratdiode des CMOS-Schaltkreises gebildet. Die Kanäle einer ersten MOS-Transistor-Struktur und einer zweiten MOS-Transistor-Struktur sind in Reihe geschaltet, so dass sie als zweite Gleichrichterdiode wirken, wobei die Kathode der ersten Gleichrichterdiode mit der Anode der zweiten Gleichrichterdiode verbunden ist, wobei die erste MOS-Transistor-Struktur und die zweite MOS-Transistor-Struktur so voneinander entfernt angeordnet sind, dass ein Abstand zwischen den beiden MOS-Transistor-Strukturen so groß ist, dass eine durch die erste und die zweite MOS-Struktur innerhalb des Substrats gebildete parasitäre NPN-Struktur eine vernachlässigbare Stromverstärkung aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Transpondervorrichtung, insbesondere mit einem LC-Oszillatorkreis, einem Energiespeicherkondensator und einer integrierten Transponderschaltung, die mit Energie aus dem Speicherkondensator gespeist wird.

Die Energie für den Betrieb eines derartigen Transponders im Empfangs- und Sendemodus wird von einem Interrogatorsender durch Gleichrichtung eines empfangenen RF-Abfragesignals erhalten. Die Energie wird in einem Ladekondensator gespeichert. In einer HDX (Halb-Duplex) integrierten CMOS-Transponderschaltung wird die inhärente Substratdiode (gebildet durch einen beliebigen der mit dem RF-Anschluss der Antenne verbundenen n-Diffusionsbereiche in Verbindung mit einem P-Halbleitersubstrat) als Gleichrichterdiode verwendet. Mit einer solchen Gleichrichterdiode wird lediglich die negative Halbwelle des empfangenen RF-Signals verwendet, und die sich ergebende, in dem Ladekondensator gespeicherte, DC-Spannung wird auf die Spitzenspannung des RF-Signals begrenzt.

Für Anwendungen, die eine relativ große Reichweite des Senders des Transponders benötigen, ist eine höhere Versorgungsspannung erforderlich als mit einem Einweggleichrichter erreicht werden kann. Mit einem Doppelweggleichrichter wäre eine Spannung erhältlich, die doppelt so groß wie die mit einem Einweggleichrichter erhältliche Spannung ist.

Ein Doppelweggleichrichter würde zusätzlich zu der bestehenden Substratdiode eine zweite Gleichrichterdiode erfordern. Die Integration einer zusätzlichen Diode innerhalb des Substrats würde ein Doppelwannenverfahren mit einem isolierten P-dotierten Wannenbereich erfordern. Verfügbare CMOS- Prozesse für die Billigfertigung von Transpondervorrichtungen weisen diese Option nicht auf. Auch ist ein Hochspannungs-PMOS-Transistor, der als Diode verbunden werden könnte, mit dieser Technologie nicht verfügbar.

Eine zweite Gleichrichterdiode könnte durch einen über Dioden verbundenen NMOS-Transistor gebildet werden. Die benötigten N-Diffusionen bilden jedoch zusammen mit dem P-Substrat unvermeidlich eine parasitäre NPN-Struktur, die sich als bipolarer Transistor verhält. Die parasitäre NPN-Struktur zerstört die Umkehrspannung der durch den NMOS-Transistor gebildeten Gleichrichterdiode während der negativen Halbwelle, wenn die Substratdiode durchlässig ist.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Transpondervorrichtung bereit, bei der eine über Dioden verbundene NMOS-Transistor-Anordnung als zweite Gleichrichterdiode verwendet wird, und der Effekt der parasitären NPN-Struktur vernachlässigbar ist. Die erfindungsgemäße Transpondervorrichtung umasst einen integrierten CMOS-Schaltkreis mit einem Halbleitersubstrat. Eine erste Gleichrichterdiode wird durch die Substratdiode des CMOS-Schaltkreises gebildet. Die Kanäle einer ersten MOS-Transistor-Struktur und einer zweiten MOS-Transistor-Struktur sind in Reihe geschaltet, so dass sie als zweite Gleichrichterdiode wirken, wobei die Kathode der ersten Gleichrichterdiode mit der Anode der zweiten Gleichrichterdiode verbunden ist, wobei die erste MOS-Transistor-Struktur und die zweite MOS-Transistor-Struktur so voneinander entfernt angeordnet sind, dass ein Abstand zwischen den beiden MOS-Transistor-Strukturen so groß ist, dass eine durch die erste und die zweite MOS-Struktur innerhalb des Substrats gebildete parasitäre NPN-Struktur eine vernachlässigbare Stromverstärkung aufweist.

Die Aufteilung des für die Implementierung einer zweiten Gleichrichterdiode benötigten NMOS-Transistors in separate, in Reihe geschaltete NMOS-Transistor-Strukturen und die Platzierung der separaten NMOS-Strukturen mit einem großen Abstand voneinander innerhalb des Substrats ergibt eine parasitäre NPN-Struktur mit einer so großen Basisbreite, und folglich einer niedrigen Stromverstärkung, dass der parasitäre Effekt vernachlässigbar wird.

Eine weitere Ausführungsform ist es, einen Abstand zwischen den beiden MOS-Transistor-Strukturen vorzusehen, der größer als 100 μm ist.

Eine andere Ausführungsform stellt das Substrat mit P-leitender Leitfähigkeit dar. Optional ist jeder der ersten und zweiten MOS-Transistor-Strukturen ein NMOS-Transistor.

Eine weitere Ausführungsform zeigt den Transponder, ferner umfassend einen ersten Anschluss, der mit der Kathode der ersten Gleichrichterdiode und der Anode der zweiten Gleichrichterdiode verbunden ist. Ein zweiter Anschluss ist mit der Anode der ersten Gleichrichterdiode verbunden, ein dritter Anschluss ist mit der Kathode der zweiten Gleichrichterdiode verbunden.

Außerdem kann der Transponder einen LC-Resonanzkreis umfassen, der zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss in Reihe mit einem ersten Ladekondensator geschaltet ist.

In einer weiteren Ausführungsform ist ein zweiter Ladekondensator über den dritten Anschluss und den zweiten Anschluss angeschlossen.

Die erste Gleichrichterdiode und die zweite Gleichrichterdiode können jeweils als Einweggleichrichter verwendet werden.

Eine weitere Ausführungsform stellt die Transpondervorrichtung als Teil einer Transponderanwendung bereit.

In noch einer weiteren Ausführungsform wird die Transpondervorrichtung in einem Fahrzeug-Reifendruck-Überwachungssystem verwendet.

Das Ziel der Erfindung wird auch erreicht, indem ein Fahrzeug-Reifendruck-Überwachungssystem, das die vorgeschlagene Transpondervorrichtung für jeden zu überwachenden Reifen umfasst, bereitgestellt wird, wobei die Transpondervorrichtung einen integrierten RF-Sender aufweist und physisch mit dem zu überwachenden Rad/Reifen verbunden ist. Außerdem wird ein Drucksensor für jeden zu überwachenden Reifen bereitgestellt und mit Schaltungen in einer entsprechenden Transpondervorrichtung verbunden. Ferner umfasst das Fahrzeug-Reifendruck-Überwachungssystem eine Interrogatoreinheit, die mit jeder Transpondervorrichtung verbunden und physisch an einem Fahrzeug in der Nähe eines Rads, auf dem ein zu überwachender Reifen montiert ist. angebracht ist. Es wird auch ein zentraler RF-Empfänger für alle Transpondervorrichtungen bereitgestellt, bei dem jede Transpondervorrichtung induktiv mit einer zugehörigen Interrogatoreinheit gekoppelt ist und ein Akkumulationselement für elektrische Ladung enthält, das dafür eingerichtet ist, mit Energie geladen zu werden, die induktiv von der zugehörigen Interrogatoreinheit in einer ersten Betriebsart bereitgestellt wird. Das Ladungsakkumulationselement stellt eine Stromversorgung für den RF-Sender der Transpondervorrichtung in einer zweiten Betriebsart bereit.

Die Funktion der Interrogatoreinheiten besteht darin, sequentiell in der ersten Betriebsart die zugehörigen Transpondervorrichtungen mit Energie zu versorgen, und es der Transpondervorrichtung in der zweiten Betriebsart zu gestatten, den RF-Sender so zu betreiben, dass er Daten von der Transpondervorrichtung an den zentralen RF-Empfänger in dem Fahrzeug überträgt. Die Verarbeitung der Daten kann in einer entsprechenden, mit einem zentralen Empfänger verbundenen Steuereinheit stattfinden. Somit benötigen die Interrogatoreinheiten weder Datenverarbeitungsfähigkeiten noch müssen sie für die Datenübertragung verdrahtet sein. Deshalb erreicht man die offensichtlichen Vorteile eines batterielosen Konzepts nicht auf Kosten von Datenverarbeitungsfähigkeiten in den Interrogatoren und auf Kosten einer komplizierten Verdrahtung.

Eine bevorzugte Ausführungsform schlägt einen Kondensator als Akkumulationselement für elektrische Energie vor.

Eine andere Ausführungsform stellt den zentralen, in dem Fahrzeug zu installierenden RF-Empfänger als Teil eines Fernsteuersystems und verbunden mit einer Fernsteuereinheit bereit, die mit zusätzlicher Funktionalität zur Verarbeitung von Daten, die von der Transpondervorrichtung empfangen werden, und zur Ansteuerung einer Anzeigevorrichtung in dem Fahrzeug, ausgestattet ist.

In einer weiteren Ausführungsform sind die Interrogatoreinheiten mit der Fernsteuereinheit verbunden und werden von dieser gesteuert.

Ferner kann es sich bei dem Fernsteuersystem um ein schlüsselloses Fernzugangssystem handeln.

Eine weitere Ausführungsform besteht darin, dass die Interrogatoreinheiten in entsprechenden Radkästen des Fahrzeugs angebracht sind. Die Ladungsakkumulationselemente, insbesondere Kondensatoren, werden während der Drehung von entsprechenden Rädern geladen.

Außerdem können die Interrogatoreinheiten auf einem Einsatz aus Kunststoff angebracht sein und eine Antenne enthalten, die sich entlang einem großen Teil der peripheren Ausdehnung des Einsatzes in Bezug auf die Fahrzeugrotation erstreckt.

Es ist auch eine Ausführungsform, dass die von den Interrogatoreinheiten an die Transpondervorrichtungen übertragene Energie eine elektromagnetische Welle mit einer Trägerfrequenz in dem LF-Bereich ist.

Ferner kann der Kondensator vorzugsweise eine Kapazität in dem Bereich von mehreren μF bis zu mehreren Dutzend μF aufweisen.

Ausführungsformen der Erfindung werden mit Blick auf die folgenden Figuren gezeigt und erläutert.
1 zeigt einen Einweggleichrichtungsschaltkreis mit einer Substratdiode;
2 zeigt eine Eingangsspannung und eine Ausgangsspannung V_CL gemäß dem Schaltkreis aus 1;
3 zeigt die Eingangsspannung und die geladenen Ausgangsspannungen VCL und VCF während der Ladephase;
4 zeigt einen Stromlaufplan eines Gleichrichters und eines VCF-Schalters;
5 zeigt einen Stromlaufplan, umfassend zwei Dioden DS und DR, wobei die zweite Diode DR als eine MOS-Transistor-Struktur realisiert ist;
6 zeigt ein Substrat, umfassend die Dioden aus 5 und einen parasitären bipolaren Transistor;
7A zeigt zwei in Reihe geschaltete MOS-Transistor-Strukturen;
7B zeigt das entsprechende Diagramm aus 7A, umfassend eine MOS-Transistor-Struktur;
8 zeigt den Stromlaufplan gemäß 5, umfassend zwei MOS-Transistor-Strukturen, die als Diode DR arbeiten;
9 zeigt ein Substrat, umfassend die (funktionalen) Dioden aus 8 und den parasitären bipolaren Transistor;
10 zeigt ein Blockdiagramm eines Fahrzeug-Reifendruck-Überwachungssystems;
11 zeigt in einem Blockdiagramm den Teil des Überwachungssystem, der an einem Fahrzeugrad angebracht ist.
Ein nachstehend beschriebenes Szenario betrifft – ohne darauf beschränkt zu sein – eine Anwendung eines Transponders eines Reifendruck-Kontrollsystems (TPMS). Ein solcher TPMS-Transponder benötigt eine Versorgungsspannung in dem Bereich der Spitze-Spitze-Spannung des RF-Antennensignals, um eine hohe Amplitude des Antennensignals während der Uplink-(Antwort-)Phase zu erreichen.
1 zeigt einen Einweggleichrichter in einem integrierten CMOS-Transponder-Schaltkreis mit einer Substratdiode, die als Gleichrichterdiode verwendet wird. Ein LC-Resonanzkreis umfasst eine parallele Verbindung einer Induktivität L_RES und eine Kapazität C_RES. Eine Seite des LC-Resonanzkreises ist mit einem Anschluss RF verbunden, die andere Seite ist mit einem Anschluss VCL verbunden. Ein Ladekondensator C_L ist zwischen den Anschluss VCL und einen Masseanschluss GND geschaltet. Eine Substratdiode DS ist ferner so verbunden, dass die Kathode mit dem Anschluss RF verbunden ist, und die Anode mit dem Masseanschluss GND verbunden ist. Mit einer solchen Anordnung wird nur die negative Halbwelle eines empfangenen RF-Signals verwendet.
2 zeigt die Eingangsspannung während der Ladephase des Kondensators C_L und das Signal an Anschluss VCL während derselben Zeitspanne.
Die Einweggleichrichtung gemäß 1 wird während der negativen Halbwelle der Antennenspannung durch die Substratdiode DS von beliebigen N-Diffusionen, die mit Anschluss RF verbunden sind, durchgeführt. Deshalb bildet eine Versorgungsspannung den Mittelpunkt der Antennen-Sinuswelle. Dies gilt sowohl für die Downlink-(Empfangs-, Abfrage-)Phase als auch für die Uplink-(Sende-, Antwort-)Phase. Wenn das System in Halbduplexbetrieb arbeitet, muss der Sender während der Antwortphase stumm sein. Somit muss die Oszillation der Antennenspannung anhand des Identifizierungskennzeichens („Tag") mit Hilfe des sog. „Plucking" aufrecht erhalten bleiben. Die Plucking-Funktionalität erfordert es, dass sich die Versorgungsspannung in der Mitte der Antennenspannung befindet.
Für Anwendungen, wie Reifendruck-Kontroll-(Überwachungs-)Systeme würde beispielsweise eine erhöhte Versorgungsspannung die gewünschte erhöhte Reichweite während der Antwort-(Uplink-)Phase des Transponders ermöglichen. Die Halbduplex-Plucking-Funktionalität erfordert es, dass eine Spannung im Wesentlichen um die Mitte der Sinuswelle liegt. Während der Uplink-Phase würde dann eine doppelte Versorgungsspannung VCF (Spitze-Spitze-Spannung) auf die einzelne Versorgungsspannung VCL umgeschaltet werden, die von dem Einweggleichrichter erzeugt wird. Jetzt würde ein Plucking um die verdoppelte Versorgungsspannung VCF herum eine Amplitude der Antennenspannung ergeben, die im Wesentlichen das Doppelte der Spannung VCF beträgt (siehe
3, Eingangsspannung 301 während der Ladeperiode und Ausgangsspannung VCL und VCF).
Der entsprechende Schaltkreis ist gemeinsam mit einem VCF-Schalter in 4 gezeigt, die den LC-Resonanzkreis zusammen mit dem Kondensator C_L gemäß 1 umfasst. Wie in 1 gibt es die Anschlüsse RF, VCL und Masse GND zusammen mit der Substratdiode DS, deren Kathode mit dem Anschluss RF verbunden ist, und deren Anode mit dem Masseanschluss GND verbunden ist. In 4 ist der Anschluss VCL mit Schalter 402 verbunden, die andere Seite dieses Schalters 402 ist mit einem Anschluss VCF verbunden. Der Anschluss RF ist auch mit einer Anode einer Diode DR verbunden, deren Kathode mit einem Schalter 401 verbunden ist. Die andere Seite des Schalters 401 ist mit dem Anschluss VCF verbunden. Ein Kondensator C_CF ist zwischen den Anschluss VCF und Masse GND geschaltet.
Das Schließen des VCF-Schalters 401 verdoppelt die Versorgungsspannung VCF, die vorzugsweise während der Uplink-Phase der Transpondervorrichtung verwendet wird.
Die zweite Gleichrichterdiode DR kann als NMOS-Transistor implementiert sein.
Als Folge dieses Ansatzes wird unvermeidlich eine parasitäre bipolare NPN-Transistor-Struktur Q1 (siehe 6) erzeugt. Während der negativen Halbwelle wird das Potential an dem RF-Anschluss unter das Massepotential GND in Höhe von –0,7V (Spannungsabfall an der Diode DS) gedrückt. Die Gleichrichtung wird hier von der Diode DS ausgeführt, der parasitäre Transistor Q1 wird leitend, da die Diode DS die Basis-Emitter-Diode ist, die in Durchlassrichtung betrieben wird. Der Kollektor des parasitären Transistors Q1 befindet sich an dem Anschluss VCF, der auf einen hohen Pegel von bis zu 6V geladen wird. Somit fließt Ladung von dem Anschluss VCF zurück zu dem Anschluss RF, wodurch die Spannung an dem Anschluss VCF verringert wird. Deshalb zerstört die Verwendung der Substratdiode DS den Isolationseffekt der MOS-Diode DR.
5 zeigt einen entsprechenden Stromlaufplan einer Implementierung mit einem MOS-Transistor, wie beschrieben. Der Schaltkreis entspricht 4, aber die Diode DR ist durch einen MOS-Transistor implementiert. Außerdem wird der parasitäre NPN-Transistor Q1 gezeigt.
Prinzipiell bestimmt die Transistorlänge die Basisbreite und somit die Stromverstärkung β des parasitären Transistors Q1. Deshalb kann der parasitäre Effekt des Transistors Q1 durch Verringerung seiner Stromverstärkung β minimiert werden. Dies kann durch Vergrößerung seiner Basis erreicht werden.
Dementsprechend ist die die Diode DR implementierende MOS-Transistor-Struktur in zwei MOS-Transistor-Strukturen DR1 und DR2 gemäß 7A aufgeteilt. Dies ermöglicht es, die effektive Basisbreite des parasitären NPN-Transistors Q1 zu vergrößern, indem die MOS-Transistor-Struktur DR1 und die MOS-Transistor-Struktur DR2 separat an voneinander entfernten Stellen auf dem Substrat platziert werden. Wenn, zum Beispiel, der Abstand zwischen den MOS-Transistor-Strukturen DR1 und DR2 1 mm beträgt, wird die Basisbreite des parasitären Transistors Q1 von 2,5 μm auf 1 mm vergrößert. Dies ergibt eine drastisch verringerte Stromverstärkung β. 7B zeigt ein entsprechendes Diagramm der beiden MOS-Transistor-Strukturen gemäß 7A. Da die MOS-Transistor-Strukturen DR1 und DR2 mit ihren Gates in Reihe geschaltet sind (in Reihe geschaltete Kanäle), entsprechen sowohl DR1 als auch DR2 bei Implementierung mit der doppelten Kanalbreite W der Diode DR.
8 zeigt einen Stromlaufplan, umfassend den Transponder-IC mit zwei separaten MOS-Transistor-Strukturen DR1 und DR2, wobei beide Gates der Strukturen miteinander und mit dem Drain der MOS-Transistor-Struktur DR1 verbunden sind, wobei die Source der MOS-Transistor-Struktur DR1 mit dem Drain der MOS-Transistor-Struktur DR1 und mit der Source der MOS-Transistor-Struktur DR2 verbunden ist, die ferner mit dem Kondensator C_CF an dem Anschluss VCF verbunden ist. Der parasitäre Transistor Q1 befindet sich zwischen dem Drain der MOS-Transistor-Struktur DR1 und der Source der MOS-Transistor-Struktur DR2.
Die beispielhaften Verhältnisse einer physikalischen Implementierung des Stromlaufplans aus 8 sind in 9 gezeigt. Die Figur zeigt ein Substrat und verschiedene Dotierungen, umfassend beide MOS-Transistor-Strukturen DR1 und DR2, die Diode DS und den parasitären Transistor Q1.
In 9 ist das Substrat P- dotiert, die Massediffusion ist P+ dotiert, die beiden MOS-Transistor-Strukturen sind NMOS-Transistor-Strukturen, wobei jede zwei N+ leitende Dotierungen umfasst. Die Source- und Drain-Anschlüsse befinden sich innerhalb jeder NMOS-Transistor-Struktur 2,5 μm voneinander entfernt. Die Trennung der MOS-Transistor-Struktur DR1 von der MOS-Transistor-Struktur DR2 mit einen Abstand von circa 1 mm führt zu einer Dimension der Basisbreite des parasitären Transistors Q1 derart, dass die Stromverstärkung β des parasitären Transistors Q1 drastisch verringert wird, und der nachteilige Effekt dieses Transistors Q1 vernachlässigbar ist.
Das Blockdiagramm aus 10 zeigt ein komplettes Überwachungssystem in einem Fahrzeug 1 mit zentralen Teilen innerhalb des Fahrzeugs. Fahrzeug 1 ist mit einem schlüssellosen Fernzugangssystem ausgestattet, von dem eine Steuereinheit 2 und ein zentraler RF-Empfänger 4 gezeigt sind. Steuereinheit 2 und RF-Empfänger 4 werden auch in dem Fahrzeug-Reifendruck-Überwachungssystem verwendet. Steuereinheit 2 empfängt ein Eingangssignal von dem zentralen RF-Empfänger 4. Steuereinheit 2 gibt Ausgangssignale an eine Anzeigevorrichtung 6 und an vier Interrogatoreinheiten 7, die in vier Radkästen 8, die den vier zu überwachenden Rädern 9 zugeordnet sind, angebracht sind.
Die Interrogatoreinheiten 7 sind vorzugsweise hinter einer Kunststoffschutzvorrichtung gegen Schmutz oder darin integriert oder auf einem Einsatz aus Kunststoff angebracht. In jedem Rad 9 befindet sich die Transpondervorrichtung 10, die physisch mit einem entsprechenden Reifen verbunden ist. Transpondervorrichtungen 10 sind vorzugsweise an der Felge eines Rads angebracht und können somit nach einem Reifenwechsel wieder verwendet werden. Jede Transpondervorrichtung 10 umfasst einen RF-Sender 12 mit einer zugeordneten Antenne und einem LF-Resonanzkreis 14, der mit einer entsprechenden Interrogatoreinheit 7 induktiv gekoppelt ist. Jeder Interrogator 7 ist mit der zentralen Steuereinheit 2 entweder über eine Zweidrahtverbindung oder über ein Bussystem verbunden. Die Interrogatoreinheiten 7 werden dafür verwendet, um die Transpondervorrichtungen 10 mit Energie zu versorgen, und sie können auch Befehle und Daten an die Transpondervorrichtungen senden. Dieses Reifendruck-Kontrollsystem ist ein sequentielles System. In einer ersten Betriebsart versorgen die Interrogatoreinheiten 7 die Transpondervorrichtungen über induktive Kopplung mit Energie, und in einer zweiten Betriebsart steuern die Interrogatoreinheiten 7 ihren RF-Sender 12, um Messdaten an den zentralen RF-Empfänger 4 zu übertragen.
Unter Bezugnahme auf 11 wird die Funktion der Transpondervorrichtungen ausführlicher erläutert. 11 zeigt eine Transpondervorrichtung 10 aus 10 detaillierter. Ein Block 18 mit gestrichelten Linien begrenzt den Teil der Transpondervorrichtung 10, der in einer integrierten Schaltung integriert ist. An diese integrierte Schaltung 18 sind der RF-Sender 12, der LF-Resonanzkreis 14, ein Ladeakkumulationskondensator 24 und ein Drucksensor 26 angeschlossen.
Der RF-Sender 12 ist mit einem Ausgangsanschluss gekoppelt. Der LF-Resonanzkreis 14, der durch eine Induktivitätsantenne 20 und eine Kapazität 22 gebildet wird, ist mit den LF-Eingangsanschlüssen der integrierten Schaltung 18 verbunden. Der Kondensator 24 ist mit Stromanschlüssen verbunden und wird geladen, um Energie für den RF-Sender 12 und den Messstromkreis bereitzustellen. Der Drucksensor 26, der den Reifendruck misst, ist mit analogen Eingangsanschlüssen verbunden.
Die integrierte Schaltung 18 enthält selbst Schaltkreise zur Verarbeitung der Messdaten, zur Erkennung einer Anforderung von den Interrogatoreinheiten 7 und zur Steuerung der Spannungsversorgung.
Die von dem Resonanzkreis 14 empfangene Energie wird in einem Gleichrichterblock 28 in der integrierten Schaltung 18, der mit dem Resonanzkreis 14 über die LF-Eingangsanschlüsse verbunden ist, gleichgerichtet. Der Gleichrichterblock 28 gibt eine gleichgerichtete Spannung an einen Spannungsregler 32 sowie an den externen Kondensator 24 über die Stromanschlüsse aus.
Es sollte klar sein, dass der Gleichrichterblock 28 ein wie oben beschriebener Doppelweggleichrichter ist, so dass Kondensator 24 auf die Spitze-Spitze-Spannung des an dem LF-Resonanzkreis 14 empfangenen RF-Signals geladen wird.
Versorgungsspannung von dem Kondensator 24 wird auch an einen Datenpuffer 34 und an einen weiteren Spannungsregler 36 geliefert. Der Gleichrichterblock 28 leitet das an seinem Eingang empfangene Signal auch an einen Ausgang weiter, der mit einem Eingang eines Demodulators 30 verbunden ist. Ein Hauptbestandteil der integrierten Schaltung 18 ist eine programmierbare Steuereinheit 38, die ihre Spannungsversorgung von dem Spannungsregler 32 empfängt. Die programmierbare Steuereinheit 38 steuert die Messung von Daten und verarbeitet die Messdaten. Der Demodulator 30 empfängt ein Abfragesignal von der Interrogatoreinheit 7 über den Gleichrichterblock 28. Nach der Demodulation gibt der Demodulator 30 ein Initialisierungssignal an die programmierbare Steuereinheit 38 aus. Die programmierbare Steuereinheit 38 hat einen Ausgang, der mit einem Eingang eines Analog/Digital-Wandlers 40 verbunden ist, der zwei andere Eingänge aufweist, die mit dem Drucksensor 26 über die analogen Eingangsanschlüsse verbunden sind. Ein Temperatursensor 42, der in der integrierten Schaltung 18 integriert ist, hat einen Ausgang, der mit einem weiteren Eingang eines Analog/Digital-Wandlers 40 verbunden ist. Der Analog/Digital-Wandler 40 gibt die umgewandelten Messdaten an einen Eingang der programmierbaren Steuereinheit 38 aus. Die programmierbare Steuereinheit 38 empfängt einen Takt über einen Taktanschluss 44. Über einen Freigabeanschluss 46 kann die programmierbare Steuereinheit 38 aktiviert werden. Dieser Freigabeanschluss ist auch mit dem Datenpuffer 34 verbunden. Programmdaten können in die programmierbare Steuereinheit 38 von einem Dateneingangsanschluss 48 über den Datenpuffer 34 geladen werden; ein EEPROM 50 wird auch bereitgestellt und mit der programmierbaren Steuereinheit 38 verbunden. Das EEPROM 50 und der Datenpuffer 34 werden dafür verwendet, um Programmdaten in die programmierbare Steuereinheit 38 zu laden und beispielsweise die Sensorkurve an den tatsächlich verwendeten Drucksensor anzupassen. Die programmierbare Steuereinheit 38 hat einen Ausgang, der mit einem Eingang eines Kodierers 52 verbunden ist. Nach Verarbeitung der Messdaten gibt die programmierbare Steuereinheit 38 die an den Kodierer 52 zu sendenden Daten aus. Der Kodierer 52 hat einen Ausgang, der mit einem Eingang eines RF-Senders 12 über eine Ausgangsklemme der integrierten Schaltung 18 verbunden ist. Der Kodierer 52 kodiert die Daten und gibt die kodierten Daten an den RF-Sender 12 aus. Der zu verwendende Code kann ein Manchester Code sein.
In einer ersten Betriebsart, die mehrere Sekunden dauern kann, wird der Kondensator 24 geladen. Die Interrogatoreinheit 7 enthält einen LF-Sender, der mit einer LF-Frequenz von 125 kHz oder 134,2 kHz arbeitet. Der LF-Sender sendet eine elektromagnetische Welle mit der LF-Frequenz. Resonanzkreis 14 wird auf diese LF-Frequenz abgestimmt und empfängt jedes Mal Energie, wenn die sich mit dem Rad drehende Transpondervorrichtung 10 die in Radkasten 8 angebrachte Interrogatoreinheit 7 passiert. Die von dem Resonanzkreis 14 empfangene und von dem Gleichrichter in Gleichrichterblock 28 gleichgerichtete Energie wird dann in dem Kondensator 24 gespeichert. Um einen effektiven Energietransfer zu ermöglichen, enthält jede Interrogatoreinheit 7 eine Antenne, die sich entlang einem großen Teil der peripheren Ausdehnung eines Einsatzes aus Kunststoff in Bezug auf die Fahrzeugrotation erstreckt. Der Kondensator 24 weist eine Kapazität in einem Bereich von mehreren μF bis mehreren Dutzend μF auf, um eine ausreichende Speicherung von Energie zu ermöglichen.
In einer zweiten Betriebsart sendet die Interrogatoreinheit 7 eine Anforderung für die Übertragung von Messdaten. Während dieser Betriebsart, die nur ein paar Millisekunden dauert, wird der RF-Sender 12 von dem Kondensator 24 mit Energie versorgt. Die Messanforderung wird von der Demodulatoreinheit 30 demoduliert und an die programmierbare Steuereinheit 38 ausgegeben. Die programmierbare Steuereinheit 38 gewinnt dann Temperatur- und Druckmessdaten von dem Analog/Digital-Wandler 40. Die erhaltenen Messdaten werden in der programmierbaren Steuereinheit 38 verarbeitet und an den Kodierer 52 gesendet. Der Kodierer 52 kodiert die empfangenen Daten und gibt sie über den Ausgangsanschluss an den RF-Sender 12 aus, der ein Antworttelegramm sendet. Unter Annahme einer Telegrammlänge von 64 Bit bei einer Bitrate von 9,6 kbit/s dauert die Übertragung der Messdaten an den zentralen Empfänger 4 lediglich einige Millisekunden. Nachdem das Antworttelegramm mit den Messdaten von dem RF-Sender 12 gesendet wurde, wird die zweite Betriebsart beendet, und die erste Betriebsart wird wieder aufgenommen.
Als Alternative dazu, dass der Interrogator 7 eine Anforderung an die Transpondervorrichtung 10 am Ende einer Ladeperiode sendet, kann die Transpondervorrichtung 10 eine volle Ladung des Kondensators 24 erkennen und in den Übertragungsmodus wechseln, wenn eine vorbestimmte Ladespannung erreicht ist.
Der LF-Sender in jedem Interrogator 7 kann kontinuierlich betrieben werden. Als eine weitere Alternative werden die LF-Sender diskontinuierlich betrieben, und der Abschluss jeder LF-Übertragungsperiode wird von den zugeordneten Transpondervorrichtungen erkannt, um ein automatisches Umschalten in die Datenübertragungsbetriebsart auszulösen.

Claims

Transpondervorrichtung, umfassend: – eine integrierte CMOS-Schaltung in einem Halbleitersubstrat; – eine erste Gleichrichterdiode (DS), gebildet durch die Substratdiode der CMOS-Schaltung; – eine erste MOS-Transistor-Struktur (DR1) und eine zweite MOS-Transistor-Struktur (DR2), deren Kanäle in Reihe geschaltet sind, so dass sie als eine zweite Gleichrichterdiode (DR) funktionieren, wobei die Kathode der ersten Gleichrichterdiode (DS) mit der Anode der zweiten Gleichrichterdiode (DR) verbunden ist; bei der die erste MOS-Transistor-Struktur und die zweite MOS-Transistor-Struktur so voneinander entfernt angeordnet sind, dass ein Abstand zwischen den beiden MOS-Transistor-Strukturen so groß ist, dass eine durch die erste und die zweite MOS-Struktur (DR1, DR2) innerhalb des Substrats gebildete parasitäre NPN-Struktur eine vernachlässigbare Stromverstärkung aufweist.
Transpondervorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Abstand zwischen den beiden MOS-Transistor-Strukturen mehr als 100 μm beträgt.
Transpondervorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Substrat eine P-leitende Leitfähigkeit aufweist.
Transpondervorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der es sich bei der ersten und bei der zweiten MOS-Transistor-Struktur jeweils um einen NMOS-Transistor handelt.
Transpondervorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: – einen ersten Anschluss (RF), der mit der Kathode der ersten Gleichrichterdiode (DS) und mit der Anode der zweiten Gleichrichterdiode (DR) verbunden ist; – einen zweiten Anschluss (GND), der mit der Anode der ersten Gleichrichterdiode (DS) verbunden ist; – einen dritten Anschluss (VCF), der mit der Kathode der zweiten Gleichrichterdiode (DR) verbunden ist.
Transpondervorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der ein LC-Resonanzkreis zwischen dem ersten Anschluss (RF) und dem zweiten Anschluss (GND) in Reihe mit einem ersten Ladekondensator (C_L) geschaltet ist.
Transpondervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 und 6, bei der ein zweiter Ladekondensator (C_CF) über den dritten Anschluss (VCF) und den zweiten Anschluss (GND) angeschlossen ist.
Transpondervorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die erste Gleichrichterdiode und die zweite Gleichrichterdiode jeweils als Einweggleichrichter verwendet werden.
Transpondervorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die auch Teil einer Transponderanwendung ist.
Transpondervorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die in einem Fahrzeug-Reifendruck-Überwachungssystem verwendet wird.
Fahrzeug-Reifendruck-Überwachungssystem, umfassend: – eine Transpondervorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 für jeden zu überwachenden Reifen, wobei die Transpondervorrichtung (10) einen integrierten RF-Sender (12) aufweist und physisch mit dem zu überwachenden Rad/Reifen verbunden ist, – einen Drucksensor (26) für jeden zu überwachenden Reifen, der mit Schaltungen in einer entsprechenden Transpondervorrichtung (10) verbunden ist, – eine Interrogatoreinheit (7), die mit jeder Transpondervorrichtung (10) verbunden und physisch an einem Fahrzeug (1) in der Nähe eines Rads (9), auf dem ein zu überwachender Reifen montiert ist, angebracht ist, und – einen zentralen RF-Empfänger (4) für alle Transpondervorrichtungen (10); – bei dem jede Transpondervorrichtung (10) induktiv mit einer zugehörigen Interrogatoreinheit (7) gekoppelt ist und ein Akkumulationselement für elektrische Ladung (24) enthält, das dafür eingerichtet ist, mit Energie geladen zu werden, die induktiv von der zugehörigen Interrogatoreinheit (7) in einer ersten Betriebsart bereitgestellt wird, und wobei das Ladungsakkumulationselement (24) eine Stromversorgung für den RF-Sender (12) der Transpondervorrichtung (10) in einer zweiten Betriebsart bereitstellt.
Überwachungssystem gemäß Anspruch 11, bei dem das Akkumulationselement für elektrische Ladung (24) ein Kondensator ist.
Überwachungssystem gemäß Anspruch 11 oder Anspruch 12, bei dem der zentrale RF-Empfänger (4) in dem Fahrzeug (1) als Teil eines Fernsteuersystems installiert und mit einer Fernsteuereinheit verbunden ist, die mit zusätzlicher Funktionalität zur Verarbeitung von Daten, die von den Transpondervorrichtungen (10) empfangen werden, und zur Ansteuerung einer Anzeigevorrichtung (6) in dem Fahrzeug (1), ausgestattet ist.
Überwachungssystem gemäß Anspruch 13, bei dem die Interrogatoreinheiten (7) ebenfalls mit der Fernsteuereinheit verbunden sind und von dieser gesteuert werden.
Überwachungssystem gemäß Anspruch 13 oder Anspruch 14, bei dem es sich bei dem Fernsteuersystem um ein schlüsselloses Fernzugangssystem handelt.
Überwachungssystem gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, bei dem die Interrogatoreinheiten (7) in entsprechenden Radkästen (8) des Fahrzeugs (1) angebracht sind, und die Ladungsakkumulationselemente (24) während der Drehung entsprechender Räder geladen werden.
Überwachungssystem gemäß Anspruch 16, bei dem die Interrogatoreinheiten (7) auf einem Einsatz aus Kunststoff angebracht sind und eine Antenne enthalten, die sich entlang einem großen Teil der peripheren Ausdehnung des Einsatzes in Bezug auf die Fahrzeugrotation erstreckt.
Überwachungssystem gemäß einem der Ansprüche 11 bis 17, bei dem die von den Interrogatoreinheiten (7) an die Transpondervorrichtungen (10) übertragene Energie eine elektromagnetische Welle mit einer Trägerfrequenz in dem LF-Bereich ist.
Überwachungssystem gemäß einem der Ansprüche 12 bis 18, bei dem der Kondensator (24) eine Kapazität in einem Bereich von mehreren μF bis mehreren Dutzend μF aufweist.