JP2016167261A

JP2016167261A - 二重周波数ｈｆ−ｕｈｆ識別デバイス

Info

Publication number: JP2016167261A
Application number: JP2016035316A
Authority: JP
Inventors: イジー・コルマン; Kolman Jiri; ゴラン・ストヤノヴィッチ; Stojanovic Goran; カタリン・ラザル; Lazar Catalin; フレデリク・サックステデール; Sacksteder Frederic
Original assignee: EM Microelectronic Marin SA
Current assignee: EM Microelectronic Marin SA
Priority date: 2015-03-10
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2016-09-15
Anticipated expiration: 2036-02-26
Also published as: JP6228245B2; CN105975886A; TW201642174A; BR102016005338A2; US10361593B2; US20160268850A1; EP3067835A1; KR101765003B1; TWI701600B; EP3067835B1; KR20160110193A; CN105975886B

Abstract

【課題】二重周波数ＨＦ−ＵＨＦのＲＦＩＤ集積回路の電力供給構成を単純で効率的にする。
【解決手段】二重周波数ＨＦ−ＵＨＦのＲＦＩＤ識別デバイス（４２）は、ＨＦアンテナ接続されたＨＦ整流器（１２）によって形成されるＨＦ部分（４４）と、及びＵＨＦアンテナに接続されたＵＨＦ整流器（１８）によって形成されるＵＨＦ部分（４８）とを有する電力供給源を有する。当該ＲＦＩＤ集積回路は、さらに、前記電力供給源の前記ＨＦ部分とＵＨＦ部分に共通の蓄積キャパシター（５０）を有する。また、前記ＨＦ整流器の出力及び前記ＵＨＦ整流器の出力は両方とも、前記共通の蓄積キャパシターの前記電力供給端子に連続的に接続されており、前記共通の蓄積キャパシター（５０）の前記電力供給端子は、一方では、前記電力供給端子から前記ＨＦ整流器の出力への電流を阻止するように、ダイオード（５２）を介して前記ＨＦ整流器の出力に接続されており、他方では、電荷ポンプによって形成されるＵＨＦ整流器（１８）の出力に直接接続されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、二重周波数ＨＦ−ＵＨＦ識別デバイスに関し、特に、このようなデバイスであって少なくとも捕捉した電磁場から電力を抽出するように構成する電力供給回路を有するものに関する。第１の実施形態において、この識別デバイスは、少なくとも外部装置（リーダ／ライタ又は他のＲＦ通信デバイス）によって提供される電磁場から必要なエネルギーをすべて抽出する受動デバイスであることができる。第２の実施形態において、この識別デバイスは、電池によって支援されるものであることができる。すなわち、当該デバイスの少なくとも一部の機能に必要なエネルギーの一部が電池に格納されるものである。

具体的には、本発明のデバイスは、非接触の電子タグ又は非接触のスマートカードを形成する。

いくつかの二重周波数ＲＦＩＤ集積回路が提案されている。特に、受動デバイスの場合、電力供給源を定めなければならず、また、対応する集積回路を適切に構成しなければならない。電力供給源は、一般的に、少なくとも電力発生器を有する。２つの電力発生器がそれぞれＨＦアンテナコイルの共振回路における誘導電圧及びＵＨＦアンテナにおける誘導電圧にそれぞれ関連づけられている場合には、一般的に電力管理が行われ、このような電力管理を実装するように集積回路が設計されている。

図１には、従来技術の二重周波数ＨＦ−ＵＨＦ識別デバイスを示しており、これは、米国特許出願ＵＳ２００５／０１８６９０４に記載されている二重周波数タグを簡略的に設計したものである。この二重周波数ＨＦ−ＵＨＦ識別デバイス２は、ＨＦ部分４及びＵＨＦ部分６を有する。ＨＦ部分４は、ＨＦアンテナコイル１０、共振キャパシター８、ＨＦ整流器１２及びアナログＨＦフロントエンド１４（ＡＦＥ＿ＨＦ）によって形成されている。ＵＨＦ部分６は、ＵＨＦアンテナ１６、ＵＨＦ整流器１８及びアナログＵＨＦフロントエンド２０（ＡＦＥ＿ＵＨＦ）によって形成されている。この識別デバイス２は、さらに、論理ユニット２２及び非揮発性メモリー２４（ＮＶＭ）を有し、この論理ユニット２２は、この論理ユニット２２の第１の部分において配置されているマルチプレクサー（図１に示していない）を介して、アナログＨＦフロントエンド１４又はアナログＵＨＦフロントエンド２０のいずれかに接続されている。ＨＦ整流器１２は、ダイオード整流器である。これは、アンテナコイル１０及び共振キャパシター８によって形成される共振回路における誘導電圧を整流する。ＨＦ整流器１２は、その２つの入力端子Ｖ１ａ及びＶ１ｂにて、正と負の誘導電圧を交互に受ける。このＨＦ整流器１２は、その出力において第１の供給電圧ＶＨＦを生成する。変種の１つにおいて、このようなＨＦ整流器を、第１の供給電圧を発生させる電圧増幅回路に関連づけることができる。ＵＨＦ整流器１８は、ＵＨＦアンテナ１６の２つの線にリンクされた電荷ポンプによって形成されている。このＵＨＦ整流器１８は、その２つの入力端子Ｖ２ａ及びＶ２ｂにおいて正と負の誘導電圧を受け、その出力において第２の供給電圧Ｖ_UHFを提供するように構成している。

また、識別デバイス２は、モード検出ユニット２６とスイッチ３０によって形成される複合された電力とモードの管理部を有する。モード検出ユニット２６は、ＨＦ共振回路における誘導電圧（例、電圧Ｖ１ａ）を検知して、モード信号ＤＥＴを伝える。このモード信号ＤＥＴの値は、ＨＦアンテナコイルがＨＦ共振回路の共振範囲においてＨＦ電磁場（例、１３．５６ＭＨｚ）の受信を検知したかどうかを示す。このモード信号ＤＥＴは、第１の制御線３１を通してスイッチ３０の制御ゲートを制御し、第２の制御線３２を通して論理ユニット２２を制御する。このスイッチ３０は、ＵＨＦ整流器の出力と、電子回路に供給電圧Ｖsupを供給する供給線２８との間に配置されている。電力管理は、以下のａ）、ｂ）のように動作する。

ａ）モード検出ユニット２６が電力発生器のＨＦ部分で少なくとも所定電圧（具体的には、ＨＦ共振回路における誘導電圧、又は代わりに、ＨＦ整流器の出力における誘導電圧）を検出すると、ユニット２６の出力が第１の論理値（例、「１」）にセットされ、モード信号ＤＥＴは、到来するＨＦ電磁場があることを示す。スイッチ３０は、モード信号が第１の論理値にセットされている場合に、このスイッチ３０が開き（「ＯＦＦ」位置）、したがって、電圧ＶUHFがゼロであるか否かにかかわらず、ＵＨＦ電力発生器がアクティブではないように構成している。したがって、デバイス２の集積回路は、モード検出ユニットによる検出電圧が前記所定電圧以上であれば、ＨＦ部分のみによって電力供給される。また、論理ユニットは、このモード信号を受け、ＨＦプロトコル部分及び関連する回路部分をアクティブにする。具体的には、マルチプレクサーは、ＨＦ復調信号だけが論理ユニットに送られる（ＵＨＦ信号は送られない）ような第１の状態にされる。

ｂ）ユニット２６が電力発生器のＨＦ部分において所定電圧以上の電圧を検出しない場合には、ユニット２６の出力は、第２の論理値（例、「０」）にセットされ、モード信号ＤＥＴは、到来するＨＦ電磁場がないことを示す。スイッチ３０がオンにされ、したがって、閉じられる。これによって、このＵＨＦ部分で誘導電圧が生成される場合に、電力発生器のＵＨＦ部分が当該集積回路に電力供給することが可能になる。また、論理ユニットは、このモード信号を受け、ＵＨＦプロトコル部分及び関連する回路部分をアクティブ化し、特に、マルチプレクサーは、ＵＨＦ復調信号だけが論理ユニットに送られるような（ＨＦ信号は送られない）第２の状態にされる。

このように、デバイス２は、到来するＨＦ場を優先するように構成している。上記と同様の手法でＵＨＦ場を優先することによって反対の選択をした動作を行うことができる。しかし、上記米国特許出願が教示するように、そうではないＨＦ場を優先する手法が好ましい。これによって、ＮＶＭメモリーへのデータ書き込みを優先することができる。なお、この文献において、電力発生器のＵＨＦ部分によって発生する電圧が、ＥＥＰＲＯＭやフラッシュメモリーを消去したりプログラムしたりするためには低すぎるということを教示されていることに留意すべきである。したがって、ＨＦ整流器の出力と蓄積キャパシターの電力供給端子Ｖsupの間にスイッチが配置されていても、ＨＦ共振回路において所与の誘導電圧が検出されるとすぐにＨＦモードを選択することを教示している。

この識別デバイス２には多くの課題がある。まず、ＨＦ又はＵＨＦ通信の両方ではなく一方だけが可能になるようなモード選択があることである。そして、ＨＦ範囲において所与の活動レベルを検出した場合（一般的には、検知の理由によって、低いものである）、ＵＨＦ範囲における通信が行われないようにＵＨＦ通信が非アクティブ化される。ＵＨＦ通信が動作している場合、ＨＦ部分における所定電圧の検出によって、このような通信が止められる。最後に、電力管理によっては、デバイス２に与えられるＨＦ場がＵＨＦ通信のためにこのデバイスの電力供給に貢献するようにすることを可能にしない。これはデバイス２にとって大きな課題である。

エネルギー取り入れ及び通信のチャンネルが複数ある受動デバイスが、米国特許出願ＵＳ２００９／０１１７８７２に記載されている。この文献は、その図１Ａにおいて１つの一般的な実施形態を示しており、図２Ａにおいてより詳細な電子設計を示している。この受動デバイスは、２つのアンテナを有する。これらはそれぞれ、直列構成の２つの１段の半波ダイオード整流器につながれている。このようにして、これらの２つの整流器の出力キャパシターは、直列に接続され、さらに、共通のキャパシターも、２つの整流器からのエネルギーを格納して、これによって、受動デバイスにＤＣ電力を供給することができる。この実装は、特定の場合のものである。まず、第２のアンテナが第２の出力キャパシターにのみエネルギーを供給することができるときに、第１のアンテナは２つの整流器の両方の出力キャパシターにエネルギーを供給することができることに留意すべきである。また、アンテナはそれぞれ、アンテナと直列に接続されている入口キャパシターを通して電子回路につながれていることに留意すべきである。複数のエネルギー取り入れ用のこのような電子設計においていくつかの課題がある。まず、通常１３．５６ＭＨｚで選択されるＨＦ周波数よりも大きく上回る周波数に対して、一般的に、容量性結合が用いられること、特に、ＵＨＦ周波数範囲に対して用いられることである。しかし、文献ＵＳ２００９／０１１７８７２が教示する種類の整流器は、ＬＦ又はＨＦ信号に対しての方がはるかに適切である。実際に、このような電力発生器を、第１のアンテナによって受けたＨＦ信号及び第２のアンテナによって受けたＵＨＦ信号とともに用いることは合理的ではない。結合されるキャパシターが非常に大きくなり、その大きさが原因で漏れ電流が大きくなる。両方の整流器の入口においてほぼ同じインピーダンスを有するためには、ＨＦチャネル用の入口キャパシターの大きさは、ＵＨＦチャネル用のものより２００倍大きくなければならない。したがって、ＨＦ入口キャパシターを、集積回路に容易に組み入れることはできない。なぜなら、大きすぎるスペースを必要とするからである。また、両方のアンテナによってそれぞれ受けた２つの信号の周波数どうしが異なる場合、致命的な干渉が当該電力発生器で発生して、エネルギーが失われる可能性がある。

他の特定の形態が文献ＵＳ２００９／０１１７８７２の図１Ｂ〜図１Ｉに記載されている。しかし、これらが特別な機能を備えた特定の場合についてのものであることを教示しているようである。例えば、図１Ｇの実施形態を参照すると、両方の整流器の出力電流どうしが同じであることが必要であることが書かれており、図１Ｈの実施形態を参照すると、両方のＲＦ整流器の出力電圧のそれぞれが電力レギュレーターの入力電圧とほぼ同じであることが書かれている。すなわち、両方のＲＦ整流器の出力電圧どうしがほぼ同じであることが書かれている。ほとんどの時間において、両方のアンテナによって２つの異なる信号がそれぞれ受けられていれば、このような状況は発生しない。また、複数のエネルギー取り入れの１つの目標は、１つの供給源又は他の供給源から、あるいは発生電圧が異なるような両方の供給源から、エネルギーを取り入れることができるようにすることである。

本発明は、上記の従来技術のデバイスの課題を克服するような二重周波数ＨＦ−ＵＨＦのＲＦＩＤ集積回路及びこのような集積回路を有する二重周波数ＨＦ−ＵＨＦ識別デバイスを提供し、このような集積回路の電力供給構成を単純で効率的にすることを目的とする。

このために、本発明は、二重周波数ＨＦ−ＵＨＦのＲＦＩＤ集積回路に関し、このＲＦＩＤ集積回路は、ＨＦアンテナコイルと共振キャパシターによって形成される共振回路に接続されるように意図されたＨＦ整流器によって形成されるＨＦ部分と、及び電荷ポンプによって形成されＵＨＦアンテナに接続されるように意図されたＵＨＦ整流器を有するＵＨＦ部分とによって形成される電力供給源を有し、当該ＲＦＩＤ集積回路は、さらに、前記電力供給源の前記ＨＦ部分とＵＨＦ部分に共通の蓄積キャパシターを有し、前記ＨＦ整流器の出力及び前記ＵＨＦ整流器の出力は両方とも、前記共通の蓄積キャパシターの前記電力供給端子に連続的に接続されており、前記共通の蓄積キャパシターの前記電力供給端子は、前記電力供給端子から前記ＨＦ整流器の出力への電流を阻止するように、ダイオードを介して前記ＨＦ整流器の出力に接続されている。

「連続的に接続される」とは、ＨＦ及びＵＨＦ整流器の両方がそれぞれの入力端子において少なくとも有用な誘導電圧を受ける場合に、当該デバイスの電力供給源の電力発生器としてＨＦ整流器又はＵＨＦ整流器を選択するような選択用スイッチも他の選択手段もないことを意味している。他の用語に関連して、ＨＦ及びＵＨＦ整流器のうちの一方を優先して、他方の整流器を電子デバイスに電力供給するために用いることを避けるような非アクティブ化手段はない。

本発明のＲＦＩＤ集積回路の主な利点は、この集積回路に電力供給するために、ＨＦ電力発生器とＵＨＦ電力発生器との間の選択が行われないということである。このことは、用いられる通信プロトコル（ＨＦ又はＵＨＦ）に依存せずに、ＨＦ共振回路とＵＨＦアンテナによって捕捉される到来するＨＦ及びＵＨＦの場の両方を電力供給に貢献させることができることを意味している。なお、対応するアンテナによって受けたＨＦ及びＵＨＦの場の強さは、時間の関数として変移することができることに留意すべきである。本発明の電力供給源によって、初回の時間間隔においては、主としてＨＦ電力発生器を通して電力供給が行われ、初回の時間間隔に続く２回目の時間間隔においては、主としてＵＨＦ電力発生器を通して電力供給が行われるようにすることが可能になる。別の状況において、蓄積キャパシターを帯電させ集積回路に電力供給するために、ＨＦ及びＵＨＦ電力発生器の両方が十分な電圧を提供する。より詳細には、当該識別デバイスのＨＦ共振回路によって捕捉された到来するＨＦ磁場によって当該ＲＦＩＤ集積回路が主として電力供給される場合には、ＵＨＦチャネルを通しての通信を行うことができる。ＨＦチャネルを通しての通信が行われる場合、ＨＦ電力発生器は通常、ＵＨＦ電力発生器よりも大きい電力を供給している。しかし、当該識別デバイスに対してのＨＦ質問器とＵＨＦ質問器の位置に依存して、ＨＦ通信中にＲＦＩＤ集積回路の電力供給源のためにＵＨＦ電力発生器が支援することができる状況がある。すべての状況において、捕捉したすべての電磁場を使用することによって、電力供給が効率的になる。しかし、このような効率的な電力供給は、電力供給回路におけるコストないし電力損失を増加させないような単純な電子回路によって得られる。

電力供給端子からＨＦ整流器の出力への電流を阻止するようにＨＦ整流器の出力と共通の蓄積キャパシターの電力供給端子の間に配置されたダイオードによって、ＵＨＦ電力発生器によって提供される供給電流の一部が電力供給源のＨＦ部分で消散しうる状況を回避することができる。この保護は、ＲＦＩＤ集積回路が主としてＵＨＦ電力発生器を通して電力供給されている場合、特に、ＨＦ磁場がない場合に、電力損失を最小限にするために提供される。このようなダイオードは、特にＵＨＦ質問器がＲＦＩＤ識別デバイスから離れている場合に、電力供給源のＵＨＦ部分が発生させる電力が一般的には比較的小さいために重要である。

好ましい変種によると、このＨＦ整流器の出力と共通の蓄積キャパシターの電力供給端子の間に、ＨＦ整流器が供給する電流を制限するための抵抗が配置されている。また、蓄積キャパシターの電力供給端子は、分路電圧レギュレーターにも接続することができ、これによって、電力供給源の供給線に与えられる供給電圧ＶSUPを規制し、また、ＵＨＦ電力発生器の出力において電圧レベルを制限する。電流を制限する抵抗は、さらに、共通の蓄積キャパシターとＬＦフィルターを形成している。このようなＬＦフィルターは、ＨＦ整流器の出力におけるＶ_HFノードに生じうるあらゆる供給ノイズをさらにフィルタリングして除くことに貢献する。

特定の変種によると、共通の蓄積キャパシターの電力供給端子は、ＵＨＦ整流器の出力に直接接続される。この特徴は、上記のいくつかの理由によっても有利である。直接接続によって、電力を相当に消費するような電子要素がなくなり、好ましくは、蓄積キャパシターの電力供給端子とＵＨＦ整流器の出力の間の電気路以外の電子要素がなくなる。

以下、添付図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。これは例示的であって、これに一切制限されない。

既に上で説明しており、従来技術の二重周波数識別デバイスを概略的に示す図である。本発明に係る受動性の二重周波数ＨＦ−ＵＨＦ識別デバイスの電力供給源を示す図である。

図２を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。これは、ＨＦアンテナコイル１０及びＵＨＦアンテナ１６に接続されるＲＦＩＤ集積回路を有する二重周波数ＨＦ−ＵＨＦ識別デバイス４２の電力供給源を示している。ＲＦＩＤ回路の電力供給源は、ＨＦ部分４４とＵＨＦ部分４８を有する。ＨＦ部分４４は、ＨＦアンテナ１０と共振キャパシター８によって形成される共振回路に接続されたＨＦ整流器１２を有し、この共振回路は、正と負の電圧をＨＦ整流器の入力端子Ｖ１ａ及びＶ１ｂに交互に供給する。ＨＦ整流器１２の出力は、平滑キャパシター４６の端子に接続され、この端子で第１の供給電圧Ｖ_HFを与える。変種の１つにおいて、ＨＦ整流器１２は、第１の供給電圧を発生させる電圧増幅回路に関連づけられている。ＵＨＦ部分４８は、本質的に、ＵＨＦアンテナ１６の２つの線にリンクされた電荷ポンプによって形成されるＵＨＦ整流器１８を有する。このＵＨＦ整流器１８は、その２つの入力端子Ｖ２ａ及びＶ２ｂにおいて、正と負の誘導電圧を受け、その出力において第２の供給電圧Ｖ_UHFを与えるように構成している。本発明によると、ＲＦＩＤ集積回路は、さらに、蓄積キャパシター５０を有する。これは、識別デバイス４２の電力供給源のＨＦ部分４４とＵＨＦ部分４８に共通のものであり、ＨＦ整流器１２の出力及びＵＨＦ整流器１８の出力は両方とも、この共通の蓄積キャパシター５０の電力供給端子に連続的に接続されている。

この共通の蓄積キャパシター５０の電力供給端子は、一方では、当該電力供給端子からＨＦ整流器１２の出力への電流を阻止するダイオード５２を介してＨＦ整流器１２の出力に接続しており、他方では、ＵＨＦ整流器１８の出力に直接接続している。このような電子設計のいくつかの利点を、上記の発明の概要において既に記載している。

本発明の特定の変種によると、蓄積キャパシター５０の電力供給端子は、さらに、分路電流Ｉ_Shを吸収するために分路電圧レギュレーター５６に接続されている。これによって、供給線２８上の供給電圧Ｖ_SUPを規制することができる。また、ＨＦ整流器１２の出力と当該電力供給端子の間に、ＨＦ整流器１２からの電流を制限するための抵抗５４が配置されている。

図２に示す電力供給回路は、広い範囲のＲＦＩＤ集積回路において実装することができ、他の特定の回路に関連づけられてこのような回路の電力消費を制御するように構成することができる。具体的には、これら回路の電力消費を最小限にする。電池に支援されるＨＦ−ＵＨＦ識別デバイスの場合、ＲＦＩＤ集積回路は、リスニングモードを有するウェイクアップ回路を有することができる。特定の実施形態において、ＲＦＩＤ集積回路は、このＲＦＩＤ集積回路のいくつかの部分をアクティブ化ないし制御するように構成しているＨＦ場検出器及び／又はＵＨＦ場検出器を有する。当業者によって、供給電圧Ｖ_SUPを規制し、及び／又はＲＦＩＤ集積回路のいくつかの部品を保護する手段を、特定のブースト手段とともに（具体的には、供給電圧をさらに増加させる電圧増幅器）設けることができる。

８共振キャパシター
１０ＨＦアンテナコイル
１２ＨＦ整流器
１６ＵＨＦアンテナ
１８ＵＨＦ整流器
４２二重周波数ＨＦ−ＵＨＦ識別デバイス
４４ＨＦ部分
４８ＵＨＦ部分
５０共通の蓄積キャパシター
５２ダイオード
５４抵抗
５６分路電圧レギュレーター

Claims

二重周波数ＨＦ−ＵＨＦのＲＦＩＤ集積回路であって、
ＨＦアンテナコイル（１０）と共振キャパシター（８）によって形成される共振回路に接続されるように意図されたＨＦ整流器（１２）によって形成されるＨＦ部分（４４）と、及び電荷ポンプによって形成されＵＨＦアンテナに接続されるように意図されたＵＨＦ整流器（１８）を有するＵＨＦ部分（４８）とによって形成される電力供給源を有し、
当該ＲＦＩＤ集積回路は、さらに、前記電力供給源の前記ＨＦ部分とＵＨＦ部分に共通の蓄積キャパシター（５０）を有し、
前記ＨＦ整流器の出力及び前記ＵＨＦ整流器の出力は両方とも、前記共通の蓄積キャパシターの前記電力供給端子に連続的に接続されており、
前記共通の蓄積キャパシター（５０）の前記電力供給端子は、前記電力供給端子から前記ＨＦ整流器の出力への電流を阻止するように、ダイオード（５２）を介して前記ＨＦ整流器の出力に接続されている
ことを特徴とするＲＦＩＤ集積回路。
前記共通の蓄積キャパシター（５０）の前記電力供給端子は、前記ＵＨＦ整流器（１８）の出力に直接接続される
ことを特徴とする請求項１に記載のＲＦＩＤ集積回路。
前記ＨＦ整流器の出力と前記電力供給端子の間に、前記ＨＦ整流器によって供給される電流を制限する抵抗（５４）が配置されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のＲＦＩＤ集積回路。
前記蓄積キャパシター（５０）の前記電力供給端子は、さらに、分路電圧レギュレーター（５６）に接続されている
ことを特徴とする請求項３に記載のＲＦＩＤ集積回路。
請求項１〜４のいずれかに記載のＲＦＩＤ集積回路と、
ＨＦアンテナコイル（１０）及び共振キャパシター（８）によって形成され前記ＨＦ整流器（１２）に接続されている共振回路と、及び
前記ＵＨＦ整流器（１８）に接続されているＵＨＦアンテナ（１６）と
を有することを特徴とする二重周波数ＨＦ−ＵＨＦ識別デバイス（４２）。