JP2006506861A - データ伝送ユニットへのエネルギー供給装置 - Google Patents

Abstract

本発明によるデータ伝送ユニットにエネルギーを供給する装置は、エネルギーを非接触に、好ましくは電界（F）を介して、該データ伝送ユニット（ＲＬ）に供給可能なエネルギー供給入力部（６８）を有する。さらに、エネルギー供給入力部（６８）をデータ伝送ユニット（ＲＬ）と結合および切離す、切離しユニット（４２）が提供され、切離しユニット（４２）は、データ伝送ユニット（ＲＬ）の供給電圧（ＵＤＣ）が許容範囲を逸脱した場合に切離しが行われるように構成され、動作可能である。

Description

本発明は、 データ伝送ユニット、例えばチップカードのチップへのエネルギー供給装置に関する。

チップカードにおいて、通信は、すなわちデータの送信および受信は非接触に行われる。また、チップカードの送信器および受信器のエネルギー供給も非接触に行われる。チップカードの送信器および受信器のエネルギー供給は、チップカードを取り囲む電界から取り出される。

１Ｍｂｉｔｓ／ｓ以上へのデータ伝送レートの傾向および同時のチップ内での電流消費の増加のために、チップへのエネルギー供給の際の要求も増大する。

データ伝送は、高周波振幅変調を用いて行われる。データはカード読み取り器からチップに伝送され、この場合チップは受信器として動作し、データはチップからカード読み取り器に伝送され、この場合チップは送信器として動作する。カード読み取り器は、しばしばリーダーとして示される。１Ｍｂｉｔｓ／ｓ以上へのデータ伝送レートおよび同時のチップ内での大きな電流消費において、負荷変調、すなわちチップからカード読み取り器へのデータ伝送の際に、目下のシステムにおいて十分大きな変調変化（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｓｈｕｂ）を達成することは、困難である。同様に、カード読み取り器から送信されたデータの受信の際に、結合区間あるいはチップの雑音および妨害から変調信号を明確に際立たせるために、十分大きな信号変化（Ｓｉｇｎａｌｈｕｂ）を得ることも困難である。そのため、検出正確性を向上するために、良好な信号雑音比を得ることが有益である。

一般に、チップ上に、チップのエネルギー供給のためのエネルギー貯蔵部が提供される。供給路内においてエネルギー貯蔵部の容量はかなり微小に選択されるため、タイプＡの動作方法において生じるフィールド切れ目（Ｆｅｌｄｌｕｅｃｋｅ）の間において、チップのエネルギー供給のための新しい概念が導入されねばならない。

変調率（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｓｉｎｄｅｘ）１００％の場合において、以下に、タイプＡの伝送方法について記載される。
（従来技術）
従来の方法は、エネルギーをフィールドから電荷貯蔵部内、例えば容量内に集めることからなる。それによって、直流電圧ＵＤＣが得られ、それは、エネルギー貯蔵部の充電および放電が時間的に交替されるため、のこぎり波状の電圧に変調される。タイプＡの切れ目が生じるため、それは、例えば３μｓ間、サイクルおよびフィールドが存在しないことを意味し、エネルギー源は、消費部、すなわちチップにこの時間内においてエネルギーを利用可能にする必要がある。

図１に示されたブロック回路図に基づいて、従来技術から知られたエネルギー供給の機能原理が記述される。フィールドＦから生成された電圧ＵＦは、フィールドピークの間、整流器１を介して貯蔵容量ＣＳに充電される。その際、充電時間は、一般に短い。この短い充電時間外において、貯蔵容量ＣＳはチップのエネルギー供給を確実にする。貯蔵容量ＣＳがエネルギー供給として動作する間、貯蔵容量ＣＳは、消費部として象徴される負荷抵抗ＲＬを介して放電される。負荷抵抗ＲＬが小さい場合、多くのエネルギーおよび多くの電荷量が貯蔵容量ＣＳから取り出され、負荷抵抗ＲＬの直流電圧ＵＤＣは、指数関数に対応して急激に低下する。貯蔵容量ＣＳが小さいほど、負荷抵抗ＲＬの直流電圧ＵＤＣは、急激に低下する。貯蔵容量ＣＳは、切り抜け時間内に電圧ＵＤＣが最低電圧以下に低下しないような大きさに設計される必要がある。この理由から、大きな貯蔵容量ＣＳが提供された場合、電圧ＵＤＣは最低電圧以下に低下しないが、しかしながら、そのために、貯蔵容量ＣＳを所望の電圧ＵＤＣｓｏｌｌに充電することがより困難になる。困難性は、フィールドＦから任意に多くのエネルギーを引き出せないことによる。フィールドＦから引き出し可能なエネルギー量は、とりわけ、カード読み取り器の送信電力、カード読み取り器のアンテナ品質、カード読み取り器のアンテナとチップのアンテナとの距離、およびチップのアンテナ品質に依存する。エネルギーバランスが満たされるためには、少なくとも負荷抵抗ＲＬが消費するエネルギーをフィールドＦが提供する必要がある。

しばしば導入されるさらなる方法は、図１に示される回路に、シリーズレギュレータと容量ＣＨが追加されることにある。それによる実施形態が図２に示される。整流器１を用いて、フィールドＦから引き出された電圧ＵＦは、脈動する直流電圧ＵＤＣに変換され、容量ＣＨによって平滑される。この場合良好なＰＳＲＲ値を有する必要のないシリーズレギュレータ２は、電圧ＵＦに対して低い電圧ＵＤＣを生成する。シリーズレギュレータがない場合、電圧ＵＤＣの調整は並列レギュレータによって行われる必要がある。

総じて、フィールドＦは、容量ＣＨおよび容量ＣＳのような大きなエネルギー貯蔵部によって、例えば整流器１によって形成された低抵抗接続を介して、負荷されないことを、考慮する必要がある。大きなエネルギー貯蔵部がフィールドＦに低抵抗接続される場合、高データレートでのデータ伝送が不可能になる。さらにその際、低データレートによって、ダイナミックが低減される。

また、この実施形態の場合、上述された問題も生じる。

図１に示された実施形態および図２に示された実施形態は、容量が大きく選択されるため、データ通信の際に、有効信号の変化（Ｈｕｂ）およびダイナミックがすぐに減少するという欠点を有する。カード読み取り器は、チップの負荷変調をフィールドの障害と区別する状態になく、それは、誤り動作に導く。さらに、チップは、減少した有効信号のために、カード読み取り器から送信されたデータをデコードし得ない。有効信号はノイズに埋もれ、データ通信は麻痺する。

この関係を説明するために、図３に、整流器１の入力部の電圧ＵＦの推移および負荷抵抗ＲＬの電圧ＵＤＣの推移を示す。ｘ軸に時間ｔを示し、ｙ軸に電圧の振幅Ｕを示す。参照番号３１によって、整流器１の入力部の電圧ＵＦの推移が特徴付けられる。参照番号３２が付けられた破線は、電圧ＵＤＣの推移を特徴付ける。電圧ＵＦは、時刻ｔ１に下降し、時刻ｔ２において再び上昇する。これは、電圧ＵＤＣが、２つの時刻ｔ１とｔ２との間において、負荷ＲＬに制限されて連続的に減少し、時刻ｔ２とｔ３との間において、すなわち電圧ＵＦが上昇する間、同様に増加する結果を導く。しかしながら、時刻ｔ３において、電圧ＵＤＣがその開始値に達しないことが確認される。時間範囲ｔ２〜ｔ３、およびｔ４〜ｔ５は、電圧ＵＤＣが開始値に達するには十分ではない。むしろ、電圧ＵＤＣの電圧平均値は、連続的に低下する。これは、最終的に、カード読み取り器がチップの負荷変調をフィールドの障害と区別する状態になく、それは、誤り動作にいたることを導く。さらに、チップは、減少した有効信号のために、もはや、カード読み取り器から送信されたデータをデコードし得ない。

そのため、本発明の課題は、常時、データ伝送が保証される、データ伝送ユニットへのエネルギー供給装置を提供することにある。

この課題は、請求項１による特徴を有するデータ伝送ユニットへのエネルギー供給装置によって解決される。

本発明によるデータ伝送ユニットへのエネルギー供給装置は、エネルギーを非接触に、好ましくは電界を介して、データ伝送ユニットに供給可能なエネルギー供給入力部を有する。さらに、エネルギー供給入力部を該データ伝送ユニットと結合および切離す、切離しユニットが提供され、切離しユニットは、データ伝送ユニットの供給電圧が許容範囲を逸脱した場合に切離しが行われるように、構成され、動作可能である。

本発明の有利なさらなる実施形態は、従属請求項に示された特徴からもたらされる。

本発明の一実施形態において、データ伝送ユニットと必要に応じて接続されるエネルギー貯蔵部が提供される。これは、データ伝送ユニットが、それによって、より大きな時間範囲で動作可能であるという利点を有する。

有利な方法として、エネルギー貯蔵部はコンデンサを有する。それによって、簡易な技術および方法によってエネルギーが一時的に貯蔵され得る。

本発明の装置の好ましい実施形態の変更に対応して、エネルギー貯蔵部のデータ伝送ユニットとの必要に応じた接続のためのスイッチング手段が提供される。

本発明の装置のさらなる実施形態において、スイッチング手段を制御する制御ユニットが提供され、制御ユニットは、供給電圧が許容範囲を逸脱した場合に、エネルギー供給入力部とデータ伝送ユニットとの結合が行われるように、構成され、動作可能である。そのため、エネルギー貯蔵部は、追加的エネルギーが必要な場合にのみ、接続されるということが、達成される。

さらに、本発明の装置において、スイッチング手段は、ＮチャネルＭＯＳトランジスタとして構成される。

課題を解決するために、本発明の装置において、さらに、エネルギー供給入力部とデータ伝送ユニットとの間に接続されたダイオードを提供することが、提案される。

本発明のさらなる実施形態において、装置は、エネルギー貯蔵部とエネルギー供給入力部との間に接続されたさらなるダイオードを有する。

有利にも、本発明による装置は、データ伝送ユニットの供給電圧を一定に維持可能なように構成されたシリーズレギュレータを有する。これによって、データ伝送の一定の高品質が長期に保証される。

さらに、本発明の装置において、シリーズレギュレータは、エネルギー供給入力部とデータ伝送ユニットとの間に接続されたトランジスタを有する。

課題を解決するために、データ伝送ユニットに並行に接続されたさらなるコンデンサが提供されることが、さらに提案される。

本発明の装置の好ましい実施形態の変更に対応して、本発明の装置において、許容範囲は、最大１４％の変調率によって提供される。

本発明によるデータ伝送ユニットにエネルギー供給する方法において、データ伝送ユニットは、データ伝送の間、エネルギー貯蔵部から切離されることが、提供される。

以下において、本発明が、７つの図面を参照して詳述される。

既に上述されているため、図１、２および３のさらなる説明はされない。そのため、ここでは、それ続いて、参照される。

図４のブロック回路図において、本発明によるデータ伝送ユニットへのエネルギー供給装置の実施形態が、原理的に示される。本発明による装置は、当然、チップカードのチップ上の他の部品への供給にも使用され得る。装置の入力部６８に、フィールド（Ｆｅｌｄ）Ｆから生じた電圧ＵＦが存在する。エネルギー供給入力部として示される入力部６８は、整流器１の入力部に接続される。出力側において、整流器１は、エネルギー貯蔵部４１および切離し（Ｅｎｔｋｏｐｐｌｕｎｇ）モジュール４２と接続される。切離しモジュール４２には、容量Ｃおよび負荷抵抗ＲＬによって象徴された消費部が後続される。その際、負荷抵抗ＲＬおよび容量Ｃは、互いに並列に配置される。

フィールドＦは、チップのエネルギー貯蔵部によっていかなる影響も受けないことが目標である。この理由から、フィールドＦは、必要に応じて、集積回路のエネルギー貯蔵部から切離される。そのようなエネルギー貯蔵部は、例えば低抵抗、ダイオード、あるいは同様なものを介して、フィールドＦと強く結合される状態にあるため、少なくともデータ通信の間は、このエネルギー貯蔵部からは、かなりわずかのエネルギーしか取り出せない。そのため、これを達成するために、整流器１の後に切離しモジュール４２が接続される。その結果、チップには常にエネルギーが供給され、さらに、通信の間、フィールドＦは負荷されない。フィールド切れ目の間は、エネルギー貯蔵部からエネルギー供給が行われ、その際、エネルギーがエネルギー貯蔵部から消費部へ供給される電圧閾値は、正確に規定される。

切離しモジュール４２を介して、電圧ＵＤＣは、一定電位に維持される。これは、図７において参照番号７２が付された電圧ＵＤＣの推移から認識される。そのため、切離しモジュール４２の入力電圧は、ダイナミックなフィールドＦを許容するために、より高い必要がある。

切離しモジュール４２は、図５に示された実施形態のように構成され得る。その際、整流器１の出力部１．１は、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ５２に接続される。ＮチャネルＭＯＳトランジスタ５２を介して、ゲート−ソース間電圧ＵＧＳおよびその結果の電圧ＵＤＣは一定であり、その結果、整流器１の出力部１．１のダイナミックな変動が抑制されるように、制御される。ＮチャネルＭＯＳトランジスタ５２の制御は、制御ユニット５１によって行われ、制御ユニット５１の入力側には電圧ＵＤＣが印加され、出力側はＮチャネルＭＯＳトランジスタ５２の制御入力部に接続される。単に、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ５２のチャネル長の変更および寄生的な分離のみが、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ５２のゲートに、悪影響する。

図６において、本発明によるデータ伝送ユニットへのエネルギー供給装置の実施形態の変形の回路図が示される。供給入力部６８は２つのダイオード６１および６２に接続され、それらのカソードはスイッチングトランジスタ６３の接続出力部に接続される。ダイオード６１のカソードはさらに、容量Ｃ１の形態のエネルギー貯蔵部６５に接続される。スイッチングトランジスタ６３の制御入力部は、シリーズレギュレータとして示される制御トランジスタ５２の制御入力部に接続され、またシリーズレギュレータの制御ユニット６４の出力部に接続される。容量Ｃ２は、その一方の側が基準電位ＧＮＤに接続され、他方の側が制御トランジスタ５２の制御出力部、制御ユニット６４の入力部および消費部に接続され、図４に示された容量Ｃに対応する。ブロック６７において、調整器は、負荷エネルギー貯蔵部Ｃ２と統合される。

続いて、図６に示された回路の機能が説明される。シリーズレギュレータ５２は、制御ユニット６４によって電圧ＵＤＣを一定に維持する。フィールドＦから取り出された電圧ＵＦは、電圧（ＵＤＣ＋ＵＤＳ５２＋ほぼ１００ｍＶ）よりも大きい。ここで、ＵＤＳ５２は、トランジスタ５２のドレイン−ソース間電圧である。これは、通常動作に該当し、チップからカード読み取り器へのデータ送信および変調率１４％までのデータの受信に該当する。

しかしながら、変調率が１４％より大きく、それはＩＳＯ許容範囲になく、フィールドＦから得られる電圧ＵＦがかなり低下した場合、スイッチングトランジスタ６３が動作し、すなわち導通する。エネルギー貯蔵部６５、すなわち容量Ｃ１に貯蔵されたエネルギーは、スイッチングトランジスタ６３およびシリーズレギュレータ５２を介して、負荷、すなわち消費部に流れる。そのため、もはやエネルギーはフィールドＦから取り出されることはなく、その結果、エネルギーは、ダイオード６２およびシリーズレギュレータ５２を介して消費部に達しない。

この回路を用いることによって、エネルギー貯蔵部６５は、追加のエネルギーが必要な場合にのみ、消費部によって利用される。フィールドＦがかなり低減したときに、エネルギーが必要な場合、チップはフィールドＦからエネルギー供給を受け得ない。エネルギー貯蔵部６５からのエネルギー蓄えは、迅速に接続され、対応するエネルギーが、負荷の電流消費に依存して提供される。追加の回路費用は、有利にも、ごくわずかである。回路自体、追加の電流を消費しない。

実現のために、実際に、ＮＭＯＳトランジスタのみが必要であり、このＮＭＯＳトランジスタは、シリーズレギュレータ５２のＮＭＯＳトランジスタに比べて大きな電流生産性を有する。

回路は、１００％振幅シフトキーイングのおよび１０％振幅シフトキーイングのデータ伝送に適する。

図７に示された電圧推移７１および７２によれば、電圧ＵＤＣは全期間において一定であることが認識される。ここで、参照番号７１はフィールドＦから取り出された電圧ＵＦの推移を示し、参照番号７２は破線を用いて電圧ＵＤＣの推移を示す。図３に示された電圧推移３２とは対照的に、本発明による電圧ＵＤＣは、時間経過において低下しない。

本発明による実施例の上記記載は、例示のためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明の範囲において、本発明の周辺および均等物を逸脱することなく、様々な変更および改良が可能である。

従来技術による、チップカード内のチップへのエネルギー供給装置のブロック図を示す。 従来技術による、チップカード内のチップへの第２のエネルギー供給装置のブロック図を示す。 従来技術によるエネルギー供給装置の入力部および出力部の電圧推移を示す。 本発明によるエネルギー供給装置の実施形態のブロック図を示す。 本発明による装置に導入される切離しモジュールの実施形態を示す。 本発明による、チップカード内のチップへのエネルギー供給装置の回路図を示す。 本発明によるエネルギー供給装置の入力部および出力部の電圧推移を示す。

符号の説明

１ 整流器
１ 整流器の出力部
２ シリーズレギュレータ
３１ 電圧ＵＦの推移
３２ 電圧ＵＤＣの推移
４１ エネルギー貯蔵部
４２ 切離しモジュール（Ｅｎｔｋｏｐｐｌｕｎｇｓｍｏｄｕｌ）
５２ トランジスタ
６１、６２ ダイオード
６３ スイッチングトランジスタ
６４ コントローラ
ＵＤＳ５２ トランジスタ５２のドレイン−ソース間電圧
ＵＧＳ５２ トランジスタ５２のゲート−ソース間電圧
ＵＧＳ６３ トランジスタ５２のゲート−ソース間電圧
６６ スイッチング手段
６７ 負荷エネルギー貯蔵部を有する調整器
６８ 供給電圧入力部
７１ 電圧ＵＦの推移
７２ 電圧ＵＤＣの推移
ｔ１〜ｔ５ 各時刻
ＵＤＣ 整流器電圧
ＲＬ 負荷抵抗
ＣＨ 大きい容量
ＣＬ 小さい容量
ＵＦ 電界から取り出される電圧
ＣＳ 貯蔵容量
ＩＬ 負荷電流
Ｆ 電界
ＧＮＤ 基準電位

Claims (13)

1. データ伝送ユニットにエネルギーを供給する装置であって、
   エネルギーを非接触に、好ましくは電界（Ｆ）を介して、該データ伝送ユニット（ＲＬ）に供給可能なエネルギー供給入力部（６８）と、該エネルギー供給入力部（６８）を該データ伝送ユニット（ＲＬ）と結合および切離す、切離しユニット（４２）とを備え、
   該切離しユニット（４２）は、データ伝送ユニット（ＲＬ）の供給電圧（ＵＤＣ）が許容範囲を逸脱した場合に切離しが行われるように構成され、動作可能である、エネルギー供給装置。
2. 前記データ伝送ユニット（ＲＬ）と必要に応じて接続可能なエネルギー貯蔵部（４１）を備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記エネルギー貯蔵部（４１）はコンデンサ（Ｃ１）を有する、請求項２に記載の装置。
4. 前記エネルギー貯蔵部（４１）の前記データ伝送ユニット（ＲＬ）との必要に応じた接続のためのスイッチング手段（６６）を備える、請求項２または３に記載の装置。
5. 前記スイッチング手段（６６）を制御する制御ユニット（６７）を備え、該制御ユニット（６７）は、前記供給電圧（ＵＤＣ）が前記許容範囲を逸脱した場合に、前記エネルギー供給入力部（６８）と前記データ伝送ユニット（ＲＬ）との結合が行われるように、構成され、動作可能である、請求項４に記載の装置。
6. 前記スイッチング手段（６６）は、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ（６３）として構成される、請求項４または５に記載の装置。
7. 前記エネルギー供給入力部（６８）と前記データ伝送ユニット（ＲＬ）との間に接続されたダイオード（６２）を備える、請求項１から６のうちのいずれか一項に記載の装置。
8. 前記エネルギー貯蔵部（Ｃ１）と前記エネルギー供給入力部（６８）との間に接続されたさらなるダイオード（６１）を備える、請求項１から７のうちのいずれか一項に記載の装置。
9. 前記データ伝送ユニット（ＲＬ）の前記供給電圧（ＵＤＣ）を一定に維持可能なように構成されたシリーズレギュレータ（６７）を備える、請求項１から８のうちのいずれか一項に記載の装置。
10. 前記シリーズレギュレータ（６７）は、前記エネルギー供給入力部（６８）と前記データ伝送ユニット（ＲＬ）との間に接続されたトランジスタ（５２）を有する、請求項９に記載の装置。
11. 前記データ伝送ユニット（ＲＬ）に並行に接続されたさらなるコンデンサ（Ｃ２）を備える、請求項１から１０のうちのいずれか一項に記載の装置。
12. 前記許容範囲は、最大１４％の変調率によって提供される、請求項１から１１のうちのいずれか一項に記載の装置。
13. 請求項２から１２のうちのいずれか一項に従う方法であって、前記データ伝送ユニット（ＲＬ）は、データ伝送の間、前記エネルギー貯蔵部（Ｃ１）から切離される、方法。

Images