-
Die vorliegende Erfindung betrifft
die Versorgung ferngespeister elektronischer Schaltungen und insbesondere,
aber nicht ausschließlich,
kontaktloser Chipkarten, die also über eine Distanz mit einem Endgerät kommunizieren,
wobei der Datenaustausch von der Karte zu dem Endgerät über eine
klassische Absorptionsmodulation erfolgt. Eine besondere Anwendung
der Erfindung betrifft kontaktlose Chipkarten, die als "Kurzdistanz-Karten" (im englischen "close coupling") bezeichnet werden,
die auch in Lesegeräte
eingeführt
werden können.
-
Diese kontaktlosen Chipkarten werden ebenfalls über denselben
Kanal gespeist, der für
die Datenübertragung
genutzt wird. In der Praxis weist der Chip eine induktive Schnittstelle,
wie z. B. eine Spule auf, die mit einer Spule des Endgeräts zusammenwirkt.
Die Dekodierung der von der Karte durch Amplitudenmodulation übermittelten
Daten umfaßt die
Messung der Spannungsänderung
an der Spule des Endgeräts,
die den übermittelten
und durch die Modulationsmittel der Chipkarte generierten Daten entspricht.
Eine solche Chipkarte ist in der GB - A - 2321726 beschrieben.
-
Die Menge der auf einer solchen elektronischen
Chipkarte integrierten Funktionen befindet sich derzeit in ständiger Weiterentwicklung.
Die Vervielfachung der Funktionen impliziert eine Vervielfachung
der verwendeten Transistoren sowie eine erhebliche Erhöhung der
verbrauchten Energie. Aus dem Betrieb der elektronischen Bauteile
der Chipkarte resultiert eine erhebliche Schwankung des verbrauchten
oder aufgenommenen Stroms. Diese Schwankungen des verbrauchten Stroms
induzieren in der Spule der Chipkarte Ströme, die sich mit den Modulationsströmen überlagern.
Die sich an der Spule des Endgeräts
ergebenden Spannungsschwankungen umfassen also nicht nur die durch
die Absorptionsmodulation erzeugten Spannungsschwankungen, sondern
auch parasitäre
Spannungsschwankungen, die durch die Verbrauchsschwankungen der
elektronischen Bauteile der Chipkarte hervorgerufen werden. Die
Dekodierung der übertragenen
Informationen wird also gestört,
und die Datenübertragung
kann sogar schlimmstenfalls unterbrochen werden.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, eine
Lösung
für dieses
Problem anzubieten.
-
Ein Ziel der Erfindung ist es, zu
verhindern, daß die
Schwankungen des von den elektronischen Bauteilen der Chipkarte
aufgenommenen Stroms die Datenübermittlung
stören,
und eine zuverlässige
Datenübermittlung
zu erzielen, wie auch immer die Schwankungen des von den ferngespeisten
integrierten Schaltungen aufgenommenen Stroms sein mögen.
-
Die Erfindung schlägt eine
Vorrichtung zur stabilisierten Versorgung einer ferngespeisten elektronischen
Schaltung vor, deren Versorgung und Datenübertragung durch denselben
Kanal mittels einer induktiven Schnittstelle, wie z. B. einer Spule,
realisiert ist. Die Vorrichtung umfaßt erfindungsgemäß ein elektronisches
Modul, das zwischen der induktiven Schnittstelle und der elektronischen
Schaltung angeordnet ist und das die elektronische Schaltung mit
einem variablen Strom versorgt, d. h., das in der Lage ist, den
Strom in Abhängigkeit
von den Verbrauchsschwankungen der elektronischen Bauteile derart
zu variieren, daß der
reibungslose Betrieb dieser elektronischen Bauteile sichergestellt
ist und das einen Konstantstrom aufnimmt, so daß eine effiziente Datenübertragung
möglich
ist. Das elektronische Modul umfaßt eine Stromquelle, die einen
Konstantstrom bereitstellt und ein Mittel (oder Shunt) zur Abzweigung
einer Konstantspannung (z. B. einen N-MOS-Transistor, der durch
eine Widerstandsbrücke
polarisiert wird), das parallel geschaltet zur besagten elektronischen
Schaltung ist.
-
Der von der Stromquelle bereitgestellte
Konstantstrom ist vorzugsweise mindestens gleich dem maximalen,
von der elektronischen Schaltung aufgenommenen Strom.
-
Gemäß einer vorteilhaften Eigenschaft
der Erfindung wird die Stromquelle durch eine Referenzschaltung
mit Hilfe einer Konstantspannung gesteuert.
-
Vorzugsweise umfaßt das elektronische Modul
zwei Filter-Kapazitäten,
um hochfrequente Signale abzublocken.
-
Gemäß einer vorteilhaften Eigenschaft
der Erfindung umfaßt
die besagte Schnittstelle eine Spule, die mit einem Zweiweggleichrichter
verbunden ist, wobei die Spule eine Spannung aufweist, die von dem
Magnetfeld eines entfernten Induktors (z. B. der Spule des Endgeräts, das
mit der Chipkarte wechselwirkt) induziert wird.
-
Weitere Vorteile und Eigenschaften
der Erfindung werden bei Betrachtung der nicht beschränkenden
Ausführungsbeispiele
und der beiliegenden Zeichnung deutlich, bei der zeigt:
-
1 ein
vereinfachtes Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
-
2 eine
schematische Darstellung einer Referenzschaltung der Vorrichtung
nach 1,
-
3 eine
schematische Darstellung einer Stromquelle der Vorrichtung nach 1,
-
4 eine
schematische Darstellung eines Mittels zur Abzweigung einer Konstantspannung
der Vorrichtung nach 1 und
-
5 eine
schematische Darstellung von Modulations-Mitteln der Vorrichtung
nach 1.
-
Obwohl die Erfindung darauf nicht
beschränkt
werden soll, wird im folgenden eine erfindungsgemäße Vorrichtung
beschrieben, die auf einer Chipkarte implementiert ist, die als
wesentliches elektronisches Bauteil einen Microcontroller mit asynchroner
Logik umfaßt.
Microcontroller mit asynchroner Logik weisen als charakteristische
Eigenschaft große
Schwankungen in der Leistungsaufnahme auf.
-
In 1 ist
Spule 1 ein Induktor in einem entfernten Endgerät. Spule 1 erzeugt
ein Magnetfeld. Die anderen in 1 dargestellten
Bauteile gehören zum
Chip. Spule 2 versorgt die Bauelemente des Chips mit der
induzierten Spannung, die hervorgerufen wird, wenn sich Spule 2 in
dem Magnetfeld befindet, das durch Spule 1 hervorgerufen
wird. Diese induzierte Spannung liefert Strom I, der von dem Chip aufgenommen
wird. Ein Zweiweggleichrichter RDA liefert eine Spannung VNR aufgrund
der Wechselspannung im Radiofrequenzbereich, die an den Klemmen
von Spule 2 anliegt.
-
Die induzierte Spannung an den Klemmen des
Induktors 1 hat die Form: V = MωI.
-
Dabei ist M die Gegeninduktivität zwischen Spule 2 und
Induktor 1 und ω =
2 π F (F
ist die Frequenz) ist die Kreisfrequenz.
-
Die Spannung V = MωI entspricht
der anliegenden Spannung, wenn Daten von der Karte zu dem Endgerät übermittelt
werden.
-
Die induktive Schnittstelle, die
die Spule 2 und den Zweiweggleichrichter 3 umfaßt, gestattet nicht
nur die Versorgung der Chipkarte, sondern sie kann genauso gut Daten
von der Karte zum Endgerät und
vom Endgerät
zur Karte übertragen.
-
Der Microcontroller 10 ist
der wesentliche elektronische Schaltkreis der Chipkarte. Der Microcontroller 10 kann
Daten mit Hilfe der Modulations-Mittel 11 und der Demodulations-Mittel 12 Daten austauschen.
Die Demodulations-Mittel gestatten den Empfang von Daten, die vom
Endgerät
emittiert werden. Die Übertragung
von Daten vom Endgerät zur
Chipkarte geschieht durch Amplitudenmodulation des Magnetfeldes.
Die Modulations-Mittel 11 für die Daten gestatten die Datenübertragung
zum Endgerät mittels
der Technik der Absorptionsmodulation einer phasenmodulierten Trägerschwingung,
die eine dem Fachmann bekannte Technik darstellt.
-
Ein elektronisches Modul 4 ist
zwischen dem Microcontroller 10 und dem Zweiweggleichrichter 3 angeordnet.
Das elektronische Modul 4 nimmt eingangsseitig einen Konstantstrom
i0 auf und versorgt den Microcontroller 10 mit einem Strom
i3, der in Abhängigkeit
vom Verbrauch des Microcontrollers 10 schwankt.
-
Das elektronische Modul 4 umfaßt einen Stromgenerator 5,
der seinem Strompfad einen Konstantstrom i1 aufprägt, ein
Mittel zur Abzweigung einer Kon stantspannung 7 (z. B. ein
N-MOS-Transistor, dessen Gate-Elektrode durch eine Widerstandsbrücke vorgespannt
ist) und ein Referenz-Mittel 6, das einen Referenzstrom
für die
Vorspannung des Stromgenerators aufbringt. Das elektronische Modul 4 umfaßt ebenfalls
zwei Filter-Kapazitäten 8 und 9, die
hochfrequente Signale abblocken, die den Betrieb des elektronischen
Moduls 4 stören
könnten.
-
Die Mittel zur Abzweigung prägen den
Anschlüssen
des Microcontrollers 10 eine stabilisierte Spannung VDD
auf, die dem für
den ordnungsgemäßen Betrieb
des Microcontrollers 10 erforderlichen Wert entspricht.
-
Die Spannung VNR versorgt die Demodulations-Mittel,
wie auch die Referenz-Mittel 6.
Einer der Ausgänge
des Referenz-Mittels 6 stellt die Referenzströme für die Vorspannung
des Stromgenerators 5 zur Verfügung.
-
Der Stromgenerator 5 stellt
eine Konstantstrom i1 zur Verfügung,
der so bestimmt ist, daß er dem
maximalen von dem Microcontroller 10 aufnehmbaren Strom
entspricht. Um den Schwankungen des von dem Microcontroller 10 aufgenommenen
Stroms zu entsprechen, wird der Konstantstrom i1 zweigeteilt: Ein
Teil i3 versorgt den Microcontroller 10, und ein Teil i2
versorgt die Mittel zur Abzweigung 7. Die Ströme i2 und
i3 verändern
sich gegensinnig. Wenn i2 ansteigt, verringert sich i3. Wenn sich
i2 verringert, steigt i3 an. Die Veränderung des von dem Microcontroller
aufgenommenen Stroms wirkt also nicht auf die Höhe von i1 zurück und nicht
auf i0, der konstant bleibt. i1 = i2 + i3 = konstant
-
Mit anderen Worten, die Stromschwankungen
des Microcontroller werden nicht in den Bereich der Spannung VNR übertragen,
so daß die
Modulations- und Demodulations-Mittel ungestört bleiben.
-
Wenn der Microcontroller Daten zu
dem Endgerät übertragen
möchte,
werden diese Daten zum Modulator 11 übermittelt, der die Daten seinerseits zum
Zweiweggleichrichter 3 in Form einer Stromschwankung δi entlang
der Strompfade 13 und 14 überträgt, die zwischen dem Modulator 11 und
der positiven Anschlußklemme
des Zweiweggleichrichters 3 angeordnet sind. Die Schwankung δi wird sodann
auf die Spule 2 übertragen,
und die induzierte Spannung an den Klemmen des Induktors 1 ist gleich: V = Mω(I + δi).
-
Da der Term MωI ein nahezu konstanter Term
ist, der keinerlei Informationen über die Daten enthält, hat
er einen quasi-stationären
Wert zur Folge. Folglich ist es möglich, im Endgerät die mit
den übertragenen
Daten korrespondierende und durch den Term δi hervorgerufene Modulation
zu detektieren. Da der Strom i0 konstant und keine Quelle von Schwankungen
ist, die durch den Betrieb des Microcontrollers 10 verursacht
werden könnten,
ist die Datenübertragung
von der Karte zu dem Endgerät
ungestört.
-
Obwohl die Übertragung vom Endgerät zu der
Chipkarte weniger problematisch sein sollte, da die Übertragung
mit einer amplitudenmodulierten Trägerwelle von 13 MHz erfolgt,
die um 10% moduliert wird, arbeitet das Modul 4 erfindungsgemäß vorzugsweise
in der gleichen Art, nämlich
indem die von dem Microcontroller aufgenommene Leistung von der
Datenübertragung
getrennt wird. Unabhängig von
der Übertragungsrichtung
kann der Microcontroller seine Programmausführung simultan zur Datenübertragung
fortsetzen.
-
In den 2 bis 5 sind die Transistorgeometrien
in 0,25 μm-Technologie
angedeutet.
-
In 2 ist
im Detail das Referenz-Mittel 6 zu sehen. Dieses Mittel
ist dem Fachmann bekannt, und es besteht grundsätzlich aus sechs Transistoren, vier
identische P-MOS-Transistoren (P1, P2, P3 und P4) mit einer einheitlichen
Länge von
1 μm und
einer Breite von 3 μm
und zwei N-MOS-Transistoren, N1 und N2, deren Gate-Elektroden miteinander
verbunden sind. Die Länge
des Transistors N1 entspricht 1 μm
und seine Breite entspricht 3 μm.
Die Länge
von Transistor N2 entspricht 1 μm
und seine Breite entspricht 30 μm.
Die Spannungs-Referenzmittel
umfassen zudem einen 150 kΩ-Widerstand,
der zwischen dem Transistor N2 und der Masse angeordnet ist.
-
Der Ausgang des Spannungs-Referenzmittels 6 wird
gebildet durch die Gate-Elektroden
von N1 und N2, die mit der Drain-Elektrode von N1 verbunden sind.
Die Ausgangsspannung ist konstant und wird durch die Dimensionierung
der verwendeten Bauteile (Transistoren und Widerstand) bestimmt.
-
In 3 ist
im Detail die Stromquelle 5 zu sehen, die durch die Referenzströme gesteuert
wird, die von den Referenz-Mitteln 6 ausgegeben werden. Die
Stromquelle ist eine Vorrichtung, die zwei P-MOS-Transistoren (PG1
und PG2) umfaßt,
die miteinander über
ihre Gate-Elektroden verbunden sind und ein N-MOS-Transistor NG1, dessen
Drain-Elektrode mit der Gate- und der Drain-Elektrode von PG1 verbunden
ist. Die Länge
des Transistors PG1 entspricht 1 μm
und seine Breite entspricht 15 μm.
Die Länge
des Transistors PG2 entspricht 0,5 μm und seine Breite entspricht
1500 μm.
Die Ausgangsspannung der Referenz-Mittel 6 speist die Gate-Elektrode von
NG1. Der Ausgang der Stromquelle 5 wird durch die Drain-Elektrode
von PG2 gebildet.
-
In 4 ist
das Abzweigungs-Mittel 7 zu sehen, das aus einem N-MOS-Transistor (NZ) besteht, der über eine
Widerstandsbrücke
RZ1 und RZ2 an der Gate-Elektrode des N-MOS-Transistors vorgespannt
ist. Die Höhe
der stabilisierten Spannung hängt
von der Schwellspannung des besagten N-MOS-Transistors und von dem Wert des Verhältnisses
RZ2/RZ1 der Widerstände
RZ2 und RZ1 ab. RZ1 entspricht 22 kΩ, RZ2 entspricht 10 kΩ, und das Verhältnis Breite/Länge des
Transistors NZ entspricht 1000/0,25.
-
In 5 sind
die Modulations-Mittel zu sehen, die das Versenden der Daten zum
Endgerät
mit der Technik der Absorptionsmodulation mit einer phasenmodulierten
Trägerwelle
gestatten. Die Modulations-Mittel umfassen einen N-MOS-Transistor und einen
Widerstand RM. Die phasenmodulierte Hilfsträgerwelle (die vom Microcontroller 10 stammenden Daten)
steuert die Gate-Elektrode des N-MOS-Transistors und ruft so die
Stromschwankung δi
im Widerstand RM hervor, der mit der Spannung VNR verbunden ist.
-
Mit den oben genannten Eigenschaften
des Spannungs-Referenzmittels 6, der Stromquelle 5, des
Abzweigungs-Mittels 7 beträgt der von der Stromquelle 5 zur Verfügung gestellt
Strom 14 mA und die stabilisierte Versorgungsspannung des Microcontrollers 10 beträgt 2 V.