DE4104274A1 - Verfahren zur regelung der versorgungsspannung fuer eine last - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Versorgungsspannung für eine aus einer Spannungsquelle zu speisenden Last gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses erfindungsgemäßen Verfahrens.

In den letzten Jahren sind zunehmend sogenannte Chip­ karten oder IC-Karten in Gebrauch, wobei hierunter Datenträger zu verstehen sind, die sowohl die bekannten Kreditkarten für Geldausgabeautomaten, Kartentelefone und andere Endgeräte der Kommunikationstechnik als auch Identifikationskarten für die Zugangskontrolle von sicherheitsempfindlichen Bereichen umfassen.

Der in einer solchen IC-Karte implantierte, integrierte Schaltkreis enthält einen nichtflüchtigen Speicher so­ wie eine zum Auslesen der nichtflüchtig gespeicherten Information erforderliche Steuerlogik; jedoch ist in der Regel keine eigene Stromversorgung vorgesehen.

Bei diesen Systemen erfolgt die zum Auslesen der Infor­ mation erforderliche Stromversorgung durch das jewei­ lige Lesegerät, das die gespeicherte Information aus­ wertet. Dies kann zum Beispiel durch eine direkte gal­ vanische Verbindung zum Lesegerät geschehen, wobei über mehrere Kontaktflächen sowohl die benötigte Betriebs­ spannung bereitgestellt wird, als auch die zur Verar­ beitung der gespeicherten Information benötigten Ver­ bindungen hergestellt werden. Bei einem derartigen System bestehen keine strengen Anforderungen hinsicht­ lich der Stromaufnahme aus der Versorgungsspannung, da diese direkt durch das Lesegerät erfolgt. Auch hat das Lesegerät selbst hinsichtlich der Datenübertragung keine besonderen Anforderungen zu erfüllen, da die übertragene Information mit ausreichend hohem Signalpe­ gel zur Verfügung gestellt wird.

Diesen Vorteilen steht jedoch der Nachteil gegenüber, daß zum Auslesen der Information eine mechanische Ver­ bindung nötig ist, womit der Informationsträger, z. B. eine IC-Karte auch schlecht gegen Umwelteinflüsse, wie Korrosion, statische Entladungen geschützt werden kann. Außerdem unterliegen solche IC-Karten im Gebrauch me­ chanischen Beanspruchungen, wodurch besonders die gal­ vanischen Verbindungen zwischen dem implantierten Schaltkreis und den auf der Karte befindlichen An­ schlußpunkten zerstört werden können.

Deshalb ist für viele Anwendungen eines Datenträger­ systems der zuvor beschriebenen Art eine drahtlose Energie- und Datenübertragung vorteilhaft. Dies ist beispielsweise im medizinischen Bereich für implantier­ bare Identifikationssysteme wegen der hermetisch dich­ ten Verpackung des Systems eine unabdingbare Forderung.

Die Bereitstellung der Versorgungsspannung als auch die Datenübertragung selbst kann bei einem solchen passiven Datenträgersystem, also bei solchen ohne eigenständige Stromversorgung, beispielsweise induktiv erfolgen. Eine schematische Darstellung hierfür zeigt die Fig. 1, wo­ nach mit dem Bezugszeichen 1 ein Lesegerät und mit dem Bezugszeichen 2 ein solches passives Datenträgersystem bezeichnet ist. Zur induktiven Kopplung ist sowohl in dem Lesegerät 1 als auch in der Datenträgervorrichtung 2 jeweils eine Spule Sp1 und Sp2 vorgesehen. Die Spule Sp2 in der Datenträgervorrichtung 2 bildet zusammen mit einer Diode D eine Spannungsquelle für den implantier­ ten Schaltkreis IC. Gegenüber einer galvanischen Kopplung bestehen hierbei jedoch hohe Anforderungen hinsichtlich der Stromaufnahme der integrierten Schal­ tung IC, da die übertragene Leistung mit größerer Ent­ fernung zwischen der Datenträgervorrichtung 2 und dem Lesegerät 1 sehr schnell abnimmt, andererseits jedoch die vom Lesegerät abgestrahlte Leistung aufgrund der gesetzlichen Auflagen nicht beliebig erhöht werden kann. Hieraus ergibt sich also die Forderung, daß die integrierte Schaltung IC bereits bei sehr kleiner Ver­ sorgungsspannung funktionsfähig sein muß und die Strom­ aufnahme hierbei möglichst gering ist.

Da bei einem solchen System kein direkter Anschluß zur Übertragung der Daten zur Verfügung steht, muß die Da­ tenübertragung durch geeignete Modulation der Span­ nungsversorgung erfolgen, indem beispielsweise gemäß der Fig. 1 die Spule Sp2 der Datenträgervorrichtung 2 beim Auslesen der Information logisch "1" zusätzlich durch Einschalten eines Lastwiderstandes R_L bedämpft wird und beim Auslesen der Information logisch "0" da­ gegen nur mit der Ruhestromaufnahme der integrierten Schaltung IC belastet wird. Die Bedämpfung sollte hier­ bei möglichst groß sein, damit im Lesegerät die Auswer­ tung der beiden Zustände logisch "1" und logisch "0" eindeutig und mit niedriger Fehlerrate erfolgen kann. Andererseits darf die Bedämpfung jedoch nicht so stark sein, daß die minimal erforderliche Versorgungsspannung der integrierten Schaltung unterschritten wird. Gemäß der Fig. 1 ist der Lastwiderstand R_L und ein Schalter T parallel zu der Serienschaltung aus der Spule Sp2 und der Diode D geschaltet. Der als MOS-Feldeffekttransi­ stor ausgeführte Schalter T wird von der integrierten Schaltung IC entsprechend der auszugebenden Informa­ tion, also mit einem H-Pegel oder mit einem L-Pegel an­ gesteuert.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Regelung der Versorgungsspannung für eine aus einer Spannungsquelle zu speisenden, als integrierte Schal­ tung ausgeführte Last der eingangs genannten Art an­ zugeben, die eine drahtlose Datenübertragung mit den oben genannten Eigenschaften ermöglicht. Eine weitere Aufgabe besteht darin, zur Durchführung dieses erfin­ dungsgemäßen Verfahrens eine Schaltungsanordnung an­ zugeben.

Die erstgenannte Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Hierbei besteht das Wesen der Erfindung darin, daß bei Ausgabe des einen logischen Pegels die Versorgungsspannung der Last durch Längsregelung erzeugt wird, wodurch die Span­ nungsquelle möglichst gering belastet wird, und bei Ausgabe des anderen logischen Pegels eine Regelung der Klemmenspannung der Spannungsquelle durch Parallelrege­ lung erfolgt, wodurch eine möglichst hohe Belastung dieser Spannungsquelle erzielt wird. Die Regelung be­ wirkt somit eine Modulation der Klemmenspannung in Ab­ hängigkeit der von der Last ausgegebenen logischen Pegel. Die Klemmenspannung dient einerseits als Be­ triebsspannung und zur Datenübertragung andererseits.

Gemäß vorteilhafter Weiterbildungen kann der Spannungs­ wert der durch Parallelregelung erzeugten Klemmenspan­ nung gleich oder größer als der Spannungswert der durch die Längsregelung erzeugten Spannung sein. Dies kann bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Ver­ fahrens einerseits dadurch erfolgen, daß bei Parallel- als auch Längsregelung die Versorgungsspannung der Last bzw. die Klemmenspannung der Spannungsquelle auf eine Referenzspannung eingeregelt wird und andererseits auch so durchgeführt werden, daß die Versorgungsspannung auf eine erste Referenzspannung eingeregelt wird und die Klemmenspannung auf die Summe der Spannungswerte der ersten und einer zweiten Referenzspannung eingeregelt wird.

Die Lösung der zweiten genannten Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 6 gege­ ben. Eine solche Schaltungsanordnung weist einen einfa­ chen Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens auf.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen einer solchen Schaltungsanordnung sind durch die Patentansprüche 7 bis 12 gegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll anhand eines Aus­ führungsbeispieles einer Schaltungsanordnung zur Durch­ führung dieses Verfahrens im Zusammenhang mit den Figu­ ren beschrieben und erläutert werden. Es zeigt

Fig. 2 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispieles der Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 3 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbei­ spieles der Schaltungsanordnung zur Durchfüh­ rung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 4 ein Schaltbild einer Variation der Schal­ tungsanordnung nach Fig. 3, und

Fig. 5 ein Schaltbild einer Variation der Schal­ tungsanordnung nach Fig. 4.

In den Figuren sind Bauteile und Funktionsgruppen mit gleicher Funktion mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Fig. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung nach der Er­ findung, die zusammen mit der als integrierte Schaltung ausgebildeten Last L in einem Datenträger 2 implemen­ tiert ist. Dies kann beispielsweise eine IC-Karte oder eine passive Identifikationsvorrichtung sein. Gemäß Fig. 2 ist eine Spule Sp und eine Diode D1 zur Bildung einer Spannungsquelle Q in Serie geschaltet, wobei an den Anschlußpunkten 3 und 4 eine Klemmenspannung U_K an­ liegt, falls aufgrund der induktiven Kopplung mit einem Lesegerät in dieser Spule SP eine Spannung induziert wird, die mit der Diode D1 gleichgerichtet wird. Ein Glättungskondensator C ist parallel an die Spannungs­ quelle Q über die Klemmen 3 und 4 geschaltet. Die Serienschaltung aus der Last L und eines Längsreglers T1, der als MOS-Feldeffekttransistor ausgebildet ist, ist an die Spannungsquelle Q über deren Anschlüsse 3 und 4 angeschaltet. Ein erster Differenzverstärker V1 steuert über seinen Ausgang den Längsregler T1, wobei der nichtinvertierende Eingang dieses Differenzverstär­ kers V1 an den Verbindungspunkt der Last L mit dem Längsregler T1 angeschlossen ist. Der invertierende Eingang dieses ersten Differenzverstärkers V1 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang eines zweiten Differenzverstärkers V2 verbunden, wobei diese Verbindungsleitung über eine Differenzspannungsquelle Q_ref an den Anschluß 4 der Spannungsquelle Q ange­ schlossen ist. Der invertierende Eingang dieses zweiten Differenzverstärkers V2 ist dagegen auf den anderen An­ schluß 3 der Spannungsquelle Q geführt. Die Schalt­ strecke eines als MOS-Feldeffekttransistor ausgeführten ersten Schalters T3 überbrückt den Längsregler T1. Schließlich ist eine Serienschaltung aus einem Parallelregler T2 und einem zweiten Schalter T4 paral­ lel zur Spannungsquelle Q über die Klemmen 3 und 4 ge­ schaltet. Der als MOS-Feldeffekttransistor ausgeführte Parallelregler wird über den Ausgang des zweiten Diffe­ renzverstärkers V2 angesteuert. Der Substratanschluß dieses Feldeffekttransistors liegt zudem auf dessen Source-Potential. Der zweite Schalter T4 stellt eben­ falls einen MOS-Feldeffekttransistor dar. Die Gate-Elek­ troden der beiden Schalter T3 und T4 sind verbunden und werden von der Last L angesteuert, die auf einer Leitung 5 einen von zwei möglichen Logikpegeln ausgibt. Wird beispielsweise auf dieser Leitung 5 ein LO-Pegel ausgegeben, werden hierdurch die beiden Schalter T3 und T4 in den gesperrten Zustand gesteuert. Dies bewirkt, daß der Parallelregler T2 außer Funktion gesetzt ist jedoch der Längsregler T1 derart von dem Differenzver­ stärker V1 angesteuert wird, daß die an der Last an­ stehende Versorgungsspannung U_L der Referenzspannung U_ref der Referenzspannungsquelle Q_ref entspricht. Hier­ durch wird die Spannungsquelle Q lediglich mit der Ruhestromaufnahme der Last L belastet. Ein Hi-Pegel auf der Leitung 5 bewirkt dagegen ein Umschalten der beiden Schalter T3 und T4 in den leitenden Zustand, infolge­ dessen die Last L über die Anschlüsse 3 und 4 parallel zur Spannungsquelle Q geschaltet wird. Nun wird jedoch der Parallelregler T2 aktiv und so angesteuert, daß die Klemmenspannung U_K der Spannungsquelle Q die Referenz­ spannung U_ref der Referenzspannungsquelle Q_ref er­ reicht. Hierdurch wird die Spannungsquelle nicht nur mit dem Ruhestrom der Last belastet, sondern zusätzlich mit dem über den Parallelregler T2 verursachten Strom, wobei jedoch die Last L trotzdem die für eine sichere Betriebsweise notwendige minimale Versorgungsspannung U_L erhält. Somit wird die Spannungsquelle Q möglichst stark belastet, um hierdurch ein zuverlässig erkennbares Kriterium für die Übertragung von Daten zu erhalten.

Die Schaltung nach Fig. 3 unterscheidet sich von der­ jenigen gemäß Fig. 2 lediglich dadurch, daß neben der ersten Referenzspannungsquelle Q_ref1 eine zweite Refe­ renzspannungsquelle Q_ref2 vorgesehen ist. Diese zweite Referenzspannungsquelle Q_ref2 verbindet den invertie­ renden Eingang des zweiten Differenzverstärkers V2 mit dem Anschluß 3 der Spannungsquelle Q. Die Funktion die­ ser Schaltung ändert sich dahingehend, daß bei einer Ausgabe des Hi-Pegels durch die Last L die Klemmenspan­ nung U_K auf die Summe der Referenzspannungen U_ref1 und U_ref2 der beiden Referenzspannungsquellen geregelt wird. Die Referenzspannung der zweiten Referenzspan­ nungsquelle Q_ref2 wird dabei so gewählt, daß die Summe der beiden Referenzspannungen lediglich geringfügig größer ist, als die erforderliche Versorgungsspannung U_L der Last. Beispielsweise kann der Wert dieser zwei­ ten Referenzspannung U_ref2 entsprechend dem Spannungs­ abfall an dem leitenden ersten Schalter T3 gewählt wer­ den. Somit erhält die angeschlossene Last L nach wie vor die zur sicheren Funktion notwendige Versorgungs­ spannung U_L.

Die Schaltungen nach den Fig. 4 und 5 unterscheiden sich von denjenigen nach den Fig. 2 und 3 lediglich dadurch, daß die Serienschaltung aus dem Parallelregler T2 und dem zweiten Schalter T4 nicht an die Klemmen 3 und 4, sondern über eine Diode D2 parallel zu der Spule Sp geschaltet ist, also gemäß den Fig. 4 und 5 an die Klemmen 3 und 4 geklemmt ist. Hierdurch wird eine gewisse Entkopplung der Regelschaltung von der Last er­ zielt, in dem Sinne, daß die beispielsweise bei hohen Modulationsfrequenzen auftretenden Flanken nicht die Last, also beispielsweise eine integrierte Schaltung und deren Funktion beeinträchtigen. Somit können diese beiden Schaltungen nach Fig. 4 und 5 im Vergleich zu denjenigen nach Fig. 2 und 3 mit höheren Modula­ tionsfrequenzen betrieben werden.

In den Schaltungen nach den Fig. 2 und 3 sind sowohl die beiden Regler T1 und T2 als auch die beiden Schal­ ter T3 und T4 als n-Kanal-Feldeffekttransistoren ausge­ bildet. Weiterhin stellt die Last L einen in integrier­ ter CMOS-Technik aufgebauten Schaltkreis dar, so daß die Referenzspannung U_ref bzw. U_ref1 so gewählt werden kann, daß sie der Summe aus den Schwellspannungen der p- und n-Kanal-Feldeffekttransistoren in dem integrier­ ten Schaltkreis entspricht. Die vorstehend beschriebe­ nen Schaltungen, die in integrierter CMOS-Technik auf­ gebaut sind, können entgegen den dargestellten Verhält­ nissen auch mit anderer Polung der Klemmenspannung U_K betrieben werden.

Schließlich können die vorstehend beschriebenen Schal­ tungen in einem Datenträger, beispielsweise IC-Karte oder Identifikationsvorrichtung zur drahtlosen Energie­ versorgung und zur gleichzeitigen drahtlosen Datenüber­ tragung implementiert werden.

Die vorstehend beschriebene Erfindung ist jedoch nicht auf die Anwendung im Identifikationssystem beschränkt, sondern kann für weitere Anwendungen vorteilhaft einge­ setzt werden. So können beispielsweise die beschriebe­ nen Schaltungen in induktiven Näherungsschaltern zur Übermittlung von zwei Zuständen, also beispielsweise Zustand "Ein" und Zustand "Aus" dienen.

Claims (14)

1. Verfahren zur Regelung der Versorgungsspannung für eine aus einer Spannungsquelle (Q) zu speisenden Last (L), wobei die Last (L) eine Schaltung umfaßt, die je­ weils einen von zwei möglichen Logikpegeln (L-, H-Pe­ gel) ausgibt, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausgabe des ersten logischen Pegels (H-Pegel) die Versorgungs­ spannung (U_L) der Last (L) durch Längsregelung erzeugt wird, und daß bei Ausgabe des zweiten logischen Pegels (L-Pegel) eine Regelung der Klemmenspannung (U_K) der Spannungsquelle (Q) durch Parallelregelung erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungswert der durch Parallelregelung er­ zeugten Klemmenspannung (U_K) dem Spannungswert der durch Längsregelung erzeugten Versorgungsspannung (U_L) entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungswert der durch Parallelregelung er­ zeugten Klemmenspannung (U_K) um einen geringfügigen Be­ trag größer ist als der Spannungswert der durch Längsregelung erzeugten Versorgungsspannung (U_L) der Last (L).

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Parallel- als auch bei Längsre­ gelung die Versorgungsspannung (U_L) der Last (L), bzw. die Klemmenspannung (U_K) der Spannungsquelle (Q) auf eine Referenzspannung eingeregelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannung (U_L) der Last (L) auf eine erste Referenzspannung eingeregelt wird und daß ferner die Klemmenspannung (U_K) der Span­ nungsquelle (Q) auf die Summe der Spannungswerte der ersten und einer zweiten Referenzspannung eingeregelt wird.

6. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Serienschaltung aus der Last (L) und einem Längsregler (T1) an die Spannungsquelle (Q) angeschlossen ist und dieser Längsregler (T1) von dem Ausgangssignal eines ersten Differenzverstärkers (V1) angesteuert ist, da­ durch gekennzeichnet, daß ein erster Schalter (T3) vor­ gesehen ist, der parallel zum Längsregler (T1) geschal­ tet ist, daß ein zweiter Schalter (T4) vorgesehen ist, der mit einem Parallelregler (T2) eine Serienschaltung bildet, daß zur Steuerung der beiden Schalter (T3, T4) diesen die Logikpegel (H-, L-Pegel) zugeführt werden und daß ein zweiter Differenzverstärker (V2) vorgesehen ist, der den Parallelregler (T2) ansteuert.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spannungsquelle (Q) aus einer Serien­ schaltung einer Wechselspannungsquelle (Sp) und einer Diode (D1) aufgebaut ist und daß die Serienschaltung aus dem Parallelregler (T2) und dem zweiten Schalter (T4) der erstgenannten Serienschaltung parallel ge­ schaltet ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spannungsquelle (Q) aus einer Serien­ schaltung einer Wechselspannungsquelle (Sp) und einer Diode (D1) aufgebaut ist und daß die Serienschaltung aus dem Parallelregler (T2) und dem zweiten Schalter (T4) über eine weitere Diode (D2) der Wechselspan­ nungsquelle (Sp) parallel geschaltet ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8 sowie zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Diffe­ renzverstärker (V1, V2) mit einer Referenzspannungs­ quelle (Q_ref) so beschaltet sind, daß die Versorgungs­ spannung (U_L) der Last (L) und die Klemmenspannung (U_K) der Spannungsquelle (Q) auf die Referenzspannung der Referenzspannungsquelle (Q_ref) eingeregelt werden.

10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8 sowie zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Diffe­ renzverstärker (V1) mit einer ersten Referenzspannungs­ quelle (Q_ref1) so beschaltet wird, daß die Versorgungs­ spannung (U_L) der Last (L) auf deren Referenzspannung eingeregelt wird, daß eine zweite Referenzspannungs­ quelle (Q_ref2) vorgesehen ist, und daß der zweite Differenzverstärker (V2) mit der ersten und zweiten Referenzspannungsquelle (Q_ref1, Q_ref2) so beschaltet wird, daß die Klemmenspannung (U_K) der Spannungsquelle auf die Summe der Referenzspannungen der beiden Refe­ renzspannungsquellen (Q_ref1, Q_ref2) eingeregelt wird.

11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Last einen in inte­ grierter CMOS-Technik hergestellten Schaltkreis dar­ stellt, und daß die beiden Regler (T1, T2) als auch die beiden Schalter (T3, T4) MOS-Feldeffekttransistoren sind.

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die MOS-Feldeffekttransistoren vom p-Kanaltyp sind.

13. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Längsrege­ lung verwendete Referenzspannung ungefähr der Summe aus den Schwellspannungen der p- und n-Kanal-Feldeffekt­ transistoren entspricht.

14. Verwendung der Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 13 in einem Datenträger zur drahtlosen Energieversorgung als auch zur drahtlosen Datenübertra­ gung, wobei die Spannungsquelle (Q) zur induktiven Kopplung mit einem Lesegerät als Serienschaltung aus einer Spule (Sp) und einer Diode (D1) aufgebaut ist.