TW200835111A - Dynamic radio frequency power harvesting - Google Patents

Description

200835111 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 發明的技術4¾ 本發明係大致有關從射頻信號獲取電力的技術。 發明的技街 可在遇端位置操作數個射頻裝置。此外，某些該等裝置 馨 可為仃動式的。因此，一種立即可得、持續的電源便可能 疋不可能取得的。一種用以對該等裝置提供電力的方式為 使用種稱為射頻電力獲取的技術從所接收到的射頻信號 對其提供電力。 射頻電力獲取技術的一種應用方式是射頻識別（rfid) 技術，其可用於公共運輸、物流、航空行李追蹤、物品追 Λ庫存控制與追縱、供應鏈中的物品追縱、零件追縱、 15保全應用、存取控制與驗證等等方面。另一種射頻電力獲 I技術的應用方式是結合無線供電嵌人式微處理器以及感 测器。 射頻識別標籤之所以能成為射頻電力獲取技術之良好 20應用方式的原因之一是它們的電力需要相對地節制。然 而’射頻電力獲取技術亦可用於多種不同的其他應用方式 t ο 一種簡易的射頻識別系統使用以較短範圍以及較低頻 率運作的一讀取器以及被動標籤，而較長距的應用則是使 動;^籤。射頻識別標籤為一種具有標籤插入物的積體 5 200835111 積體電路的鑲嵌 其將在標籤的天 電路，或者可為包切接至—天線之— 物。讀取器/寫入器對標籤發送出電磁波， 線中誘導一電流。 讀取器/寫入器可為一種固定或 5變該雷磁冰* 式裝置。該標籤調 ，，並且把資訊傳送闕讀取器/寫人器。可 關標戴所轉之物品的額外資_存在標籤中。 …被動^祕魏不具有電源，並讀賴詢問信號遞送的

=來發送資訊串流。主動標籤可具有—電源，例如—直 流電池。半被動標籤則具有僅能作為標籤電力之部分需求 10 的一電池。 可透過電感耦合技術或反射散佈技術使資訊在標籤以 及讀取器/寫入器之間進行交換。可針對該等系統使用多種 不同頻率’但最普通的電流頻率大約為165 KHz、13.56 MHz、902至928 MHz、以及微波。 15 ^明内 發明的概要說明 本發明係有關一種用以獲取電力的方法，其包含下列步 驟··利用一對異相信號來操作電晶體，以從一射頻信號動 態地獲取電力。 20 圖式的簡要說明 第1圖展示出根據一實施例的一種RFID系統； 第2圖展示出根據一實施例之一種RF電力獲取電路的 電路圖； 6 200835111 第3圖展示出三個信號的超時模擬電壓圖，包括 RFm信號的—载波以及從其衍生出的二個方波信號； 第4圖展示出用以獲取電力之動態裳置對靜態袭 模擬電壓對電流圖；以及 的 第5圖展示出在一靜態電力獲取模式以及一動態電杯 取模式之間進行切換之-裝置的模擬電壓對時間圖。-【資施方式3

請參照第1圖’射頻識別（RHD)系統1〇〇包括具有天 1〇 104的射頻識別讀取器/寫人器1Q2以及具有天線⑽的射 頻識別裝置106。多種不同低調天線標鐵中的任一種可用 2天線104與天線1G8，例如包括雙極天線、迴路天線、 嵌補式天線、或其他天線。 15 裝置106接收並處理來自讀取器/寫入器1〇2的射頻信 號110。裝置106包括電力獲取與電壓處理電路m 理1§或狀態機器114、儲存體116、以及調變器118。電力 獲取與電壓處理電路m包括狀從射頻信號⑽獲^ 力以操作裝置106的電路。 〜 儲存體116含容用以解密的-金鑰、用於信號驗證的裝 20置識別資訊、或其他資訊。調變器118可控制切換器122, 並且在某些實施例中可用於上游通訊。 為了接取裝置106’可由位於裝置1〇6周圍的讀取器/ 寫入器102發送一詢問信號。在接收到詢問信號時，裝置 106可藉著動態地調變天線1G8雜抗來響應，以編碼響 7 200835111 ρ 且抗來調整 應資訊。以天線設計的觀點來看，可針對任何 天線108。 請參照第2圖，根據一實施例，電力獲取電路112具有 針對天線108以及接地的連線。來自天線1〇8的传號可* 5越過負載相配網路143，其包括一誘導器與一電容哭。負 載相配網路144使遞送給獲取電路電力最大化，並且改進 電力獲取與通訊效率。亦可使用其他相配的網路。 從網路143輸出的信號(Vin)可耦合至各個該等3個電容 器126。各個電容器126可耦合至二極體134。在某些實 1〇施例中，可把二極體134實行為二極體形式電晶體。二極 體134可並聯地耦合至主動、閘控制電晶體切換器138。 電晶體切換器138受到閘信號P2或P1的控制。在第2圖 中，可由啟動電路136致能產生器電路145產生信號Pl 與P2的動作。在一實施例中，可從輸入rf信號產生Pl 15與P2、使pl與P2穿過二個級聯反相器以產生一閾值劃分 信號（即，方波）’且第二方波係呈18〇度異相。亦可由鎖 相迴路（PLL)或由延遲鎖定迴路（DLL)產生P1與P2。 在某些實施例中，可備置重置切換器140。負載電阻器 142展示出正受到供應之電力的負載，例如一微控制器或 20 RFID 標籤。 數個其他電晶體138可接收來自pi與P2產生器電略 145的k號P1。號P1與P2彼此為異相的。如第3圖戶斤 示，可對信號110中備置的載波C進行閾值劃分、使其愛 到緩衝、或者轉化，以形成閾值劃分正信號P1以及閾值刻 8 200835111 分負信號P2。該等信號PI、P2中之一係由二個串聯反相 器中的弟一者產生，而該等信號中的另一個則由二個串聯 反相器中的第二者提供。 在展示於第2圖的實施例中，將備置級聯的三個電壓加 5倍器電路130a、UOb、以及i3〇c。然而，可使用任何數 里的包壓加倍器電路。此外，儘管所述電路係根據所謂的 電壓加倍器，亦稱為Cockcroft-Walton電壓倍加 亦了使用Dickson電壓倍加器。如本文使用地，電壓 加倍器電路可使一電壓變成二倍或者使其倍增。 10 電壓加倍器130大致上包括用以修正套用射頻信號之 正迴路的第一對二極體134以及電容器132，以及用以修 正負迴路中之信號的第二對二極體U4以及電容器126。 在正迴路中，將把儲存在負迴路中之電容器126上的電壓 傳輸到在正迴路中使用的電容器132。因此，可理想地使 15正迴路中使用之電容器132的電壓變成雙倍。可藉著使該 等反相器倍加器級聯而使增加電壓倍增。在某些實施例 中，可使用互補金屬氧半導體(CMOS)二極體形式電晶體來 置換二極體。 藉著並行於二極體124與134使用動態切換電晶體138 20或者不使用二極體124與134，將可使二極體134用於第 一模式中（該等電晶體係設定為高阻抗狀態），以提供一靜 態電源而後續地對電晶體138供應在第二模式中提供較有 效動態切換的電力。 利用二極體134而從獲取為之靜態模式操作得到電力 9 20083511ι 的啟動電路136隨後將使二個呈180度異相的閾值劃分信 旎Pl與P2產生，以在第二模式中對電晶體切換器138的 選定切換器提供電力。因此，啟動電路126包括電髮監看 器146以及在穿過啟動電路136的電壓達到一預定位準之 5後對相位產生器145供應電壓的控制器144。到該時點， NMOS電晶體138接收到〇伏特，進而使其設定為高阻抗 狀態。 請參照第4圖，其中展示出動態操作對靜態操作的效 應。在某些實施例中，相較於僅使用二極體的靜態曲線來 10說，使用該等電晶體的動態曲線將相當快速地升高。因此， 動態切換器理論上可產生額外的電力。 第5圖進一步展示出強化狀態，其展示出第2圖中之電 路112的-種操作模式。最初地，電路112僅由靜態二極 體124與134提供電力。在此模式中，電晶體138係設定 15為高阻抗狀態。隨後，當累積了充分電荷時，啟動電路136 利用相位產生器145提供之異相信號ρι與p2所控制的電 日日體138來致能動態操作。在一實施例中，在靜態模式中， 啟動電路136使控制信號pup2保持為零狀態，直到累 積了充分能量而能利用信號P1與P2驅動的電晶體138於 2〇 動態獲取相位運作為止。 口此可在不同蛉間以及不同相位把相同電容器126 與132用於靜態與動態操作二者中。在某些實施例中，此 種電容器的共享方式可降低成本以及縮小電路覆蓋區。在 一實施例巾，可使用—電池來提供用於動態模式的電力。 10 200835111 本叙明5兄明中所謂的,,一個實施例"或"一實施例"係表示 “、、貝_所述的特定特徵、結構、或者特性包括在至少 一實施例中。因此，本發明說明各處中出現的''在-實施例 :"未必均表示相同的實施例。再者，除了展示出的特定實 _之外’可於其他適當形式中實施該等特定特徵、結構、 或者特性’且所有料形柄包含在本發明的巾請專利範

^管已參照有限的實施例說散展示本發明，熟知技蓺 者將可了解的是，可進行多種修正方案與變化方案。^ H)的申請專利範圍意圖包含屬於本發明之真實精神中的 該等修正方案與變化方案。 【圃式簡單說明】 第1圖展不出根據一實施例的一種RFID系統； 第2圖展示出根據一實施例之一種RF電力獲取電路 15 電路圖； ' 第3圖展示出三個信號的超時模擬電壓圖，包括來自 RFID信號的-載波以及從其衍生出的二個方波信號； 第4圖展示出用以獲取電力之動態裝置對靜態裝置的 模擬電壓對電流圖；以及 20 第5圖展示出在一靜態電力獲取模式以及一動態電力獲 取模式之間進行切換之一裝置的模擬電壓對時間圖。X 【主要元件符號說明】 100 射頻識別(RFID)系統 1〇4 天線 102 射頻識別讀取器/寫入器 1〇6 射頻識別農置 11 200835111 108 天線 132 電容器 110 射頻信號 134 二極體 112 電力獲取與電壓處理電 136 啟動電路 路 138 電晶體 114 處理器、狀態機器 140 切換器 116 儲存體 142 負載電阻器 118 調變器 143 負載相配網路 122 切換器 144 負載相配網路 124 二極體 145 產生器電路、相位產生 126 電容器 器 130a 電壓加倍器電路 146 電壓監看器 130b 電壓加倍器電路 _ 12

Claims (1)

1. 200835111 - 十、申請專利範圍： 1. 一種用以獲取電力的方法，其包含下列步驟： 利用一對異相信號來操作電晶體，以從一射頻信號動態 地獲取電力。 . 5 2,如申請專利範圍第1項之方法，其包含下列步驟： ^ 在一第一模式中利用二極體從該射頻信號獲取電力；以 及 利用在該第一模式中獲取的該電力來操作該等電晶 體，以在一第二模式中從該信號動態地獲取電力。 10 3.如申請專利範圍第2項之方法，其另包含提供包括具有 並行切換電晶體之二極體的一電壓加倍電路。 4_如申請專利範圍第3項之方法，其另包含利用異相信號 來控制該等切換電晶體。 5_如申請專利範圍第4項之方法，其另包含利用從該射頻 15 信號衍生出的異相信號來控制該等電晶體。 ^ 6.如申請專利範圍第5項之方法，其另包含使用一鎖相迴 路或一延遲鎖定迴路之一來產生該等異相信號。 ' 7,如申請專利範圍第3項之方法，其另包含使用包括電容 器的一電壓加倍器電路，以及於該等第一與第二模式中 20 使用該等相同電容器。 8.如申請專利範圍第2項之方法，其另包含在該第一模式 中把該等電晶體設定為一高阻抗狀態。 9·如申請專利範圍第8項之方法，其另包含在該第二模式 中動態地切換該等電晶體。 13 200835111 • 10·如申請專利範圍第2項之方法，其另包含監看在該第一 模式中生出的該電力，且當生成一預定電力位準時，切 換為該第二模式。 11_如申請專利範圍第2項之方法，其另包含獲取電力以供 一 5 用於射頻識別。 12_如申請專利範圍第5項之方法，其另包含由串聯反相器 產生該等異相信號。 13· —種射頻電力獲取電路，其包含： 一電壓加倍器電路； 10 該電壓加倍器電路包括一對二極體以及一對電容器；以 及 並聯耦合到各該二極體的一電晶體。 14_如申請專利範圍第13項之電路，其另包含由串聯反相 器產生異相信號。 15 15,如申請專利範圍第13項之電路，其另包含至少二個級 ^ 聯電壓加倍器電路。 16·如申請專利範圍第13項之電路，其係利用該等二極體 ' 於一第一模式中靜態地操作，且利用該等電晶體於一第 二模式中動態地操作。 20 17.如申請專利範圍第16項之電路，其另包含用以使該電 路在靜態模式以及動態模式之間切換的一裝置。 18·如申請專利範圍第17項之電路，其中該裝置用以於一 靜態模式中初始地操作該電路，且隨後把該電路切換為 一動態模式。 14 200835111 5 19.如申請專利範圍第18項之電路，其中該裝置於該靜態 模式中操作該電路，直到已經生出充分電力而可於包含 該等電晶體的該動態模式中操作該裝置為止。 20_如申請專利範圍第19項之電路，其另包含從一所接收 到的射頻信號生出異相信號。 21·如申請專利範圍第20項之電路，其中該裝置係用以對 不同電晶體提供該等信號。 22·如申請專利範圍第21項之電路，其中該裝置把該等電 晶體初始地設定為一高阻抗狀態，並且隨後致能該等電 10 晶體以提供與該等二極體並聯的一額外電流路徑。 23·如申請專利範圍第17項之電路，其中該等電容器係用 於該等靜態與動態模式中。 24.—種射頻識別標籤，其包含： 一控制器；以及 15 • 耦合至該控制器的一電力獲取電路，該電力獲取電路包 括具有一對二極體以及一對電容器的一電壓加倍器電 路’ 一電晶體並聯柄合到各該二極體。 25·如申請專利範圍第24項之標籤，其另包含多個級聯加 倍器電路。 20 26·如申請專利範圍第24項之標籤，其係利用該等二極體 於一第一模式中靜態地操作，且利用該等電晶體於一第 二模式中動態地運作。 27·如申請專利範圍第26項之標籤，其另包含用以使該電 路在靜態模式以及動態模式之間切換的一裝置。 15 200835111 ‘ 28.如申請專利範圍第27項之標籤，其中該裝置於該靜態模 式中操作該電路，直到已經生出充分電力而可於包含該 等電晶體的該動態模式中操作該裝置為止。 16