DE10356259A1

DE10356259A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zum Vergrößern einer Funktionsreichweite bei einer aus einem elektromagnetischen Feld mit Energie versorgten Vorrichtung

Info

Publication number: DE10356259A1
Application number: DE10356259A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Friedrich; Dirk Ziebertz; Martin Fischer; Volkhard Flassnoecker
Original assignee: Atmel Germany GmbH
Current assignee: Atmel Corp
Priority date: 2003-12-03
Filing date: 2003-12-03
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2023-12-04
Also published as: US7436286B2; DE10356259B4; CN1627097B; US20050122651A1; CN1627097A

Abstract

Ein Verfahren zum Vergrößern einer Funktionsreichweite bei einer Vorrichtung, die aus einem elektromagnetischen Feld mit Energie versorgt wird, insbesondere einem Transponder oder einem Remote Sensor, wobei mittels eines Spannungswandlers eine zum Ausführen eines Funktonsablaufs benötigte Funktionsspannung aus einer Betriebsspannung der Vorrichtung generiert wird, zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens eine Eigenschaft der Funktionsspannung bestimmt und ein Ergebnis des Funktionsablaufs in Abhängigkeit von der bestimmten Eigenschaft der Funktionsspannung bestätigt oder verworfen wird. Auf diese Weise ist insbesondere eine Funktionsdauer, wie eine EEPROM-Programmierzeit, flexibel an die Versorgungssituation anpassbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Vergrößern einer Funktionsreichweite bei einer aus einem elektromagnetischen Feld mit Energie versorgten Vorrichtung, insbesondere bei Verwendung in einem Transponder oder einem Remote Sensor, mit einem Spannungswandler zum Generieren einer zum Ausführen eines Funktionsablaufs benötigten Funktionsspannung aus einer Betriebsspannung der Vorrichtung.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Vergrößern einer Funktionsreichweite bei einer Vorrichtung, die aus einem elektromagnetischen Feld mit Energie versorgt wird, insbesondere einem Transponder oder einem Remote Sensor, wobei mittels eines Spannungswandlers eine zum Ausführen eines Funktionsablaufs benötigte Funktionsspannung aus einer Betriebsspannung der Vorrichtung generiert wird.
Im Zuge von bei Radiofrequenzen arbeitenden Identifizierungsverfahren (RFID-Applikationen), insbesondere bei Vorrichtungen wie RFID-Transpondern, die die zu ihrem Betrieb benötigte Energie aus einem von einer Basisstation erzeugten elektromagnetischen Feld gewinnen und denen regelmäßig nur geringe elektrische Leistungen zur Verfügung stehen (passive Transponder), werden heutzutage immer größere Funktionsreichweiten gefordert. Unter dem Begriff "Funktionsreichweite" sei im Folgenden eine Entfernung der Vorrichtung von der Basisstation verstanden, in der die Vorrichtung in der Lage ist, eine gegenüber ihrer normalen Betriebsspannung deutlich erhöhte Funktionsspannung über eine ausreichend lange, zum Ausführen eines entsprechenden Funktionsablaufs benötigte Zeitspanne sicher zur Verfügung zu stellen. Bei einem solchen Funktionsablauf kann es sich beispielsweise um einen Programmiervorgang, d.h. Schreiben oder Lesen in einem geeigneten Speichermittel, wie einem EEPROM, oder – im Falle eines mit demselben Problem konfrontierten Remote Sensors – um die Durchführung eines Messvorgangs handeln. Beispielsweise liegen entsprechende Programmierspannungen bei üblichen EEPROMs bei etwa 12 bis 14 V, gegenüber normalen Betriebsspannungen im Bereich von 1 bis 3 V. Dabei müssen die Funktionsspannungen während einer Zeitdauer im Bereich von einigen Millisekunden anliegen, um den Funktionsablauf erfolgreich abschließen zu können.
Bei herkömmlichen, passiven Transpondern wird die Programmierspannung mit Hilfe mehrstufiger Spannungswandler oder -vervielfacher (charge pump) generiert. Man spricht hier von einem "Hochlaufen" der Spannung. Anschließend wird während einer vorbestimmten Zeit gewartet unter der Annahme, dass während dieser Zeit eine ausreichende Funktionsspannung vorgelegen hat, um den vorgesehenen Funktionsablauf ordnungsgemäß abzuschließen. Hierbei ist neben der Tatsache, dass keinerlei Überprüfung des Funktionsablaufs selbst bzw. dessen Ergebnis möglich ist insbesondere als nachteilig anzusehen, dass eine Funktionszeit, beispielsweise eine Programmierdauer, fest und unabhängig von der tatsächlich notwendigen Zeit vorgegeben ist.
Es sind weiterhin gattungsgemäße Vorrichtungen bekannt, bei denen zwecks Berücksichtigung sich ändernder Lastverhältnisse (z.B. verschobener bzw. verlängerter Spannungshochlauf aufgrund eines erhöhten Einschaltstroms und/oder aufgrund parasitärer Ströme in der Sättigungsphase) parallel zum Funktionszyklus die Betriebsspannung gemessen wird. Die so gewonnenen Messwerte werden mit einem Referenzwert verglichen, wobei positive Vergleichsergebnisse gezählt und nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit mit einem weiteren Referenzwert verglichen werden. Wird dieser unterschritten, so wird der Funktionsablauf als nicht erfolgreich bewertet. Bei derartigen Ansätzen ist vor allem als nachteilig anzusehen, dass es sich bei der Messung der Betriebsspannung nur um eine indirekte Messung der Funktionsspannung handelt, wobei lediglich ein Zusammenbruch der Betriebsspannung einen sicheren Anhaltspunkt hinsichtlich der Funktionsspannung liefert. Zudem handelt es sich um ein reines Steuerungskonzept, bei dem wiederum die Funktionszeit unabhängig von der tatsächlichen Hochlaufzeit bestimmt und nicht an konkrete Anforderungen, wie eine vergrößerte Programmierreichweite, anpassbar ist.
Speziell hinsichtlich der letztgenannten Anforderung ist bei bekannten Vorrichtungen weiterhin als nachteilig anzusehen, dass bei hochohmigen Energiequellen, beispielsweise wenn die Impedanz eines zum Erzeugen einer Gleichspannung aus der aus dem RF-Feld aufgenommen Wechselspannungsenergie zu groß ist, aufgrund eines erhöhten Einschaltstroms die Betriebsspannung einbricht, was zu einem Power-On-Reset (POR) führt, wodurch die Funktionsreichweite zusätzlich begrenzt wird. Denselben Effekt besitzen die herkömmlichen Spannungsvervielfacher, die eine Vielzahl von Transistor-Schaltmitteln aufweisen, was zu Verlusten durch die jeweiligen Dropspannungen führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art sicherer und flexibler einsetzbar zu machen, insbesondere mit Blick auf einen Vergrößerung der Funktionsreichweite.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass wenigstens eine Eigenschaft der Funktionsspannung bestimmt und ein Ergebnis des Funktionsablaufs in Abhängigkeit von der bestimmten Eigenschaft der Funktionsspannung bestätigt oder verworfen wird. Bei einer Schaltungs anordnung der eingangs genannten Art ist zur Lösung der Aufgabe vorgesehen, dass diese eine Bestimmungsschaltung zum Bestimmen wenigstens einer Eigenschaft der Funktionsspannung und eine Bewertungsschaltung zum Bestätigen oder Verwerfen eines Ergebnisses des Funktionsablaufs in Abhängigkeit von der bestimmten Eigenschaft der Funktionsspannung aufweist.

Erfindungsgemäß wird folglich das unflexible und fehleranfällige Steuerungskonzept vorbekannter Verfahren und Vorrichtungen durch ein Regelungskonzept in Form eines closed loop ersetzt, indem die für den Funktionsablauf maßgebliche Funktionsspannung direkt überwacht und das Überwachungsergebnis im Rahmen der Bestätigung oder des Verwerfens eines Ergebnisses des Funktionsablaufs in Abhängigkeit von der bestimmten Eigenschaft der Funktionsspannung regelungstechnisch, insbesondere zum Regeln der Funktionsdauer verwendet wird. Es ist somit möglich, im Rahmen größerer Reichweiten und damit regelmäßig einher gehenden Versorgungsschwierigkeiten die Funktionsdauer flexibel anzupassen, d.h. zu verlängern, während im Falle eines schnell abgeschlossenen Funktionsablaufs auch der umgekehrte Fall einer schnelle Beendigung desselben verbunden mit einer erneuten Verfügbarkeit der Vorrichtung möglich ist. Bei dem genannten Funktionsablauf handelt es sich vorzugsweise um einen Programmiervorgang, d.h. einen Schreib- und/oder Lesevorgang, insbesondere bei einem elektrisch löschbaren Speichermittel, wie einem EEPROM.

Vorteilhafter Weise ist in Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung vorgesehen, dass die Bestimmungsschaltung zum Vergleichen einer der Funktionsspannung direkt zuordenbaren Größe mit einem Referenzwert ausgebildet ist, wobei es sich zweckmäßig um einen Spannungswert der Funktionsspannung handelt. Entsprechend zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Verfahren vorteilhafter Weise dadurch aus, dass eine der Funktionsspannung direkt zuordenbare Größe mit einem Referenzwert verglichen wird.

Als einfaches und zuverlässiges Mittel zum Bestimmen des Spannungswerts kann die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung einen Spannungsteiler aufweisen, der in äußerst bevorzugter Weiterbildung ein kapazitiver Spannungsteiler ist, so dass ein Gleichstrom durch den Spannungsteiler entfällt.

Weiterhin kann eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in der Bestimmungsschaltung eine als Schwellwertschalter fungierende Vergleichseinrichtung (Komparator) aufweisen, wodurch eine einfache Vergleichsmöglichkeit der Funktionsspannung mit einem Referenzwert gegeben ist. Die Bewertungsschaltung weist zudem vorzugsweise ein erstes Zählermittel zum Bewerten eines Ausgangssignals der Bestimmungseinrichtung auf, das zum Ermitteln einer Anzahl von Zeitintervallen ausgebildet ist, während derer die Funktionsspannung eine zum Ausführen des Funktionsablaufs notwendige Eigenschaft besitzt. Somit wird durch das erste Zählermittel eine Zeit bestimmt, während derer die Funktionsspannung eine zum Ausführen des Funktionsablaufs notwendige Eigenschaft besitzt.

Zusätzlich kann die Bewertungsschaltung ein zweites Zählermittel zum Bestimmen einer Anzahl seit Generierung der Funktionsspannung vergangener Zeitintervalle aufweisen. Entsprechend wird durch das zweite Zählermittel eine seit Generierung der Funktionsspannung vergangene Zeit bestimmt.

Weiterhin kann die Bewertungsschaltung auf diese Weise zum Abbrechen und/oder Verwerfen des Funktionsablaufs bei Überschreiten einer vorbestimmten Anzahl an Zeitintervallen in dem zweiten Zählermittel ausgebildet sein, d.h. dass der Funktionsablauf abgebrochen und/oder verworfen wird, wenn die durch das zweite Zählermittel bestimmte Zeit einen vorbestimmten Wert überschreitet. Ungebührlich lange Funktionsdauern, beispielsweise beim Verlassen der zulässigen Reichweite, werden somit vermieden.

Darüber hinaus ist die Bewertungsschaltung in bevorzugter Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Be stätigen eines Ergebnisses des Funktionsablaufs bei Erreichen einer vorbestimmten Anzahl an Zeitintervallen in dem ersten Zählermittel ausgebildet ist, d.h. dass ein Ergebnis des Funktionsablaufs bestätigt wird, wenn die durch das erste Zählermittel bestimmte Zeit einen vorbestimmten Endwert erreicht. Auf diese Weise ist die Funktionsdauer auf ein tatsächlich benötigtes Maß begrenzbar. Dabei liegt die vorbestimmte Intervallanzahl des ersten Zählermittels unterhalb derjenigen des zweiten Zählermittels.

Um die bei herkömmlichen Schaltungsanordnungen auftretende POR-Problematik zu vermeiden, sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung vor, dass dem Spannungswandler eine Schaltungseinheit zum Begrenzen eines Einschaltstroms vorgeschaltet ist. Diese kann erfindungsgemäß einen MOSFET-Transistor oder wenigstens ein – ggf. umschaltbares – RC-Filterglied beinhalten, so dass die Hochlauf-Charakteristik der Funktionsspannung anforderungsspezifisch anpassbar ist. Eine entsprechende Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass ein Eingangsstrom des Spannungswandlers begrenzt wird, wobei die Begrenzung zeitlich geregelt angepasst erfolgen kann.

Zum Begrenzen von Verlustleistungen weist der Spannungswandler einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung weiterhin vorteilhafter Weise anstelle von Transistoren Schottky-Dioden als Schaltmittel auf.

Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
2 ein detailliertes Schaltbild einer Schaltungseinheit zum Begrenzen des Eingangsstroms bei einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gemäß der 1;
3a–d Darstellungen des zeitlichen Verlaufs eines Stromflusses beim Hochlaufen der Funktionsspannung in einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
4 ein detailliertes Schaltbild eines Spannungswandlers einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gemäß der 1;
5 ein detailliertes Schaltbild einer Bestimmungs- und Bewertungsschaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gemäß der 1; und
6 ein detailliertes Schaltbild von Zählermitteln einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gemäß der 1;
Die 1 zeigt anhand eines Blockschaltbilds eine schematische Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1. Diese ist vorzugsweise monolithisch integriert ausgebildet und zur Verwendung im einem (RF-)Transponder oder einem Remote Sensor bestimmt.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1 weist eine erste Schaltungseinheit 2 zum Begrenzen eines Eingangsstroms der Schaltungsanordnung 1 auf. Diese ist an eine Betriebsspannung V_DD angeschlossen, die im Rahmen der genannten Verwendung aus einem elektromagnetischen Wellenfeld mittels einer Empfangseinrichtung (Antenne; nicht gezeigt) extrahiert und mittels eines geeigneten Gleichrichters, wie einer Dioden-Gleichrichterbrücke (nicht gezeigt), konditioniert wird, was dem Fachmann geläufig ist. Die Schaltungseinheit 2 wird nachfolgend anhand der 2 näher erläutert.
An die Schaltungseinheit 2, die als Ausgangsspannung eine Spannung V_DD' liefert, ist gemäß der 1 eine Spannungswandler-Schaltung 3 angeschlossen, die nachfolgend noch anhand der 4 näher besprochen wird. Die Spannungswandler-Schaltung 3 besitzt zwei Signaleingänge 3.2, 3.3 für Steuersignale OSC_PROG bzw. NHVON. Sie ist zum Generieren einer Funktionsspannung V_PP ausgebildet, die deutlich höher liegt als die Betriebsspannung V_DD (typischerweise 12–14 V gegenüber beispielsweise 1,6 V) und die vorzugsweise als Programmierspannung dient, z.B. zum Beschreiben oder Löschen eines EEPROM (electronically erasable programmable read only memory; nicht gezeigt).
Zum Bestimmen und Bewerten der Funktionsspannung V_PP weist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1 weiterhin der Spannungswandler-Schaltung 3 nachgeschaltet eine kombinierte Bestimmungs- und Bewertungsschaltung 4 auf, die anhand der 5 und 6 weiter unten näher beschrieben wird. Neben einem ersten Signaleingang 4.1 für das Steuersignal NHVON weist die Bestimmungs- und Bewertungsschaltung 4 weitere Eingänge 4.2, 4.3 für Referenzsignale VREF, IREF_HV auf und liefert an ihrem Ausgang 4.5 ein logisches Steuersignal HV_OK, dessen HIGH-Pegel, HV_OK = 1, eine zum Ausführen eines beabsichtigten Funktionsablaufs geeignete Funktionsspannung anzeigt, insbesondere eine ausreichende Funktionsspannung zum Programmieren eines EEPROM. Weiterhin beinhaltet die Bestimmungs- und Bewertungsschaltung 4 Zählermittel 5, 6 (vgl. 6), die an einem Ausgang 5.7 ein Bewertungssignal HV_OK_OUT liefern, das zum Bestätigen oder Verwerfen eines Ergebnisses des Funktionsablaufs in Abhängigkeit von einer bestimmten Eigenschaft der Funktionsspannung V_PP verwendbar ist.
Im Folgenden werden die vorstehend nur kurz skizzierten Bestandteile 2–6 der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1 näher erläutert:
Die 2 stellt anhand eines detaillierten Schaltschemas die Schaltungseinheit 2 zum Begrenzen eines mit der Betriebsspannung V_DD assoziierten Eingangsstroms I_E dar. Sie weist in Reihe geschaltet zunächst eine Anzahl von Widerständen R₁, R₂ auf. Diese bilden zusammen mit einem ihnen nachgeschalteten Kondensator C₁ ein RC-Glied, das eine Filterfunktion für die Eingangsgröße I_E darstellt (vgl. 3a, b). Der Widerstand R₂ ist mittels eines parallel geschalteten PMOS-Transistors 2.1 überbrückbar. Das Gate 2.1a des PMOS 2.1 ist über einen Inverter 2.2 an das Bewertungssignal HV_OK angeschlossen; Bulkanschluß 2.1b und Source 2.1c des PMOS 2.1 sind mit einem zwischen den Widerständen R₁, R₂ angeordneten Knoten 2.3 verbunden. Die durch das RC-Glied R₁, R₂, C₁ gefilterte Betriebsspannung V_DD wird als Ausgangsspannung V_DD' an einem Ausgang 2.4 für die nachfolgende Spannungswandler-Schaltung 3 bereit gestellt.
Durch die gezeigte Schaltungseinheit 2 wird bei HIGH-Pegel des Steuersignals HV_OK der zweite Widerstand R₂ überbrückt, so dass eine veränderte (reduzierte) Filterwirkung des RC-Glieds R₁, R₂, C₁ resultiert, was ein beschleunigtes Hochlaufen der Spannung in der nachfolgenden Spannungswandler-Schaltung 3 (vgl. 4) ermöglicht.
Die Schaltungseinheit 2 ist erfindungsgemäß dazu vorgesehen, ein Einbrechen der Betriebsspannung und in der Folge einen Power-On-Reset dadurch zu verhindern, dass der Eingangsstrom I_E begrenzt wird. Alternativ (hier nicht explizit dargestellt) können zum diesen Zweck in der Schaltungseinheit 2 auch einfacher aufgebaute RC-Glieder ohne PMOS, d.h. mit konstanten Filtereigenschaften oder ein selbstleitender PMOS allein, dessen Gate auf Substratpotential liegt, eingesetzt werden.
Die Strom begrenzende Wirkung der Schaltungseinheit 2 ist nachfolgend anhand der 3a–d graphisch dargestellt:
Die 3a zeigt den Verlauf des Eingangsstroms I_E sowie der Funktionsspannung V_PP, die auch als high voltage bezeichnet wird, über der Zeit t, wenn keinerlei Strom begrenzenden Mittel – wie vorstehend aufgeführt – eingesetzt werden. Der hohe Strom, für typische Anwendungen etwa in der Größenordnung 10 μA, über eine relativ lange Zeit von 100 μs kann dabei zu unerwünschten Einbrüchen der Betriebsspannung und damit verbunden zu Verzögerungen oder Ausfällen des gewünschten Funktionsablaufs aufgrund fehlender Funktionsspannung V_PP führen. In den 3a–d ist allerdings jeweils ein "Idealverlauf" der Funktionsspannung dargestellt, so wie er sich ohne Einbrechen der Betriebsspannung einstellen würde. Die 3b zeigt den Verlauf von I_E und V_PP bei Verwendung eines einfachen PMOS. Für den Eingangsstrom I_E ergibt sich eine einzelne, hohe Stromspitze, was jedoch aufgrund deren eingeschränkter Dauer hinsichtlich eines Einbrechens der Betriebsspannung weniger kritisch ist. Dagegen ist das Hochlaufen der Funktionsspannung V_PP gegenüber dem Fall der 3a erkennbar verlangsamt. Die 3c zeigt, wie sich bei Verwendung eines einfachen RC-Glieds konstanter Filterwirkung, d.h. mit konstantem ohmschen Widerstand und konstanter Kapazität ein zeitlich fast konstanter Eingangsstrom I_E ergibt, während die Funktionsspannung V_PP nunmehr nur noch langsam hochläuft. Vorzugsweise ist daher das RC-Glied per Regelung umschaltbar (vgl. 3d), wie in der Ausgestaltung der 2 gezeigt: Sobald die Funktionsspannung V_PP einen zum Ausführen des geplanten Funktionsablaufs geeigneten Wert erreicht hat (hier: V_PP = 11,5 V) und entsprechend ein HIGH-Pegel-Signal HV_OK = 1 vorliegt (s.u.), wird durch Schalten des PMOS 2.1 der Widerstand R2 überbrückt, und die Filterwirkung der Schaltungseinheit 2 geht zurück, was eine verbesserte Effizienz bedeutet. Dies macht sich in 3d anhand eines sprunghaft ansteigenden Stromflusses bemerkbar.
Erfindungsgemäß wird demzufolge mittels der Schaltungseinheit 2 die aus der Betriebsspannung V_DD abgeleitete Eingangs spannung V_DD' des Spannungswandlers 3 (vgl. 1, 4) begrenzt. Dies hat jedoch zur Folge, dass sich das Hochlaufverhalten der Funktionsspannung V_PP drastisch verändert, wie vorstehend anhand der 3a–d bereits graphisch erläutert. Die Hochlaufzeit ist damit erfindungsgemäß eine Funktion der Feldstärke des zu Zwecken der Energieversorgung dienenden elektromagnetischen (RF-)Feldes bzw. von Eigenschaften einer der Schaltungsanordnung 1 vorgeschalteten Stromquelle, wie deren Innenwiderstand, Leerlaufspannung oder dgl. Dies wird erfindungsgemäß durch Vorsehen der Bestimmungs- und Bewertungsschaltung 4 berücksichtigt (1, 5, 6).
Die 4 zeigt detailliert den Aufbau der erfindungsgemäßen Spannungswandler-Schaltung 3 zum Erzeugen der Funktionsspannung V_PP aus der Betriebsspannung V_DD bzw. der Ausgangsspannung V_DD' der Schaltungseinheit 2. Die Spannungswandler-Schaltung 3 weist zunächst (in der 4 links dargestellt) eine logische Steuerschaltung 3.1 auf, die aus einer Anordnung von zwei NAND-Gattern 3.1a, b sowie vier Invertern 3.1c–f gebildet ist. Ein Eingang des ersten NAND-Gatters 3.1a ist direkt mit einem Eingang 3.2 der Spannungswandler-Schaltung 3 verbunden, an dem ein Oszillator-Signal OSC_PROG anliegt. Der andere Eingang des ersten NAND-Gatters 3.1a ist unter Zwischenschaltung eines Inverters 3.1d mit einem zweiten Eingang 3.3 der Spannungswandler-Schaltung 3 verbunden, an dem ein Steuersignal NHVON anliegt, dessen HIGH-Pegel angibt, dass keine (ausreichende) Funktionsspannung generiert wurde bzw. wird, beispielsweise wenn die Vorrichtung noch kein entsprechendes Steuersignal von der Basisstation empfangen hat. Die Anschlusskonfiguration an dem zweiten NAND-Gatter 3.1b entspricht im wesentlichen der am ersten NAND-Gatter 3.1a, jedoch ist hier auch zwischen dem Eingang für das Oszillator-Signal OSC_PROG und dem entsprechenden Eingang des NAND-Gatters 3.1b ein Inverter 3.1c geschaltet. Jeweils ein weite rer Inverter 3.1e, 3.1f findet sich hinter dem Ausgang des jeweiligen NAND-Gatters 3.1a, 3.1b.
Die vorstehend beschriebene logische Steuerschaltung 3.1 liefert an zwei gedachten Übergangspunkten A, B zur restlichen Spannungswandler-Schaltung 3 in Abhängigkeit von den Steuersignalen OSC_PROG, NHVON zwei mit der Oszillatorperiode wechselnde, komplementäre Taktsignale CP1, CP2 für den eigentlichen Spannungswandler/Spannungsvervielfacher, der erfindungsgemäß als mehrstufige Ladungspumpe ausgebildet ist. Dazu weist dieser Teil der Spannungswandler-Schaltung 3 (in 4 rechts gezeigt) zunächst ein Schaltmittel in Form eines PMOS-Transistors 3.4 auf, dessen Gate 3.4a mit dem Eingang 3.3 (Steuersignal NHVON) verbunden ist und dessen Source 3.4b an der Ausgangsspannung V_DD' der Schaltungseinheit 2 liegt. Verbunden mit dem Drain-Anschluß 3.4c des PMOS 3.4 ist eine Reihenschaltung von Schaltmitteln in Form von Schottky-Dioden 3.5–3.5⁽ⁿ⁾ , deren konkrete Anzahl n von dem Faktor der angestrebten Spannungserhöhung abhängt, was in 4 durch eine eckige Klammer angedeutet ist. Die Schottky-Dioden 3.5–3.5⁽ⁿ⁾ sind gleichsinnig jeweils in Durchlassrichtung bezogen auf die Spannung V_DD' angeordnet. An ihrem distalen Ende mündet die Diodenreihe in einen Ausgang 3.6 für das generierte Funktionsspannungs-Signal V_PP.
An jeweils zwischen zwei Schottky-Dioden, beispielsweise den Dioden 3.5 und 3.5' bzw. den Dioden 3.5' und 3.5'', liegenden Knoten 3.7–3.7^(n-1) ist jeweils zwischen dem betreffenden Knoten und einer der beiden, parallel zu der Dioden-Reihe laufenden Leitungen 3.8, 3.8' für die komplementären Taktsignale CP1, CP2 ein Kondensator 3.9–3.9^(n-1) eingeschleift.
Die Anordnung von Schottky-Dioden 3.5–3.5⁽ⁿ⁾ und Kondensatoren 3.9–3.9^(n-1) arbeitet im Betrieb, d.h. bei LOW-Pegel des Steuersignals NHVON am Eingang 3.3 nach dem bekannten Prinzip einer mehrstufigen Ladungspumpe, die das Potential der Knoten punkte 3.7–3.7^(n-1) sukzessive erhöht und so am Ausgang 3.6 eine gegenüber der Eingangsspannung V_DD' mehrfach erhöhte Ausgangsspannung V_PP liefert, die erfindungsgemäß als Funktionsspannung einsetzbar ist. Das Funktionsprinzip der Ladungspumpe an sich ist dem Fachmann geläufig. Durch die erfindungsgemäße Verwendung von Schottky-Dioden 3.5–3.5⁽ⁿ⁾ anstelle von herkömmlicher Weise verwendeten Transistor-Schaltmittel lässt sich aufgrund kleinerer Drop-Spannungen die Verlustleistung reduzieren, so dass mit weniger Stufen höhere Funktionsspannungen erreichbar sind.
Die 5 zeigt detailliert Teile der erfindungsgemäßen Bestimmungs- und Bewertungsschaltung 4. Diese besitzt zunächst Eingänge 4.1–4.4 für die Funktionsspannung V_PP, eine mit dieser zu vergleichende Referenzspannung VREF, einen mit der Referenzspannung VREF assoziierten Referenzstrom IREF_HV sowie das Steuersignal NHVON. Ferner ist ein Ausgang 4.5 für das Steuersignal HV_OK (vgl. 1, 2) und ein Anschluss 4.6 an die Betriebspannung V_DD vorgesehen.
Als erfindungsgemäß vordringlich bedeutsame Bestandteile besitzt die Bestimmungs- und Bewertungsschaltung 4 zunächst einen kapazitiven Spannungsteiler 4.7 aus zwei bezogen auf den Eingang 4.1 für die Funktionsspannung V_PP parallel geschaltete und zwischen diesem und ein Substratpotential VSS eingeschleifte Kondensatoren 4.7a, 4.7b. Auf diese Weise stellt der Spannungsteiler 4.7 keine Last für den Spannungswandler (vgl. 4) dar, da kein Gleichstromfluss auftritt. Weiterhin ist mit Bezugszeichen 4.8 eine Vergleichseinrichtung (Komparator) bezeichnet, die nach Art eines Differenzverstärkers aus zwei NMOS-Transistoren 4.8a,b sowie einem PMOS-Stromspiegel (aktive Last) aus PMOS-Transistoren 4.8c, d gebildet ist.
Der Differenzverstärker 4.8 ist bei Bezugszeichen 4.6 an die Betriebsspannung V_DD angeschlossen und über einen zwischen den Source-Anschlüssen 4.8aa, bb der NMOS-Transistoren 4.8a, b gele genen Knoten 4.8e sowie einen weiteren NMOS-Transistor 4.9 mit dem Substratpotential VSS verbunden. Der NMOS 4.9 ist mit einem benachbarten NMOS-Transistor 4.10 nach Art eines Stromspiegels verschaltet und fungiert gemeinsam mit diesem als Konstantstromschaltung für den Differenzverstärker 4.8. Darüber hinaus sorgt ein weiterer NMOS-Transistor 4.11 nach Maßgabe eines mit dem Referenzsignal IREF_HV am Eingang 4.3 verbundenen PMOS-Transistors 4.12, dessen Gate durch das Signal NHVON gesteuert wird, dafür, dass für NHVON = 0 sowohl der Knoten 4.8e als auch ein Knoten 4.13 am Ausgang 4.5 auf Substratpotential V_SS (LOW-Pegel) liegen. Zwischen dem Ausgang 4.5 für das Steuersignal HV_OK und dem Knoten 4.13 ist zusätzlich ein Inverter 4.14 eingeschleift.
Zwischen dem Anschluss 4.6 und dem Knoten 4.13 ist weiterhin eine Anordnung aus zwei PMOS-Transistoren 4.15, 4.16 vorgesehen, deren Gate-Anschlüsse von einem Ausgangssignal des Differenzverstärkers 4.8 an einem Knoten 4.8f bzw. dem Signal NHVON unter Zwischenschaltung eines Inverters 4.17 gesteuert werden.
Der Differenzverstärker vergleicht für NHVON = 0 die vom Spannungsteiler 4.7 gelieferte, aus der Funktionsspannung V_PP hervorgehende und somit Letzterer direkt zuordenbare Teilspannung xV_PP am Gate des ersten NMOS 4.8a mit der Referenzspannung VREF am Gate des zweiten NMOS 4.8b. Auf diese Weise liefert die Vergleichseinrichtung 4.8 am Knoten 4.8f für den Fall, dass die Spannung xV_PP größer oder gleich der Referenzspannung VREF ist, ein derartiges Ausgangssignal, dass der PMOS 4.15 sperrt und der Knoten 4.13 weiterhin auf Substratpotential V_SS liegt, so dass am Ausgang 4.5 das Signal HV_OK = 1 ausgegeben wird, was eine ausreichende Funktionsspannung anzeigt. Für NHVON = 1 ist der PMOS 4.16 leitend geschaltet, so dass der Knoten 4.13 auf dem Potential der Betriebsspannung V_DD liegt und am Ausgang 4.5 das Signal HV_OK = 0 ausgegeben wird. Zugleich sorgen weitere Schaltmittel in Form von NMOS-Transistoren 4.18, 4.19 dafür, dass auch für NHVON = 1 die entsprechend definierten Zustände, insbesondere am Knoten 4.13 (HIGH-Pegel) gegeben sind.
Schließlich zeigt die 6 geeignete Zählermittel 5, 6, die ebenfalls vorzugsweise in der erfindungsgemäßen Bestimmungs- und Bewertungsschaltung 4 enthalten und zum Ziehen und Bewerten von Samples des Ausgangssignals HV_OK ausgebildet sind. Dies ist erfindungsgemäß – wie gesagt – notwendig, um die Dauer eines Funktionsablaufs, z.B. eine Programmierzeit in Abhängigkeit von der Hochlaufzeit der Funktionsspannung regeln zu können.
Zu diesem Zweck weist die in der 6 gezeigte Schaltungseinheit ein erstes Zählermittel 5 in Form eines sog. Gut-Sample-Zählers sowie ein zweites Zählermittel 6 in Form eines Sample-Zählers auf. Beide sind nach Art eines mehrstufigen Frequenzteilers als Kettenschaltung von einflankengetriggerten D-Flip-Flops 5.1–5.4 bzw. 6.1–6.3 ausgebildet, was dem Fachmann geläufig ist. Dargestellt sind weiterhin ein für alle Flip-Flops gemeinsamer Reset-Eingang 7, ein Takteingang 5.5 für den Gut-Sample-Zähler 5, ein weiterer Takteingang 6.4 für den Sample-Zähler 6 sowie zumindest ein Eingang 5.6 für das Bewertungssignal HV_OK der Bestimmungs- und Bewertungsschaltung 4. Zudem besitzt der Gut-Sample-Zähler 5 einen Ausgang 5.7 und der Sample-Zähler 6 einen Ausgang 6.5. Die Eingänge 5.5 und 5.6 sind beim gezeigten Ausführungsbeispiel über ein AND-Gatter 5.8 verknüpft; dessen Ausgangssignal wird als Taktsignal am Takteingang C des ersten Zähler-Flip-Flops 5.1 bereit gestellt. Der Dateneingang D des jeweils letzten Ketten-Flip-Flops 5.4, 6.3 ist an die Betriebsspannung V_DD angeschlossen.
Jedes der gezeigten D-Flip-Flops 5.1–5.4, 6.1–6.3 fungiert als 1:2-Frequenzteiler, so dass die gezeigten Kettenschaltungen, als (Dual-)Zähler einsetzbar sind. Bei anliegendem HIGH-Pegel (HV_OK = 1) am Eingang 5.6 zählt der Zähler 5 bei jeder an steigenden Flanke des Taktsignals CLK_HV_OK am Eingang 5.5 um den Wert Eins herauf, bis sich schließlich bei ansteigender Flanke am Eingang C des letzten Flip-Flops 5.4 das Ausgangssignal HV_OK_OUT = 1 ergibt, was eine ausreichende Anzahl positiver Funktionsspannungs-Samples anzeigt, so dass ein durchzuführender Funktionsablauf, wie etwa ein Programmier- oder Löschvorgang als erfolgreich abgeschlossen bewertet werden kann. Somit unterscheidet sich der Gegenstand der Erfindung von den vorbekannten Steuerungslösungen, bei denen immer eine bestimmte, fest vorgegebene Zeitdauer abgewartet werden muss, bevor die Funktionsspannung abgeschaltet und der Funktionsablauf als (erfolgreich) abgeschlossen qualifiziert wurde. Die maximal erfassbare Gut-Sample-Zahl n_max ist durch die verwendete Anzahl Flip-Flops vorgegeben. Der Sample-Zähler 6 arbeitet analog, nur dass hier lediglich Taktpulse eines CLK_OVERFLOW-Signals gezählt werden, d.h. eine bestimmte Zeit ermittelt wird, vorzugsweise die seit Beginn der Funktionsspannungsgenerierung verflossene Zeit. Erreicht der Zähler 6 seinen ebenfalls durch die Anzahl der verwendeten Flip-Flops vorgegebenen Endwert, so wird am Ausgang 6.5 ein Signal HV_OVERFLOW ausgegeben, dass anzeigt, dass eine maximal zulässige Zeit zur Funktionsspannungs-Generierung überschritten wurde. Entsprechend "überstimmt" das Ausgangssignal des Sample-Zählers 6 das Ausgangssignal des Gut-Sample-Zählers 5, d.h. der Funktionsablauf wird angebrochen bzw. als fehlgeschlagen qualifiziert, wenn HV_OVERFLOW = 1 gesetzt wird, bevor HV_OK_OUT = 1. Vorzugweise geschieht dies in einer geeignet ausgebildeten, hier nicht gezeigten Funktions-Steuerschaltung. Dabei liegt der wahre, zeitliche Endwert des Zählers 6 höher als derjenige des Zählers 5, was sieh über eine entsprechend längere Taktperiode des Signals CLK_OVERFLOW am Eingang 6.4 erreichen lässt.

1: Schaltungsanordnung
2: Schaltungseinheit
2.1: PMOS-Transistor
2.1a: Gate
2.1b: Bulk-Anschluss
2.1c: Source-Anschluss
2.2: Inverter
2.3: Knoten
2.4: Ausgang
3: Spannungswandler-
: Schaltung
3.1: Steuerschaltung
3.1a, b: NAND-Gatter
3.1c–f: Inverter
3.2: Eingang
3.3: Eingang
3.4: PMOS-Transistor
3.4a: Gate
3.4b: Source
3.4c: Drain
3.5–3.5⁽ⁿ⁾: Schottky-Diode
3.6: Ausgang
3.7–3.7^(n-1): Knoten
3.8, 3.8': Leitung
3.9–3.9^(n-1): Kondensator
4: Bestimmungs-und Bewer
: tungsschaltung
4.1: Eingang
4.2: Eingang
4.3: Eingang
4.4: Eingang
4.5: Ausgang
4.6: Anschluss
4.7: Spannungsteiler
4.7a, b: Kondensator
4.8: Vergleichseinrichtung
4.8a, b: NMOS-Transistor
4.8aa: Source
4.8bb: Source
4.8c, d: PMOS-Transistor
4.8e, f: Knoten
4.9: NMOS-Transistor
4.10: NMOS-Transistor
4.11: NMOS-Transistor
4.12: PMOS-Transistor
4.13: Knoten
4.14: Inverter
4.15: PMOS-Transistor
4.16: PMOS-Transistor
4.17: Inverter
4.18: NMOS-Transistor
4.19: NMOS-Transistor
5: Zähler
5.1–4: D-Flip-Flop
5.5: Eingang
5.6: Eingang
5.7: Ausgang
5.8: AND-Gatter
6: Zähler
6.1–3: D-Flip-Flop
6.4: Eingang
6.5: Ausgang
A, B: Punkt
C: Takteingang
C₁: Kondensator
CLK_HV_OK: Taktsignal
CLK_OVERFLOW: Taktsignal
CP1, 2: Taktsignal
D: Dateneingang
HV_OK: Steuersignal
HV_OK_OUT: Steuersignal
HV_OVERFLOW: Steuersignal
I_E: Eingangsstrom
IREF_HV: Referenzstrom
NHVON: Steuersignal
OSC_PROG: Oszillator-Signal
R1, R2: Widerstand
t: Zeit
V_DD: Betriebsspannung
V_DD': Spannung
V_PP: Funktionsspannung
VREF: Referenzspannung
xV_PP: Spannung

Claims

Schaltungsanordnung zum Vergrößern einer Funktionsreichweite bei einer aus einem elektromagnetischen Feld mit Energie versorgten Vorrichtung, insbesondere einem Transponder oder einem Remote Sensor, mit einem Spannungswandler zum Generieren einer zum Ausführen eines Funktionsablaufs benötigten Funktionsspannung aus einer Betriebsspannung der Vorrichtung, gekennzeichnet durch eine Bestimmungsschaltung (4) zum Bestimmen wenigstens einer Eigenschaft der Funktionsspannung (V_PP) und eine Bewertungsschaltung (4, 5, 6) zum Bestätigen oder Verwerfen eines Ergebnisses des Funktionsablaufs in Abhängigkeit von der bestimmten Eigenschaft der Funktionsspannung (V_PP).
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmungsschaltung (4) zum Vergleichen einer der Funktionsspannung direkt zuordenbaren Größe (xV_PP) mit einem Referenzwert (VREF) ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Bestimmungsschaltung (4) ein Spannungswert (V_PP) der Funktionsspannung bestimmbar ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmungsschaltung (4) zum Bestimmen des Spannungswerts (V_PP) einen Spannungsteiler (4.7) aufweist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsteiler (4.7) ein kapazitiver Spannungsteiler ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertungsschaltung (4) ein erstes Zählermittel (5) zum Bewerten eines Ausgangssignals (HV_OK) der Bestimmungseinrichtung (4) aufweist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Zählermittel (5) zum Ermitteln einer Anzahl von Zeitintervallen ausgebildet ist, während derer die Funktionsspannung (V_PP) eine zum Ausführen des Funktionsablaufs notwendige Eigenschaft besitzt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertungsschaltung (4) ein zweites Zählermittel (6) zum Bestimmen einer Anzahl seit Generierung der Funktionsspannung (V_PP) vergangener Zeitintervalle aufweist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertungsschaltung (4) zum Abbrechen und/oder Verwerfen des Funktionsablaufs bei Überschreiten einer vorbestimmten Anzahl an Zeitintervallen in dem zweiten Zählermittel (6) ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertungsschaltung (4) zum Bestätigen eines Ergebnisses des Funktionsablaufs bei Erreichen einer vorbestimmten Anzahl an Zeitintervallen in dem ersten Zählermittel (5) ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem Spannungswandler (3) eine Schaltungseinheit (2) zum Begrenzen eines Einschaltstroms (I_E) vorgeschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungseinheit (2) einen MOSFET-Transistor (2.1) beinhaltet.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungseinheit (2) wenigstens ein RC-Glied (R₁, R₂, C₁) beinhaltet .
Schaltungsanordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungseinheit (2) wenigstens ein umschaltbares RC-Glied (R₁, R₂, C₁) beinhaltet.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (3) zum Begrenzen einer Verlustleistung Schottky-Dioden (3.5–3.5⁽ⁿ⁾ ) als Schaltmittel aufweist.
Verwendung einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 in einem Transponder.
Verwendung einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 in einem Remote Sensor.
Verfahren zum Vergrößern einer Funktionsreichweite bei einer Vorrichtung, die aus einem elektromagnetischen Feld mit Energie versorgt wird, insbesondere einem Transponder oder einem Remote Sensor, wobei mittels eines Spannungswandlers eine zum Ausführen eines Funktionsablaufs benötigte Funktionsspannung aus einer Betriebsspannung der Vorrichtung generiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Eigenschaft der Funktionsspannung bestimmt und ein Ergebnis des Funktionsablaufs in Abhängigkeit von der bestimmten Eigenschaft der Funktionsspannung bestätigt oder verworfen wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Funktionsspannung direkt zuordenbare Größe mit einem Referenzwert verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein erstes Zählermittel eine Zeit bestimmt wird, während derer die Funktionsspannung eine zum Ausführen des Funktionsablaufs notwendige Eigenschaft besitzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein zweites Zählermittel eine seit Generierung der Funktionsspannung vergangene Zeit bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionsablauf abgebrochen und/oder verworfen wird, wenn die durch das zweite Zählermittel bestimmte Zeit einen vorbestimmten Wert überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ergebnis des Funktionsablaufs bestätigt wird, wenn die durch das erste Zählermittel bestimmte Zeit einen vorbestimmten Endwert erreicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass ein Eingangsstrom des Spannungswandlers begrenzt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzung zeitlich geregelt angepasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Funktionsablauf um einen Programmiervorgang, d.h. einen Schreib- und/oder Lesevorgang handelt, insbesondere bei einem elektrisch löschbaren Speichermittel, wie einem EEPROM.