WO1997008811A2 - Dc-dc converter with integrated fsk modulator - Google Patents

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    • G—PHYSICS
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    • G06K19/067—Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components
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    • G06K19/0723—Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components with integrated circuit chips the record carrier comprising an arrangement for non-contact communication, e.g. wireless communication circuits on transponder cards, non-contact smart cards or RFIDs

Definitions

  • the present invention relates to the use of direct voltage converters (DC-DC converters) in passive transponders and electronic brands (so-called tags).
  • DC-DC converters direct voltage converters
  • DC-DC converters use a frequency signal which is not regulated in frequency to convert the DC voltage from one potential to another. If such transducers are used in passive transponders, this switching frequency can severely disrupt the transmission of data between the transponder and the reading device.
  • a frequency-modulated carrier oscillation is used, which is superimposed in a suitable form in the rectifier at a low level on the received energy carrier of the reading device.
  • the switching frequency is also disturbingly superimposed on the energy source and is thus emitted together with the carrier oscillation by the antenna.
  • passive means that there is no separate power supply on the transponder or tag and the energy for its operation must be transmitted via magnetic or electromagnetic fields.
  • transponders or tags are increasingly used, for example, for identification tags (badges), for access control (parking garage), for fee collection (highway, garbage disposal), and for telemetry (monitoring in concrete structures).
  • passive transponders or tags are known. In their most common form of use, they have a non-volatile memory and are able to receive data from a reading station 30 and also to send data to the reading station themselves (so-called read / write tag) as shown in FIG. 3 .
  • read / write tag Common to almost all methods is that it is magnetic or electromagnetic radiated high-frequency alternating signal (AC) received by an antenna and formed into a DC voltage in a rectifier (DC), and thus supplies the transponder 40 or the tag with energy.
  • AC magnetic or electromagnetic radiated high-frequency alternating signal
  • a device for sending data to the reading device, which induces a second alternating voltage of low amplitude at the rectifier, so that this alternating voltage can be emitted again by the antenna.
  • This small voltage can be achieved by changing the load on the rectifier.
  • the current in the rectifier which changes in amplitude or frequency, leads to a slight change in voltage at the antenna, which leads to retroreflection of a small part of the incident energy. Since the second alternating signal is modulated with data from the transponder or tag, the reader can thus receive and demodulate this data.
  • 3 schematically shows a passive day.
  • a DC-DC converter provides simple remedy here by chopping and rectifying the rectified DC voltage back into a defined DC voltage.
  • the control is mostly implemented by means of pulse width modulation (PWM).
  • PWM pulse width modulation
  • Such DC-DC converters with a high degree of efficiency have been known for a long time and are also used above all in battery-operated devices in order to be able to better utilize the battery to the end without passing on the voltage drop in the battery to the electronics.
  • Fig. 4 shows a block diagram of such a DC-DC converter.
  • an interference signal occurs, namely the alternating signal from the chopper.
  • the frequency of this interference signal is unregulated and is determined by a simple RC oscillator.
  • the frequency changes (typical range: 1 kHz to 50 KHz), which then falls within the frequency range provided for communication (typical range: 10 kHz to 20 kHz) and thereby can deceive or disturb the reader. 2 shows the spectrum that typically occurs with passive tags.
  • the object of the present invention is to provide a device and a method for DC-DC conversion in passive transponders, so that interference-free data transmission is made possible. This object is achieved with the features of the claims.
  • the invention is based on the basic idea of using the same frequency for DC-DC conversion in the passive transponder as for data transmission from the transponder.
  • the DC-DC converter for DC-DC conversion uses the same frequency as that used for data transmission from the transponder, the interference is completely eliminated.
  • the frequency-modulating transmitter part on the transponder is also omitted, since it is already implemented by the DC-DC converter.
  • Such a DC-DC converter with an integrated FSK modulator is particularly advantageous in the case of passive transponders or tag systems.
  • Another possible solution to the interference problem would be to filter the interference frequency towards the antenna of the transponder so that this frequency is not radiated. Since relatively large inductances and capacities are required for screening, but the passive transponders or tags are often very limited in terms of space and height, this solution is not an option.
  • the FSK modulator would have to be routed around this screening.
  • the useful and interference frequencies can only be arranged with poor spectral spacing, since this would greatly increase the power consumption of the passive part as a result of the increased clock rate.
  • FIG. 1 shows a DC-DC converter according to the invention with an FSK modulator
  • Fig. 3 is a passive transponder or tag system
  • Fig. 4 shows a known DC-DC converter.
  • the multivibrator 1 generates a square-wave signal controlled by an RC element, consisting of positive pulses of length T1 and short pauses of length T2. If the output voltage V Q TJJ is too low, the operational circuit 3 passes the square wave pulse generated by the multivibrator 1 through the logic circuit 2. This pulse switches through the MOS transistor 4 and the inductance 5 is thus charged. The charging voltage is V IN and the maximum charging current T1 * V IN / L1. After the elapsed pulse time Tl, the transistor 4 blocks and the voltage V L changes from 0 volts to a positive voltage, so that a current flows briefly via the diode 6 to the output capacitance 7.
  • V L is greater than V QUT , the operational amplifier 8 changes from the upper saturation voltage to the lower saturation voltage voltage and thereby controls the transistor 9 through.
  • the main current from the inductance now flows via the transistor 9, which has become low-resistance, into the output capacitance 7 and charges it very quickly, the inductance 5 is discharged.
  • a charging current flows until V L is equal to V 0TjT , this happening before T2 expires.
  • the following pulse again controls the transistor 4 and thus allows the output of the operational amplifier 8 to go back to positive saturation, so that the transistor 9 is switched off and the inductance can be recharged. This is repeated until the output voltage has reached the desired voltage value.
  • the integrator 10 periodically integrates the output voltage of the converter for each clock interval and the operational amplifier 3 compares the integration result with the desired reference voltage.
  • the output of the operational amplifier 3 goes into the lower saturation when V Qut reaches the desired value.
  • the pulse of the multivibrator 1 is thus interrupted prematurely in the logic circuit 2. Since this is connected as a control loop, the pulse width at the gate terminal of transistor 4 is leveled to the value which just brings a sufficient amount of charge to inductor 5 in order to renew the amount of consumption of load 11.
  • the integrator 10 requires a minimum time to reach the reference voltage, so that the pulse at the gate connection of the transistor 4 can never fall below a minimum value.
  • the start-up circuit 15 guarantees that the converter starts up properly, in that the transistor 4 remains blocked until the circuit receives enough voltage for the function to be performed correctly.
  • the multivibrator 1 is constructed as an RC oscillator.
  • the frequencies set by appropriate selection of the time constant RC become very imprecise.
  • the oscillator frequency can only be a few kHz in order to then increase to a nominal voltage of a few 10 kHz. climb. Temperature changes and specimen scatter also result in fluctuations by a significant factor.
  • the control signal at the gate connection of the transistor 4 is, as it were, radiated back as an interference signal via rectifier from the antenna due to the pulsed current draw of the inductor 5.
  • the multivibrator 1 is replaced by a quartz oscillator 12 for generating the converter frequency
  • the frequency of the DC-DC converter is stable, non-aging, temperature-independent and thus the interference is known spectrally.
  • the desired duty cycle can be set, for example, by a monoflop stage integrated in the quartz oscillator.
  • the converter frequency can be switched from N to M during operation by means of a multiplexer 14.
  • the pulse duty factor T2 / T1 can be easily set to 1: N or 1: M, for example, by logical connection with the quartz oscillator clock. If a digital data signal from a microcontroller is used for the switchover, an FSK modulator is obtained in this way, and the interference signals now appear as actual useful signals which can be used for communication from the transponder to the reading device. Since the PWM converter is constructed in such a way that the charging current in the inductance flows at least briefly in each clock period, the modulation is never interrupted, but only weakened in its amplitude.
  • FIG. 3 shows a block diagram of the DC-DC converter according to the invention with an integrated FSK modulator.
  • the microcontroller can only be used when the stabilized voltage is available.
  • the current consumption in the transition is often not defined.
  • the DC-DC converter must first work correctly.
  • the maximum current draw from the electrical or electromagnetic field is very limited, in contrast to applications with batteries as an energy source.
  • Low-power crystal oscillators can show start-up problems at low voltages and limited current consumption. If the load draws too much current when starting, the output voltage will never rise to such an extent that the oscillator or the load can work correctly. The result would be an oscillation-like oscillation between operation and non-operation.
  • an orderly switch-on procedure helps.
  • the already known RC multivibrators are generally more suitable for the first stage of switching on.
  • an RC multivibrator is now used in a conventional manner for starting, that is until a minimum output voltage is stabilized for the first time. If there is sufficient voltage at the output of the DC-DC converter is sufficient to operate the quartz oscillator, it is switched to one of the two FSK frequencies divided by the quartz oscillator for operating the DC-DC converter. When the final voltage for operating the transponder has been reached, the load, usually the microcontroller and the data receiver, is switched on. If the tag is to acknowledge information or send data to the reader, the data rate is used to switch between the two divider outputs 13 depending on the data value of the multiplexer 15.
  • the DC-DC converter operates from an input voltage of 1 V. If an output voltage of 1.5 V is reached, a voltage detector connected to the output of the DC-DC converter is already working correctly and the quartz oscillator can be switched on become. With a 3 V output voltage, the microcontroller and the non-volatile memory work correctly, this voltage is kept regulated.
  • converters with switched capacitors are also known, so-called switched capacitor converters, which invert an input voltage by recharging capacitors and / or multiply them in whole numbers.
  • switched capacitor converters which invert an input voltage by recharging capacitors and / or multiply them in whole numbers.
  • These types of converters likewise require a clock signal for the conversion, that is to say for the charge transport, and are therefore only to be regarded as a subset of the DC-DC converters.
  • the DC-DC converter is preferably operated at a third frequency in order to prevent interference with other activated transponders, for example during FSK transmission avoid or reduce.

Abstract

By using quartz-controlled converter clock pulses in a DC-DC converter instead of the inaccurate multivibrator controlled by an RC-timer, the disturbing influence of clock pulses that are inevitably emitted by a converter in a passive transponder system may be transformed into a useful function. By controlling the quartz frequency with dividers, the converter clock pulses may be used as FSK modulation and data may thus be transmitted from the transponder or tag to the reader.

Description

DC-DC-Wandler mit integriertem FSK-Modulator DC-DC converter with integrated FSK modulator
Die vorliegende Erfindung betrifft den Einsatz von Gleich¬ spannungswandlern (DC-DC-Wandlern) in passiven Transpondern und elektronischen Marken (sogenannten Tags) .The present invention relates to the use of direct voltage converters (DC-DC converters) in passive transponders and electronic brands (so-called tags).
DC-DC-Wandler benutzen zur Umwandlung der Gleichspannung von einem Potential in ein anderes ein in der Frequenz ungere¬ geltes Taktsignal. Setzt man solche Wandler in passiven Transpondern ein, so kann diese Schaltfrequenz die Übertra¬ gung von Daten zwischen Transponder und Lesegerät empfind¬ lich stören. Zur Übertragung von Daten vom Transponder zu einem Lesegerät wird eine frequenzmodulierte Trägerschwin¬ gung verwendet, welche in geeigneter Form im Gleichrichter mit geringem Pegel dem empfangenen Energieträger des Lesege¬ rätes überlagert wird. Die Schaltfrequenz überlagert sich störenderweise ebenfalls dem Energieträger und wird somit zusammen mit der Trägerschwingung von der Antenne abge¬ strahlt. Passiv heißt in diesem Zusammenhang, daß auf dem Transponder bzw. Tag keine eigene Stromversorgung vorhanden ist und die Energie zu deren Betrieb über magnetische oder elektromagnetische Felder übertragen werden muß. Solche Transponder oder Tag werden zunehmend beispielsweise für Identifikations-Marken (Badges) , zur Zutrittskontrolle (Parkhaus) , zur Gebührenerfassung (Autobahn, Müllabfuhr) , und zur Telemetrie (Überwachung in Betonbauwerken) einge¬ setzt. Verschiedenste Realisationsformen für solche passive Transponder bzw. Tags sind bekannt. In ihrer häufigsten Ver¬ wendungsform besitzen sie einen nichtflüchtigen Speicher und sind in der Lage, Daten von einer Lesestation 30 zu empfan¬ gen und auch selbst Daten an die Lesestation zu senden (sog. Read/Write-Tag) wie in Fig. 3 gezeigt. Gemeinsam ist fast allen Verfahren, daß das magnetisch oder elektromagnetisch eingestrahlte hochfrequente Wechselsignal (AC) von einer Antenne empfangen und in einem Gleichrichter zu einer Gleichspannung geformt wird (DC) , und somit den Transponder 40 oder das Tag mit Energie versorgt. Ebenso ist für das Senden von Daten an das Lesegerät eine Vorrichtung vorhan¬ den, welche eine zweite Wechselspannung geringer Amplitude am Gleichrichter induziert, so daß diese WechselSpannung von der Antenne wieder abgestrahlt werden kann. Diese kleine Spannung kann durch eine gezielt veränderte Belastung des Gleichrichters erreicht werden. Der sich in Amplitude oder Frequenz ändernde Strom im Gleichrichter führt zu einer ge¬ ringen Spannungsänderung an der Antenne, die zu einer Rück¬ strahlung eines geringen Teils der eingestrahlten Energie führt. Da das zweite Wechselsignal mit Daten des Transponder bzw. Tag moduliert ist, kann der Leser somit diese Daten empfangen und demodulieren. Fig. 3 zeigt schematisch ein passives Tag.DC-DC converters use a frequency signal which is not regulated in frequency to convert the DC voltage from one potential to another. If such transducers are used in passive transponders, this switching frequency can severely disrupt the transmission of data between the transponder and the reading device. To transmit data from the transponder to a reading device, a frequency-modulated carrier oscillation is used, which is superimposed in a suitable form in the rectifier at a low level on the received energy carrier of the reading device. The switching frequency is also disturbingly superimposed on the energy source and is thus emitted together with the carrier oscillation by the antenna. In this context, passive means that there is no separate power supply on the transponder or tag and the energy for its operation must be transmitted via magnetic or electromagnetic fields. Such transponders or tags are increasingly used, for example, for identification tags (badges), for access control (parking garage), for fee collection (highway, garbage disposal), and for telemetry (monitoring in concrete structures). Various forms of implementation for such passive transponders or tags are known. In their most common form of use, they have a non-volatile memory and are able to receive data from a reading station 30 and also to send data to the reading station themselves (so-called read / write tag) as shown in FIG. 3 . Common to almost all methods is that it is magnetic or electromagnetic radiated high-frequency alternating signal (AC) received by an antenna and formed into a DC voltage in a rectifier (DC), and thus supplies the transponder 40 or the tag with energy. Likewise, a device is available for sending data to the reading device, which induces a second alternating voltage of low amplitude at the rectifier, so that this alternating voltage can be emitted again by the antenna. This small voltage can be achieved by changing the load on the rectifier. The current in the rectifier, which changes in amplitude or frequency, leads to a slight change in voltage at the antenna, which leads to retroreflection of a small part of the incident energy. Since the second alternating signal is modulated with data from the transponder or tag, the reader can thus receive and demodulate this data. 3 schematically shows a passive day.
Oft ist es erwünscht, auf dem Transponder die DC-Spannung zu stabilisieren oder sogar noch zu erhöhen. So sollte zum si¬ cheren Betrieb von elektronischen Komponenten beispielsweise eine stabile Spannung von 1,5 V oder gar 3 V vorhanden sein. Die gleichgerichtete Spannung schwankt aber je nach Distanz und Ausrichtung zum Lesegerät während eines Kommunikations- Dialogs häufig. Ein DC-DC-Wandler schafft hier einfache Ab¬ hilfe, indem er die gleichgerichtete DC-Spannung selber wie¬ der zerhackt und geregelt in eine definierte DC-Spannung zu¬ rückwandelt. Die Regelung wird meistens mittels Pulsweiten¬ modulation (PWM) realisiert. Solche DC-DC-Wandler mit hohem Wirkungsgrad sind seit längerem bekannt und werden vor allem auch in batteriebetriebenen Geräten eingesetzt, um die Bat¬ terie besser bis zum Ende ausschöpfen zu können, ohne den Spannungsabfall der Batterie an die Elektronik weiterzuge¬ ben. Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild eines solchen DC-DC- Wandlers. Bei den passiven Transpondern bzw. Tags ergibt sich nun aber ein unerwünschter Zusatzeffekt. Neben des für die Rücksen¬ dung der Daten notwendigen Wechselsignales tritt ein Stör¬ signal auf, nämlich das Wechselsignal des Zerhackers. Dieses Störsignal ist in der Frequenz ungeregelt und wird durch einen einfachen RC-Oszillator bestimmt. Je nach Eingangs¬ spannung des DC-DC-Wandlers verändert sich die Frequenz (ty¬ pischer Bereich: 1 kHz bis 50 KHz) , die dann in den für die Kommunikation vorgesehenen Frequenzbereich fallen (typischer Bereich: 10 kHz bis 20 kHz) und dadurch das Lesegerät täu¬ schen oder stören kann. Fig. 2 zeigt das Spektrum, wie es typischerweise bei passiven Tags auftritt. Man erkennt darin den Energieträger bei fO, die von den Daten abhängigen Nach¬ richtenfrequenzen vom Lesegerät zum Tag dfl und df2, sowie jene vom Tag zum Lesegerät df3 und fd4. Weiterhin ist eine durch den DC-DC-Wandler verursachte Störlinie bei sO zu se¬ hen.It is often desirable to stabilize or even increase the DC voltage on the transponder. For example, a stable voltage of 1.5 V or even 3 V should be present for the safe operation of electronic components. However, the rectified voltage often fluctuates depending on the distance and orientation to the reader during a communication dialog. A DC-DC converter provides simple remedy here by chopping and rectifying the rectified DC voltage back into a defined DC voltage. The control is mostly implemented by means of pulse width modulation (PWM). Such DC-DC converters with a high degree of efficiency have been known for a long time and are also used above all in battery-operated devices in order to be able to better utilize the battery to the end without passing on the voltage drop in the battery to the electronics. Fig. 4 shows a block diagram of such a DC-DC converter. With passive transponders or tags, however, there is now an undesirable additional effect. In addition to the alternating signal necessary for the return of the data, an interference signal occurs, namely the alternating signal from the chopper. The frequency of this interference signal is unregulated and is determined by a simple RC oscillator. Depending on the input voltage of the DC-DC converter, the frequency changes (typical range: 1 kHz to 50 KHz), which then falls within the frequency range provided for communication (typical range: 10 kHz to 20 kHz) and thereby can deceive or disturb the reader. 2 shows the spectrum that typically occurs with passive tags. This shows the energy source at fO, the message frequencies dependent on the data from the reader to day dfl and df2, and that from day to reader df3 and fd4. Furthermore, an interference line caused by the DC-DC converter can be seen at s0.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur DC-DC-Wandlung in passiven Transpondern bereitzustellen, so daß eine störungsfreie Da¬ tenübertragung ermöglicht wird. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst.The object of the present invention is to provide a device and a method for DC-DC conversion in passive transponders, so that interference-free data transmission is made possible. This object is achieved with the features of the claims.
Bei der Lösung geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, zur DC-DC-Wandlung im passiven Transponder dieselbe Frequenz wie zur Datenübertragung vom Transponder zu verwenden.In the solution, the invention is based on the basic idea of using the same frequency for DC-DC conversion in the passive transponder as for data transmission from the transponder.
Benutzt der DC-DC-Wandler zur DC-DC-Wandlung dieselbe Fre¬ quenz wie sie zur Datenübertragung vom Transponder verwendet wird, so entfällt die Störung gänzlich. Der frequenzmodulie¬ rende Senderteil auf dem Transponder entfällt ebenfalls, da er bereits durch den DC-DC-Wandler realisiert wird. Ein sol¬ cher DC-DC-Wandier mit integriertem FSK-Modulator ist beson¬ ders bei passiven Transpondern bzw. Tag-Systemen vorteil¬ haft. Eine weitere mögliche Lösung des Störproblems wäre die Fil¬ terung der Störfrequenz zur Antenne des Transponders hin, so daß diese Frequenz nicht abgestrahlt wird. Da zur Siebung relativ große Induktivitäten und Kapazitäten notwendig sind, die passiven Transponder bzw. Tags jedoch in bezug auf Platz und Bauhöhe oft sehr beschränkt sind, scheidet diese Lösung aus. Zudem müßte der FSK-Modulator um diese Siebung herum geführt werden. Ebenso können die Nutz- und Störfrequenzen nur schlecht spektral weit auseinander liegend angeordnet werden, da dies den Stromverbrauch des passiven Teils in¬ folge der erhöhten Taktrate stark erhöhen würde.If the DC-DC converter for DC-DC conversion uses the same frequency as that used for data transmission from the transponder, the interference is completely eliminated. The frequency-modulating transmitter part on the transponder is also omitted, since it is already implemented by the DC-DC converter. Such a DC-DC converter with an integrated FSK modulator is particularly advantageous in the case of passive transponders or tag systems. Another possible solution to the interference problem would be to filter the interference frequency towards the antenna of the transponder so that this frequency is not radiated. Since relatively large inductances and capacities are required for screening, but the passive transponders or tags are often very limited in terms of space and height, this solution is not an option. In addition, the FSK modulator would have to be routed around this screening. Likewise, the useful and interference frequencies can only be arranged with poor spectral spacing, since this would greatly increase the power consumption of the passive part as a result of the increased clock rate.
Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to the drawings. Show it:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen DC-DC-Wandler mit FSK-Modu¬ lator,1 shows a DC-DC converter according to the invention with an FSK modulator,
Fig. 2 ein typisches Spektrum in einem passiven Transponder bzw. Tag-System,2 shows a typical spectrum in a passive transponder or tag system,
Fig. 3 ein passives Transponder- bzw. Tag-System undFig. 3 is a passive transponder or tag system and
Fig. 4 einen bekannten DC-DC-Wandler.Fig. 4 shows a known DC-DC converter.
Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild eines beispielhaften PWM- Reglers. Der Multivibrator 1 erzeugt ein durch ein RC-Glied gesteuertes Rechtecksignal bestehend aus positiven Impulsen der Länge Tl und kurzen Pausen der Länge T2. Bei zu geringer AusgangsSpannung VQTJJ, wird durch den Operationsverstärker 3 der vom Multivibrator 1 erzeugte Rechteckimpuls von der Lo¬ gikschaltung 2 durchgelassen. Dieser Impuls schaltet den MOS-Transistor 4 durch und die Induktivität 5 wird somit aufgeladen. Die Ladespannung beträgt VIN und der maximale Ladestrom T1*VIN/L1. Nach der abgelaufenen Impulszeit Tl sperrt der Transistor 4 und die Spannung VL wechselt von 0 Volt auf eine positive Spannung, so daß kurzzeitig ein Strom über die Diode 6 zur Ausgangskapazität 7 fließt . Da VL größer ist als VQUT wechselt der Operationsverstärker 8 von der oberen Sättigungsspannung in die untere Sättigungsspan- nung und steuert dadurch den Transistor 9 durch. Der Haupt- ström aus der Induktivität fließt nun über den niederohmig gewordenen Transistor 9 in die Ausgangskapazität 7 und lädt diese sehr rasch auf, die Induktivität 5 wird entladen. Es fließt eine Ladestrom, bis VL gleich V0TjT ist, wobei dies zeitlich vor Ablauf von T2 geschieht. Der folgende Impuls steuert wieder den Transistor 4 durch und läßt damit den Ausgang des Operationsverstärkers 8 wieder in die positive Sättigung gehen, so daß der Transistor 9 ausgeschaltet wird und sich die Induktivität wieder aufladen kann. Dies wieder¬ holt sich, bis die AusgangsSpannung den gewünschten Span¬ nungswert erreicht hat. Der Integrator 10 integriert die AusgangsSpannung des Wandlers periodisch für jedes Taktin¬ tervall und der Operationsverstärker 3 vergleicht das Inte¬ grationsresultat mit der gewünschten Referenzspannung. Der Ausgang des Operationserstärkers 3 geht in die untere Sätti¬ gung, wenn VQut den gewünschten Wert erreicht. Damit wird in der Logikschaltung 2 der Impuls des Multivibrators 1 vorzei¬ tig abgebrochen. Da dies als Regelkreis geschaltet ist, pen¬ delt sich die Impulsbreite am Gate-Anschluß des Transistors 4 auf den Wert ein, der gerade eine ausreichende Ladungs- menge auf die Induktivität 5 bringt, um die Verbrauchsmenge der Last 11 zu erneuern. Der Integrator 10 benötigt in jedem Fall eine minimale Zeit, um die Referenzspannung zu errei¬ chen, so daß der Impuls am Gate-Anschluß des Transistors 4 einen minimalen Wert nie unterschreiten kann. Die Start-Up- Schaltung 15 garantiert ein einwandfreies Anlaufen des Wand¬ lers, indem der Transistor 4 solange gesperrt bleibt, bis die Schaltung genügend Spannung zur korrekten Funktionser¬ füllung erhält.4 shows a block diagram of an exemplary PWM controller. The multivibrator 1 generates a square-wave signal controlled by an RC element, consisting of positive pulses of length T1 and short pauses of length T2. If the output voltage V Q TJJ is too low, the operational circuit 3 passes the square wave pulse generated by the multivibrator 1 through the logic circuit 2. This pulse switches through the MOS transistor 4 and the inductance 5 is thus charged. The charging voltage is V IN and the maximum charging current T1 * V IN / L1. After the elapsed pulse time Tl, the transistor 4 blocks and the voltage V L changes from 0 volts to a positive voltage, so that a current flows briefly via the diode 6 to the output capacitance 7. Since V L is greater than V QUT , the operational amplifier 8 changes from the upper saturation voltage to the lower saturation voltage voltage and thereby controls the transistor 9 through. The main current from the inductance now flows via the transistor 9, which has become low-resistance, into the output capacitance 7 and charges it very quickly, the inductance 5 is discharged. A charging current flows until V L is equal to V 0TjT , this happening before T2 expires. The following pulse again controls the transistor 4 and thus allows the output of the operational amplifier 8 to go back to positive saturation, so that the transistor 9 is switched off and the inductance can be recharged. This is repeated until the output voltage has reached the desired voltage value. The integrator 10 periodically integrates the output voltage of the converter for each clock interval and the operational amplifier 3 compares the integration result with the desired reference voltage. The output of the operational amplifier 3 goes into the lower saturation when V Qut reaches the desired value. The pulse of the multivibrator 1 is thus interrupted prematurely in the logic circuit 2. Since this is connected as a control loop, the pulse width at the gate terminal of transistor 4 is leveled to the value which just brings a sufficient amount of charge to inductor 5 in order to renew the amount of consumption of load 11. In any case, the integrator 10 requires a minimum time to reach the reference voltage, so that the pulse at the gate connection of the transistor 4 can never fall below a minimum value. The start-up circuit 15 guarantees that the converter starts up properly, in that the transistor 4 remains blocked until the circuit receives enough voltage for the function to be performed correctly.
Es ist bekannt, daß der Multivibrator 1 als RC-Oszillator aufgebaut ist. Bei kleinen Versorgungsspannungen werden die durch entsprechende Wahl der Zeitkonstanten RC eingestellten Frequenzen sehr ungenau. Vor allem beim Einschalten kann beispielsweise die Oszillatorfrequenz nur einige kHz betra¬ gen, um dann bis zur Nennspannung auf einige 10 kHz anzu- steigen. Temperaturänderungen und Exemplarstreuung haben ebenfalls Schwankungen um einen wesentlichen Faktor zur Folge.It is known that the multivibrator 1 is constructed as an RC oscillator. At low supply voltages, the frequencies set by appropriate selection of the time constant RC become very imprecise. Especially when switching on, for example, the oscillator frequency can only be a few kHz in order to then increase to a nominal voltage of a few 10 kHz. climb. Temperature changes and specimen scatter also result in fluctuations by a significant factor.
Wird ein solcher DC-DC-Wandler nun in einem passiven Trans¬ ponder oder einem Tag eingesetzt, so wird durch den impuls¬ artigen Strombezug der Induktivität 5 das Steuersignal am Gate-Anschluß des Transistors 4 gewißermaßen als Störsignal via Gleichrichter von der Antenne zurückgestrahlt.If such a DC-DC converter is now used in a passive transponder or a tag, the control signal at the gate connection of the transistor 4 is, as it were, radiated back as an interference signal via rectifier from the antenna due to the pulsed current draw of the inductor 5.
Wird nun erfindungsgemäß der Multivibrator 1 durch einen Quarzoszillator 12 zur Erzeugung der Wandlerfrequenz er¬ setzt, so ergibt sich folgender Vorteil. Die Frequenz des DC-DC-Wandlers ist stabil, alterungsfrei, temperaturunabhän¬ gig und damit die Störung spektral bekannt. Die Einstellung des gewünschten Tastverhältnisses kann beispielsweise durch eine im Quarzoszillator integrierte Monoflop-Stufe reali¬ siert werden.If, according to the invention, the multivibrator 1 is replaced by a quartz oscillator 12 for generating the converter frequency, the following advantage results. The frequency of the DC-DC converter is stable, non-aging, temperature-independent and thus the interference is known spectrally. The desired duty cycle can be set, for example, by a monoflop stage integrated in the quartz oscillator.
Schaltet man dem Quarzoszillator zwei oder mehrere, feste oder programmierbare Frequenzteiler 13 nach, so läßt sich die Wandlerfrequenz im Betrieb mittels eines Multiplexers 14 von N auf M umschalten. Das Tastverhältnis T2/T1 läßt sich beispielsweise leicht durch logische Verknüpfung mit dem Quarzoszillatortakt auf 1:N bzw. 1:M einstellen. Wird zur Umschaltung ein digitales Datensignal von einem Mikrocon¬ troller verwendet, so erhält man auf diese Weise einen FSK- Modulator, und die Störsignale erscheinen nun als eigentli¬ che Nutzsignale, welche für die Kommunikation vom Transpon¬ der zum Lesegerät eingesetzt werden können. Da der PWM-Wand- ler so aufgebaut ist, daß der Ladestrom in der Induktivität in jeder Taktperiode mindestens kurzzeitig fließt, wird die Modulation nie unterbrochen, sondern lediglich in der Ampli¬ tude abgeschwächt. Es ist für das Lesegerät nun kein Pro¬ blem, die frequenzmodulierten Daten mit einem empfindlichen Diskriminator zu empfangen. Es lassen sich auch mehrere Fre¬ quenzen einsetzen, um das bekannte m-ary FSK zu erzeugen. Bei der Wahl der Frequenzen muß einerseits der DC-DC-Wandler einen optimalen Wirkungsgrad aufweisen und andererseits die Quarzfrequenz nicht allzu hoch gewählt werden, damit der Stromverbrauch auf dem passiven Transponder nicht zu stark ansteigt . Der Abstand der beiden Frequenzen für die FSK- Übertragung richtet sich nach der Datenrate, die erreicht werden soll.If two or more fixed or programmable frequency dividers 13 are connected downstream of the quartz oscillator, the converter frequency can be switched from N to M during operation by means of a multiplexer 14. The pulse duty factor T2 / T1 can be easily set to 1: N or 1: M, for example, by logical connection with the quartz oscillator clock. If a digital data signal from a microcontroller is used for the switchover, an FSK modulator is obtained in this way, and the interference signals now appear as actual useful signals which can be used for communication from the transponder to the reading device. Since the PWM converter is constructed in such a way that the charging current in the inductance flows at least briefly in each clock period, the modulation is never interrupted, but only weakened in its amplitude. It is now no problem for the reading device to receive the frequency-modulated data with a sensitive discriminator. Several frequencies can also be used to generate the known m-ary FSK. When choosing the frequencies, on the one hand the DC-DC converter must have an optimal efficiency and on the other hand the quartz frequency must not be chosen too high so that the power consumption on the passive transponder does not increase too much. The distance between the two frequencies for FSK transmission depends on the data rate that is to be achieved.
Ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen DC-DC-Wandlers mit integriertem FSK-Modulator zeigt Fig. 3. Im Ausführungsbei¬ spiel wurde ein 200 kHz Quarz eingesetzt, der gleichzeitig den Mikrocontroller betreibt und ein Teiler mit dem Faktor N = 11 und M = 15. Die Datenrate wurde auf 1200 Bit/s gelegt.FIG. 3 shows a block diagram of the DC-DC converter according to the invention with an integrated FSK modulator. In the exemplary embodiment, a 200 kHz crystal was used, which simultaneously operates the microcontroller and a divider with the factor N = 11 and M = 15 Data rate was set to 1200 bps.
Wird ein Transponder oder ein Tag dem Versorgungsfeld an¬ genähert, so ergeben sich beim Aufstarten besondere Pro¬ bleme. Der Mikrocontroller kann erst eingesetzt werden, wenn die stabilisierte Spannung zur Verfügung steht. Der Strom¬ verbrauch im Übergang ist oftmals nicht definiert. Der DC- DC-Wandler muß also zuerst korrekt arbeiten. Der maximale Strombezug aus dem elektrischen bzw. elektromagnetischen Feld ist stark beschränkt, im Gegensatz zu Anwendungen mit Batterien als Energiequelle. Leistungsarme Quarzoszillatoren können Anlaufprobleme bei tiefen Spannungen und begrenzter Stromaufnahme zeigen. Bezieht die Last beim Anlaufen zuviel Strom, so wird die AusgangsSpannung nie soweit ansteigen, daß der Oszillator oder die Last korrekt arbeiten kann. Die Folge wäre ein schwingungsähnliches Hin- und Herpendeln zwi¬ schen Betrieb und Nichtbetrieb.If a transponder or a tag is brought closer to the supply field, special problems arise when starting up. The microcontroller can only be used when the stabilized voltage is available. The current consumption in the transition is often not defined. The DC-DC converter must first work correctly. The maximum current draw from the electrical or electromagnetic field is very limited, in contrast to applications with batteries as an energy source. Low-power crystal oscillators can show start-up problems at low voltages and limited current consumption. If the load draws too much current when starting, the output voltage will never rise to such an extent that the oscillator or the load can work correctly. The result would be an oscillation-like oscillation between operation and non-operation.
Ein geordnetes Einschaltprozedere schafft dabei Abhilfe. Für die erste Stufe des Einschaltens sind die bereits bekannten RC-Multivibratoren im allgemeinen besser geeignet. Erfin¬ dungsgemäß wird nun zum Anlaufen, das heißt bis erstmals eine minimale AusgangsSpannung stabilisiert vorhanden ist, in herkömmlicher Art ein RC-Multivibrator eingesetzt. Ist eine ausreichende Spannung am Ausgang des DC-DC-Wandlers er- reicht, um den Quarzoszillator zu betreiben, so wird auf eine der beiden vom Quarzoszillator geteilten FSK-Frequenzen zum Betrieb des DC-DC-Wandlers umgeschaltet. Ist die endgül¬ tige Spannung für den Betrieb des Transponders erreicht, so wird die Last, meist der Mikrocontroller und der Daten¬ empfänger, zugeschaltet. Soll das Tag Informationen quittie¬ ren oder Daten zum Lesegerät senden, so wird mit der Daten¬ rate zwischen den beiden Teilerausgängen 13 je nach Daten¬ wert der Multiplexer 15 umgeschaltet. Im Ausführungsbeispiel arbeitet der DC-DC-Wandler ab einer Eingangsspannung von 1 V. Wird eine AusgangsSpannung von 1,5 V erreicht, so arbei¬ tet ein am Ausgang des DC-DC-Wandlers angeschlossener Span¬ nungsdetektor bereits korrekt und der Quarzoszillator kann zugeschaltet werden. Bei 3 V AusgangsSpannung arbeiten der Mikrocontroller und der nichtflüchtige Speicher korrekt, diese Spannung wird geregelt gehalten.An orderly switch-on procedure helps. The already known RC multivibrators are generally more suitable for the first stage of switching on. According to the invention, an RC multivibrator is now used in a conventional manner for starting, that is until a minimum output voltage is stabilized for the first time. If there is sufficient voltage at the output of the DC-DC converter is sufficient to operate the quartz oscillator, it is switched to one of the two FSK frequencies divided by the quartz oscillator for operating the DC-DC converter. When the final voltage for operating the transponder has been reached, the load, usually the microcontroller and the data receiver, is switched on. If the tag is to acknowledge information or send data to the reader, the data rate is used to switch between the two divider outputs 13 depending on the data value of the multiplexer 15. In the exemplary embodiment, the DC-DC converter operates from an input voltage of 1 V. If an output voltage of 1.5 V is reached, a voltage detector connected to the output of the DC-DC converter is already working correctly and the quartz oscillator can be switched on become. With a 3 V output voltage, the microcontroller and the non-volatile memory work correctly, this voltage is kept regulated.
Nebst den im Ausführungsbeispiel beschriebenen DC-DC-Wand¬ lern nach Fig. 1 und 4 sind auch Wandler mit geschalteten Kondensatoren bekannt, sogenannte Switched Capacitor Wand¬ ler, welche eine EingangsSpannung durch Umladen von Konden¬ satoren invertieren und/oder ganzzahlig vervielfachen. Diese Wandlertypen brauchen gleichermaßen ein Taktsignal für die Wandlung, das heißt für den Ladungstransport, und sind daher lediglich als eine Untermenge der DC-DC-Wandler zu betrach¬ ten. Für die erfindungsgemäßen Verbesserungen ergeben sich keine diesbezüglichen Einschränkungen.In addition to the DC-DC converters described in the exemplary embodiment according to FIGS. 1 and 4, converters with switched capacitors are also known, so-called switched capacitor converters, which invert an input voltage by recharging capacitors and / or multiply them in whole numbers. These types of converters likewise require a clock signal for the conversion, that is to say for the charge transport, and are therefore only to be regarded as a subset of the DC-DC converters. There are no restrictions in this regard for the improvements according to the invention.
Während eines Zeitraums, in dem der Transponder zwar akti¬ viert ist aber vom Transponder keine Daten übertragen werden sollen, wird der DC-DC-Wandler vorzugsweise mit einer drit¬ ten Frequenz betrieben, um Störungen anderer aktivierter Transponder etwa bei der FSK-Übertragung zu vermeiden bzw. zu reduzieren. During a period in which the transponder is activated but no data is to be transmitted from the transponder, the DC-DC converter is preferably operated at a third frequency in order to prevent interference with other activated transponders, for example during FSK transmission avoid or reduce.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Vorrichtung zur Gleichspannung-Gleichspannung-Wandlung in passiven Transpondern, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandlertakt zwischen mindestens zwei Frequenzen um¬ schaltbar ausgeführt ist und diese Umschaltung als FSK- Modulator (Frequency-Shift-Keying) zur Übertragung von Daten vom Transponder zu einem Lesegerät eingesetzt wird.1. Device for DC-DC voltage conversion in passive transponders, characterized in that the converter clock between at least two frequencies is designed to be switchable and this switchover as an FSK modulator (frequency shift keying) for transmitting data from the transponder to one Reader is used.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Oszillator, vor¬ zugsweise ein Quarzoszillator (12) zur Erzeugung der Wandlerfrequenz vorgesehen ist.2. Device according to claim 1, wherein an oscillator, preferably a quartz oscillator (12) is provided for generating the converter frequency.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei zur Wandlung dieselbe Frequenz wie zur Datenübertragung zum Transpon¬ der verwendet wird.3. Apparatus according to claim 1 or 2, wherein the same frequency as for data transmission to the transponder is used for conversion.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei ferner minde¬ stens zwei Frequenzteiler dem Oszillator (12) nachge¬ schaltet sind.4. Apparatus according to claim 2 or 3, wherein at least two frequency dividers are further connected to the oscillator (12).
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zum Aufstarten des Wandlers bis zum Erreichen einer Minimal- Spannung ein RC-gesteuerter Multivibrator vorgesehen ist und bei Erreichen der MinimalSpannung automatisch auf die Quarz-stabilisierten Frequenzen umgeschaltet wird.5. Device according to one of claims 1 to 4, wherein an RC-controlled multivibrator is provided to start the converter until a minimum voltage is reached and is automatically switched to the quartz-stabilized frequencies when the minimum voltage is reached.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Puls-Pausenverhältnis des Wandlers im quarzgesteuerten Betrieb einen minimalen Wert nicht unterschreitet.6. Device according to one of claims 1 to 5, wherein the pulse-pause ratio of the converter in quartz-controlled operation does not fall below a minimum value.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zur Übertragung von FSK-modulierten Daten von dem Transpon¬ der zu dem Lesegerät ein durch datenabhängige Verände¬ rung des Wandlertaktes in der Frequenz modulierter Strom durch einen dem Wandler vorgeschalteten HF-Gleichrichter fließt, der von der Antenne des Transponders als FSK- Signal abgestrahlt wird.7. Device according to one of claims 1 to 6, wherein for the transmission of FSK-modulated data from the transponder to the reader, a frequency-modulated current by a data-dependent change of the converter clock through an upstream of the converter HF rectifier flows, which is radiated by the antenna of the transponder as an FSK signal.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Wandler mit einer dritten, vorzugsweise vom Oszillator8. Device according to one of claims 1 to 7, wherein the converter with a third, preferably from the oscillator
(12) abgeleiteten Frequenz betrieben wird, wenn vom Transponder keine Daten zu übertragen sind.(12) derived frequency is operated when no data can be transmitted from the transponder.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der datenabhängige Wandlertakt durch Umschalten verschiede¬ ner Frequenzen von einem Mikrocontroller gesteuert wird um Befehle vom Lesegerät zu quittieren oder gespeicherte Datem zum Lesegerät zu übertragen.9. Device according to one of claims 1 to 8, wherein the data-dependent converter clock is controlled by switching different frequencies by a microcontroller to acknowledge commands from the reader or to transmit stored data to the reader.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Quarz die Takt¬ frequenz für den Mikrocontroller erzeugt.10. The device according to claim 9, wherein the quartz generates the clock frequency for the microcontroller.
11. Verfahren zur Aufhebung von Störfrequenzen, welche durch den Wandlertakt beim Einsatz von DC-DC-Wandlern in pas¬ siven Transpondern auftreten, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandlertakt quarzgenau zwischen mindestens zwei Frequenzen umschaltbar ausgeführt ist und diese Umschal¬ tung als FSK-Modulator (Frequency-Shift-Keying) zur Übertragung von Daten vom Transponder zu einem Lesegerät eingesetzt wird.11. A method for canceling interference frequencies which occur due to the converter clock when using DC-DC converters in passive transponders, characterized in that the converter clock is designed to be switchable between quartz crystals between at least two frequencies, and this switching as FSK modulator (Frequency-Shift-Keying) is used to transfer data from the transponder to a reader.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Wandlerfrequenz von einem Quarzoszillator erzeugt wird.12. The method of claim 11, wherein the converter frequency is generated by a quartz oscillator.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei mindestens zwei Fre¬ quenzteiler vorgesehen sind.13. The method according to claim 12, wherein at least two frequency dividers are provided.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei der Wandlertakt zwischen mehreren Frequenzen umschaltbar ausgeführt ist, um so mehrwertige (m-ary FSK) FSK-Modu- lation zu erzeugen. 14. The method according to any one of claims 11 to 13, wherein the converter clock is designed to be switchable between several frequencies so as to generate multi-valued (m-ary FSK) FSK modulation.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei zum Aufstarten des DC-DC-Wandlers bis zum Erreichen einer MinimalSpannung ein RC-gesteuerter Multivibrator einge¬ setzt wird und bei Erreichen der MinimalSpannung automa¬ tisch auf die Quarz-abgeleiteten Frequenzen umgeschaltet wird.15. The method according to any one of claims 11 to 14, wherein an RC-controlled multivibrator is used to start the DC-DC converter until a minimum voltage is reached and is switched over automatically to the quartz-derived frequencies when the minimum voltage is reached .
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei das Puls-Pausenverhältnis des DC-DC-Wandlers im quarzgesteu¬ erten Betrieb einen minimalen Wert nicht unterschreitet.16. The method according to any one of claims 11 to 15, wherein the pulse-pause ratio of the DC-DC converter in quartz-controlled operation does not fall below a minimum value.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei zur Übertragung von FSK-modulierten Daten von einem Trans¬ ponder zu einem Lesegerät ein durch datenabhängige Ver¬ änderung des DC-DC-Wandlertaktes in der Frequenz modu¬ lierter Strom durch einem dem DC-DC-Wandler vorgeschal¬ teten HF-Gleichrichter fließt, der von der Antenne des Transponders als FSK-Signal abgestrahlt wird.17. The method according to any one of claims 11 to 16, wherein for the transmission of FSK-modulated data from a transponder to a reader, a frequency modulated by a data-dependent change of the DC-DC converter clock frequency by a DC -DC converter flows upstream HF rectifier, which is emitted by the antenna of the transponder as an FSK signal.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei der Wandler mit einer dritten vorzugsweise vom Oszillator18. The method according to any one of claims 11 to 17, wherein the converter with a third preferably from the oscillator
(12) abgeleiteten Frequenz immer dann betrieben wird, wenn vom Transponder keine Daten zu übertragen sind.(12) derived frequency is operated whenever there is no data to be transmitted from the transponder.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei der datenabhängige Wandlertakt durch Umschalten verschiede¬ ner Frequenzen von einem Mikrocontroller gesteuert wird um Befehle vom Lesegerät zu quittieren oder gespeicherte Daten zum Lesegerät zu übertragen.19. The method according to any one of claims 11 to 18, wherein the data-dependent converter clock is controlled by switching different frequencies by a microcontroller in order to acknowledge commands from the reading device or to transmit stored data to the reading device.
20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Quarz die Taktfre¬ quenz für den Mikrocontroller erzeugt. 20. The method according to claim 19, wherein the quartz generates the clock frequency for the microcontroller.
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