WO2004047015A1 - Vorrichtung zur versorgung einer datenübertragungseinheit mit energie - Google Patents

Vorrichtung zur versorgung einer datenübertragungseinheit mit energie Download PDF

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WO2004047015A1
WO2004047015A1 PCT/DE2003/003750 DE0303750W WO2004047015A1 WO 2004047015 A1 WO2004047015 A1 WO 2004047015A1 DE 0303750 W DE0303750 W DE 0303750W WO 2004047015 A1 WO2004047015 A1 WO 2004047015A1
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data transmission
energy
transmission unit
voltage
decoupling
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PCT/DE2003/003750
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Thomas Jean Ludovic Baglin
Albert Missoni
Original Assignee
Infineon Technologies Ag
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    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06K—GRAPHICAL DATA READING; PRESENTATION OF DATA; RECORD CARRIERS; HANDLING RECORD CARRIERS
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    • G06K19/06—Record carriers for use with machines and with at least a part designed to carry digital markings characterised by the kind of the digital marking, e.g. shape, nature, code
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    • G06K19/07—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
    • G06K19/0701—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 at least one of the integrated circuit chips comprising an arrangement for power management
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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 invention relates to a device for supplying energy to a data transmission unit, for example a chip of a chip card.
  • the data transmission takes place with the help of a high-frequency amplitude modulation.
  • Data is transmitted from the card reader to the chip, the chip then serving as a receiver, and data from the chip to the card reader, the chip then serving as a transmitter.
  • the card reader is often referred to as a reader.
  • a data rate of 1 Mbit / s and higher and, at the same time, large chip power consumption it becomes difficult to achieve a sufficiently large modulation stroke with the current systems during load modulation, that is to say when data is being transferred from the chip to the card reader.
  • the data sent by the card reader is received, it is also difficult to achieve a sufficiently large signal swing. Chen to clearly emphasize the modulated signal from the noise and interference of the coupling link or the chip. In order to increase the detection accuracy, it is therefore advantageous to achieve a good signal-to-noise ratio.
  • an energy store for supplying energy to the chip is provided on the chip. If the capacity of the energy store in the supply path is chosen to be very small, a new concert for the energy supply of the chip during the field gaps, as occurs in a type A mode of operation, must be introduced.
  • the conventional method is to concentrate energy from the field in a charge emitter, for example in a capacitor.
  • a DC voltage UDC is obtained, which is modulated onto a sawtooth-shaped voltage, because the charging of the energy store and the discharging alternate in time.
  • a Type A gap occurs, which means that e.g. for about 3 ⁇ s no clock and no field is present, an energy source must provide the consumer, i.e. the chip, with the energy required during this time.
  • the functional principle of the energy supply is explained on the basis of the block diagram shown in FIG.
  • the voltage UF generated from the field F charges a supporting capacitance CS via a rectifier 1 during the field peaks.
  • the charging time is usually very short. Outside of this short charging time, the support capacity CS ensures the energy supply of the chip.
  • the support capacity CS serves as an energy supply, it is resistance RL, symbolizing the consumer, discharged. If the load resistor RL is small, a lot of energy and thus a large amount of charge is taken from the support capacitance CS and the DC voltage UDC at the load resistor RL drops rapidly in accordance with an exponential function.
  • the support capacitance CS must be designed so large that the voltage UDC does not fall below a minimum voltage in the time to be bridged. If a large supporting capacity CS is provided for this reason, the voltage UDC will not fall below the minimum voltage, but it will be all the more difficult to charge the supporting capacity CS to the desired voltage UDC.
  • the difficulty arises from the fact that the field F cannot draw any amount of energy.
  • the amount of energy that can be obtained from field F depends, among other things, on the transmission power of the card reader, the quality of the antenna of the card reader, the distance between the antenna of the card reader and the antenna of the chip and the quality of the antenna of the chip. In order for the energy balance to be balanced, the field F must supply at least as much energy as the load resistor RL consumes energy.
  • FIG. 1 Another frequently used method is to add a series regulator and a capacitance CH to the circuit according to FIG. 1.
  • the resulting embodiment is shown in Figure 2.
  • the series regulator 2 which in this case does not have to have a good PSRR value, generates a voltage UDC which is reduced compared to the voltage UF. Without a series regulator, the regulation of the voltage UDC must be taken over by a parallel regulator.
  • Both the embodiment shown in FIG. 1 and the embodiment shown in FIG. 2 have the disadvantage that since the capacity has to be chosen large, the stroke of the useful signal and the dynamics soon become too low in data communication. The card reader is no longer able to
  • FIG. 3 shows the profile of the voltage UF at the input of the rectifier 1 and the profile of the voltage UDC at the load resistor RL.
  • the time t is plotted on the x-axis and the amplitude of the voltage U on the y-axis.
  • the reference number 31 denotes the profile of the voltage UF at the input of the rectifier 1.
  • the dashed line, which is provided with the reference symbol 32, indicates the course of the
  • the device according to the invention for supplying energy to a data transmission unit has an energy supply input via which the energy can be fed into the data transmission unit in a contactless manner, preferably via an electrical field.
  • a decoupling unit for coupling and decoupling of the gear Energymakerssein- is provided with the data transfer unit, the • decoupling unit is configured and operable in that the decoupling is effected if the supply voltage for the data transmission unit leaves a tolerance range.
  • an energy store is provided which, if necessary, is connected to the data transmission unit. This has the advantage that the data transmission unit can also be operated over a longer period of time.
  • the energy store advantageously has a capacity. This makes it easy to temporarily store electrical energy.
  • a switching means is provided for connecting the energy store to the data transmission unit as required.
  • a control unit for controlling the switching means is provided, the control unit being designed and operable in such a way that the connection of the energy supply input to the data transmission unit takes place when the supply voltage leaves the tolerance range. This ensures that the energy storage is only switched on in cases where additional energy is required.
  • the switching means in the device according to the invention can be designed as an N-channel MOS transistor.
  • the device has a further diode which is connected between the energy store and the energy supply input.
  • the device according to the invention has a series regulator which is designed such that the supply voltage of the data transmission unit can thus be kept constant. This ensures a consistently high quality of data transmission.
  • the series controller in the device according to the invention can have a transistor which is connected between the power supply input and the data transmission unit.
  • the tolerance range in the device according to the invention is predetermined by a modulation index of at most 14%.
  • the data transmission unit is decoupled from the energy store during data transmission.
  • FIG. 1 shows in the form of a block diagram a device for supplying energy for a chip in a chip card according to the prior art.
  • FIG. 2 shows in the form of a block diagram a second device for supplying energy for a chip in a chip card according to the prior art.
  • Figure 3 shows the curves of the voltage at the input and at
  • FIG. 4 shows a possible one in the form of a block diagram
  • Embodiment of the device for power supply according to the invention Embodiment of the device for power supply according to the invention.
  • FIG. 5 shows a possible embodiment of a decoupling module, as can be used in the device according to the invention.
  • FIG. 6 shows in the form of a circuit diagram a possible embodiment of the device according to the invention for supplying energy for a chip in a chip card.
  • Figure 7 shows the curves of the voltage at the input and at
  • FIGS. 1, 2 and 3 will not be discussed further below, since this has already been done in the introduction to the description. We therefore refer to this at this point.
  • the device according to the invention for supplying a data transmission unit with energy is shown in the block diagram in FIG.
  • the device according to the invention can also be used to supply further components on the chip of the chip card.
  • the inputs 68 of the device At the inputs 68 of the device
  • Voltage UF which was generated from field F.
  • the inputs 68 which are also used as energy supply inputs are drawn, are connected to the inputs of a rectifier 1.
  • the rectifier 1 On the output side, the rectifier 1 is connected to an energy store 41 and a decoupling module 42.
  • the load resistor RL and the capacitance C are arranged parallel to one another.
  • the field F is not influenced by any energy storage of the chip. For this reason, field F is decoupled from the energy stores of the integrated circuit if necessary. If there is such an energy store with a strong coupling in field F, for example via a low-resistance resistor, a diode or the like, only very little energy may be drawn from this energy store, at least during data communication.
  • the decoupling module 42 is connected downstream of the rectifier 1. This ensures that the chip is always supplied with energy and also that the field F is not loaded during communication. The energy supply from the energy store takes place during a field gap, the voltage threshold above which the energy is supplied from an energy store to the consumer being precisely defined.
  • the decoupling module 42 maintains the voltage UDC at a constant potential. This can also be seen from the course of the voltage UDC in FIG. 7, which is identified by the reference symbol 72. For this purpose, the voltage at the input of the decoupling module 42 must be higher in order to allow dynamics in the field F.
  • the decoupling module 42 can be designed as in the embodiment shown in FIG. 5.
  • the output 1.1 of the rectifier 1 is connected to an N-channel MOS transistor 52.
  • the gate-source voltage UGS and thus the voltage UDC are regulated via the N-channel MOS transistor 52 in such a way that that it remains constant and thus dynamic fluctuations at the output 1.1 of the rectifier 1 are suppressed.
  • the N-channel MOS transistor 52 is controlled via a control unit 51, to which the voltage UDC is applied on the input side and which is connected on the output side to the control input of the N-channel MOS transistor 52. Only a modulation of the channel length of the N-channel MOS transistor 52 and a parasitic decoupling can have a disruptive effect on the gate of the N-channel MOS transistor.
  • FIG. 6 shows a circuit diagram of a possible embodiment variant of the device according to the invention for supplying a data transmission unit with energy.
  • the supply inputs 68 lead to two diodes 61 and 62, the cathodes of which are connected to the control outputs of a switching transistor 63.
  • the cathode of the diode 61 is additionally connected to the energy store 65 in the form of a capacitance C1.
  • the control input of the switching transistor 63 is connected both to the control input of the regulator transistor 52, which is also referred to as a series regulator, and to the output of the control unit for the series regulator 64.
  • the capacitance C2 which is connected on the one hand to a reference potential GND and on the other hand to the control output of the regulator transistor 52, the control input of the control unit 64 and the consumer, corresponds to the capacitance C shown in FIG. 4.
  • the regulator is with the load energy store C2 summarized.
  • the mode of operation of the circuit shown in FIG. 6 is explained below.
  • the series regulator 52 tries to keep the voltage UDC at a constant potential by means of the control unit 64.
  • the voltage UF which is caused by the field F, is greater than the sum of the voltages UDC + UDS52 + approx. 100 mV, UDS52 being the drain-source voltage of the transistor 52. This applies to normal operation, when sending data from the chip to the card reader and when receiving data with a modulation index of up to 14%. However, if the modulation index is greater than 14%, so that it is no longer within the ISO tolerance, the voltage UF caused by the field F drops to such an extent that the switching transistor 63 opens, that is, becomes conductive.
  • the result of this is that the energy is no longer drawn off from the field F and therefore no longer reaches the consumer via the diode 62 and the series regulator 52.
  • the energy store 65 is only available to the consumer when additional energy is required.
  • the energy is required when the field F has dropped so much that the chip can no longer be supplied by the field energy.
  • This energy supply from the energy store 65 is switched on very quickly and supplies the corresponding energy depending on the power consumption of the load.
  • the additional circuitry is advantageously very low. The circuit itself does not consume any additional electricity.
  • NMOS transistor only one NMOS transistor is required for the implementation, which has a greater current yield than the NMOS transistor of the series regulator 52.
  • the circuit is suitable for both 100% amplitude shift keying and 10% amplitude shift keying data transmission.

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Abstract

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Versorgung einer Datenübertragungseinheit mit Energie weist einen Energieversorgungseingang (68), über welchen die Energie kontaktlos, vorzugsweise über ein elektrisches Feld (F), in die Datenübertragungseinheit (RL) einspeisbar ist, auf. Zudem ist eine Entkopplungseinheit (42) zum Koppeln und Entkoppeln des Energieversorgungseingangs mit der Datenübertragungseinheit (RL) vorgesehen, wobei die Entkopplungseinheit (42) derart ausgebildet und betreibbar ist, daß die Entkopplung erfolgt, wenn die Versorgungsspannung (UDC) für die Datenübertragungseinheit (RL) einen Toleranzbereich verlässt.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Versorgung einer Datenübertragungseinheit mit Energie
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Versorgung einer Datenübertragungseinheit, beispielsweise eines Chips einer Chipkarte, mit Energie.
Bei einer Chipkarte erfolgt die Kommunikation, also das Senden und Empfangen von Daten mittlerweile kontaktlos . Auch die Versorgung des Senders und des Empfängers der Chipkarte mit Energie erfolgt mittlerweile berührungslos . Die Energie für die Versorgung des Senders und des Empfängers der Chipkarte wird aus dem elektrischen Feld, das die Chipkarte umgibt, entnommen.
Da der Trend zu höheren Datenübertragungsraten bis hin zu 1 Mbit/s und höher geht und gleichzeitig der Stromverbrauch im Chip steigt, steigen auch die Anforderungen bei der Versorgung des Chips mit Energie.
Die Datenübertragung erfolgt mit Hilfe einer hochfrequenten Amplitudenmodulation. Es werden Daten vom Kartenleser zum Chip, wobei der Chip dann als Empfänger dient, als auch Daten vom Chip zum Kartenleser, wobei der Chip dann als Sender dient, übertragen. Der Kartenleser wird des öfteren auch als Reader bezeichnet. Bei einer Datenrate von 1 Mbit/s und höher sowie, gleichzeitig großem Stromverbrauch des Chips wird es schwierig bei der Lastmodulation, das heißt bei einer Datenübertragung vom Chip zum Kartenleser, einen ausreichend gro- ßen Modulationshub mit den derzeitigen Systemen zu erreichen. Beim Empfang der vom Kartenleser gesendeten Daten wird es ebenfalls schwierig einen genügend großen Signalhub zu errei- chen, um das modulierte Signal aus dem Rauschen und den Störungen der Koppelstrecke bzw. des Chips deutlich hervorzuheben. Um die Erkennungsgenauigkeit zu erhöhen, ist es deshalb von Vorteil ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen.
In der Regel ist auf dem Chip ein Energiespeicher zur Energieversorgung des Chips vorgesehen. Wird die Kapazität des Energiespeichers im Versorgungspfad sehr klein gewählt, muss ein neues Konzert für die Energieversorgung des Chips während der Feldlücken, wie sie bei einer TypA-Betriebsweise auftreten, eingeführt werden.
Bei einem Modulationsindex von 100% wird im folgenden von einem TypA-Übertragungsverfahren gesprochen.
Stand der Technik
Die konven ionelle Methode besteht darin, Energie aus dem Feld in einem Ladungsspeieher, beispielsweise in einer Kapazität, zu konzentrieren. Dadurch wird eine Gleichspannung UDC gewonnen, der eine sägezahnfδrmige Spannung aufmoduliert ist, weil das Laden des Energiespeichers und das Entladen sich zeitlich abwechseln. Tritt eine TypA-Lücke auf, was bedeutet, daß z.B. für zirka 3 μs kein Takt und kein Feld anliegt, muss eine Energiequelle dem Verbraucher, also dem Chip, die in dieser Zeit benötigte Energie zur Verfügung stellen.
Anhand des in Figur 1 gezeigten Blockschaltbilds wird das Funktionsprinzip der Energieversorgung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, erläutert. Die aus dem Feld F generierte Spannung UF lädt während der Feldspitzen eine Stützkapazität CS über einen Gleichrichter 1 auf . Die Ladezeit ist dabei in der Regel sehr kurz. Außerhalb dieser kurzen Lade- zeit stellt die Stützkapazität CS die Energieversorgung des Chips sicher. Während der Zeitdauer, in der die Stützkapazität CS als Energieversorgung dient, wird sie über einen Last- widerstand RL, welcher den Verbraucher symbolisiert, entladen. Ist der Lastwiderstand RL klein, wird viel Energie und damit eine hohe Ladungsmenge aus der Stützkapazität CS entnommen und die Gleichspannung UDC am Lastwiderstand RL sinkt entsprechend einer exponentiellen Funktion rasch ab. Je kleiner die Stützkapazität CS ist, um so schneller fällt die Spannung UDC am Lastwiderstand RL ab. Die Stützkapazität CS muss so groß ausgelegt sein, dass in der zu überbrückten Zeit die Spannung UDC nicht unter eine Mindestspannung fällt. Wird aus diesem Grund eine große Stützkapazität CS vorgesehen, wird die Spannung UDC zwar nicht unter die Mindestspannung fallen, dafür wird es aber um so schwieriger, die Stützkapazität CS auf die gewünschte Spannung UDCsoll aufzuladen. Die Schwierigkeit ergibt sich dadurch, daß aus dem Feld F nicht beliebig viel Energie bezogen werden kann. Die Menge an Energie, die aus dem Feld F bezogen werden kann ist unter anderem von der Sendeleistung des Kartenlesers, der Güte der Antenne des Kartenlesers, der Distanz zwischen der Antenne des Kartenlesers und der Antenne des Chips und der Güte der Antenne des Chips abhängig. Damit die Energiebilanz ausgeglichen ist, muss das Feld F zumindest soviel Energie nachliefern, wie der Lastwiderstand RL Energie verbraucht .
Eine weitere häufig eingesetzte Methode besteht darin, einen Serienregler und eine Kapazität CH der Schaltung gemäß Figur 1 hinzuzufügen. Die sich daraus ergebende Ausführungsform ist in Figur 2 gezeigt. Mit Hilfe des Gleichrichters 1 wird die vom Feld F hervorgerufene Spannung UF zu einer pulsierenden Gleichspannung UDC umgeformt und mit Hilfe der Kapazität CH geglättet. Der Serienregler 2, der in diesem Fall keinen guten PSRR-Wert aufweisen muss, erzeugt eine Spannung UDC, die gegenüber der Spannung UF vermindert ist. Ohne einen Serienregler muss die Regelung der Spannung UDC von einem Parallel- regier übernommen werden.
Insgesamt ist darauf zu achten, daß das Feld F nicht durch große Energiespeicher, wie dies die Kapazität CH und die Ka- pazität CS darstellen, über eine niederoh ige Verbindung, welche beispielsweise durch den Gleichrichter 1 gebildet wird, belastet wird. Werden große Energiespeicher niederohmig mit dem Feld F verbunden, werden Datenübertragungen mit hohen Datenraten unmöglich. Zudem wird dabei auch bei niedrigen Datenraten die Dynamik vermindert .
Auch bei dieser Ausführungsform ergeben sich die oben genannten Probleme.
Sowohl die in Figur 1 gezeigte Ausführungsform als auch die in Figur 2 gezeigte Ausführungsform haben den Nachteil, daß, da die Kapazität groß zu wählen ist, bei der Datenkommunikation der Hub des Nutzsignals und die Dynamik bald zu gering werden. Der Kartenleser ist nicht mehr in der Lage die
Lastmodulation des Chips von Störungen aus dem Feld zu unterscheiden, was zu einer Fehlfunktion führt. Ebenso kann der Chip aufgrund des geringen Nutzsignals nicht mehr die vom Kartenleser gesendeten Daten dekodieren. Die Dynamik im Si- gnal wird zu gering. Das Nutzsignal geht im Rauschen unter und die Datenkommunikätion bricht zusammen.
In Figur 3 ist zur Erläuterung dieses Zusammenhangs der Verlauf der Spannung UF am Eingang des Gleichrichters 1 und der Verlauf der Spannung UDC am Lastwiderstand RL gezeigt. Dazu ist auf der x-Achse die Zeit t und auf der y-Achse die Amplitude der Spannung U aufgetragen. Mit dem Bezugszeichen 31 ist der Verlauf der Spannung UF am Eingang des Gleichrichters 1 die gekennzeichnet. Die gestrichelte Linie, welche mit dem Bezugszeichen 32 versehen ist, gekennzeichnet den Verlauf der
Spannung UDC. Die Spannung UF fällt zum Zeitpunkt tl ab und steigt erst zum Zeitpunkt t2 wieder an, was dazu führt, daß die Spannung UDC im Bereich zwischen den beiden Zeitpunkten tl und t2 bedingt durch die Last RL kontinuierlich absinkt und vom Zeitpunkt t2 bis zum Zeitpunkt t3, nämlich solange die .Spannung UF ansteigt, ebenfalls wieder zunimmt. Es ist jedoch festzustellen, daß zum Zeitpunkt t3 die Spannung UDC nicht mehr ihren ursprünglichen Wert erreicht. Die Zeiträume t2-t3 und.t4-t5 reichen nicht aus, um die Spannung UDC jeweils wieder auf ihren ursprünglichen Wert zu bringen. Vielmehr nimmt das Spannungsmittel der Spannung UDC kontinuier- lieh ab. Dies führt letztendlich dazu, daß der Kartenleser nicht mehr in der Lage ist, die Lastmodulation des Chips von Störungen aus dem Feld zu unterscheiden und es damit zu einer Fehlfunktion kommt. Ebenso kann der Chip aufgrund des geringen Nutzsignals nicht mehr die vom Kartenleser gesendeten Da- ten dekodieren.
Darstellung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Versorgung einer Datenübertragungseinheit mit Energie anzugeben, bei der jederzeit die Datenübertragung gewährleistet ist .
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Versorgung einer Datenübertragungseinheit mit Energie mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst .
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Versorgung einer Daten- Übertragungseinheit mit Energie weist einen Energieversorgungseingang, über welchen die Energie kontaktlos, vorzugsweise über ein elektrisches Feld, in die Datenübertragungs- einheit einspeisbar ist, auf. Zudem ist eine Entkopplungseinheit zum Koppeln und Entkoppeln des Energieversorgungsein- gangs mit der Datenübertragungseinheit vorgesehen, wobei die •Entkopplungseinheit derart ausgebildet und betreibbar ist, daß die Entkopplung erfolgt, wenn die VersorgungsSpannung für die Datenübertragungseinheit einen Toleranzbereich verlässt .
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den abhängigen Patentansprüchen angegebenen Merkmalen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Energiespeicher vorgesehen, welcher bedarfsweise mit der Datenübertragungseinheit verbunden ist. Dies hat den Vorteil, daß die Datenübertragungseinheit dadurch auch über einen größeren Zeitraum hinweg betreibbar ist.
Vorteilhafterweise weist der Energiespeicher eine Kapazität auf. Damit lässt sich auf einfache Art und Weise elektrische Energie Zwischenspeichern.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Schaltmittel zum bedarfsweisen Verbinden des Energiespeichers mit der Datenübertragungs- einheit vorgesehen.
Bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Steuereinheit zum Steuern des Schaltmittels vorgesehen, wobei die Steuereinheit derart ausgebildet und betreibbar • ist, daß die Verbindung des Energieversorgungseingangs mit der Datenübertragungseinheit erfolgt, wenn die Versorgungs- spannung den Toleranzbereich verlässt. Damit wird erreicht, daß der Energiespeicher nur in den Fällen, in denen zusätzliche Energie benötigt wird, zugeschaltet wird.
Darüber hinaus kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Schaltmittel als N-Kanal MOS-Transistor ausgebildet sein.
Zur Lösung der Aufgabe wird ferner vorgeschlagenen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Diode vorzusehen, welche zwischen den Energieversorgungseingang und die Datenübertragungseinheit geschaltet ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung eine weitere Diode auf, welche zwischen den Ener- giespeicher und den Energieversorgungseingang geschaltet ist. Vorteilhafterweise weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Serienregler auf, welche derart ausgebildet ist, daß damit die VersorgungsSpannung der Datenübertragungseinheit konstant gehalten werden kann. Dadurch wird dauerhaft eine gleichbleibend hohe Qualität der Datenübertragung sichergestellt .
Darüber hinaus kann der Serienregler bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen Transistor aufweisen, der zwischen den Energieversorgungseingang und die Datenübertragungseinheit geschaltet ist.
Zur Lösung der Aufgabe wird ferner vorgeschlagenen, daß eine weitere Kapazität vorgesehen ist, die parallel zur Datenüber- tragungseinheit geschaltet ist.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsvariante ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Toleranzbereich durch einen Modulationsindex von maximal 14 % vorgegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Versorgung einer Datenübertragungseinheit mit Energie ist vorgesehen, daß die Datenübertragungseinheit während einer Datenübertragung vom Energiespeicher entkoppelt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden wird die Erfindung anhand von sieben Figuren weiter erläutert .
Figur 1 zeigt in Form eines Blockschaltbilds eine Vorrichtung zur Energieversorgung für einen Chip in einer Chipkarte gemäß dem Stand der Technik.
Figur 2 zeigt in Form eines Blockschaltbilds eine zweite Vorrichtung zur Energieversorgung für einen Chip in einer Chipkarte gemäß dem Stand Technik. Figur 3 zeigt die Verläufe der Spannung am Eingang und am
Ausgang der Vorrichtung zur Energieversorgung gemäß dem Stand der Technik.
Figur 4 zeigt in Form eines Blockschaltbilds eine mögliche
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energieversorgung .
Figur 5 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines Entkopplungsmoduls, wie es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einsatz kommen kann.
Figur 6 zeigt in Form eines Schaltplans eine mögliche Ausfüh- rungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energieversorgung für einen Chip in einer Chipkarte.
Figur 7 zeigt die Verläufe der Spannung am Eingang und am
Ausgang der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ener- gieversorgung .
Wege zur Ausführung der Erfindung
Auf die Beschreibung der Figuren 1, 2 und 3 wird im folgenden nicht weiter eingegangen, da dies bereits in der Beschreibungseinleitung erfolgte. An dieser Stelle wird deshalb darauf verwiesen.
Im Blockschaltbild in Figur 4 ist eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Versorgung einer Datenübertragungseinheit mit Energie prinzipiell dargestellt. Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zur Versorgung weiterer Komponenten auf dem Chip des Chipkar- te dienen. An den Eingängen 68 der Vorrichtung liegt die
Spannung UF an, welche aus dem Feld F generiert wurde. Die Eingänge 68, welche auch als Energieversorgungseingänge be- zeichnet werden, sind mit den Eingängen eines Gleichrichters 1 verbunden. Ausgangsseitig ist der Gleichrichter 1 mit einem Energiespeicher 41 und einen Entkopplungsmodul 42 verbunden. Dem Entkopplungsmodul 42 wiederum ist eine Kapazität C sowie der Verbraucher, symbolisiert durch den Lastwiderstand RL nachgeschaltet. Der Lastwiderstand RL und die Kapazität C sind dabei parallel zueinander angeordnet.
Ziel ist es, daß das Feld F durch keinen Energiespeicher des Chips beeinflusst wird. Aus diesem Grund wird das Feld F von den Energiespeichern des integrierten Schaltkreises im Bedarfsfall entkoppelt. Befindet sich ein solcher Energiespeicher mit einer starken Koppelung im Feld F, beispielsweise über einen niederohmigen Widerstand, eine Diode oder derglei- chen, so darf aus diesem Energiespeicher zumindest während der Datenkommunikation nur sehr wenig Energie entnommen werden. Um dies zu erreichen ist deshalb das Entkopplungsmodul 42 dem Gleichrichter 1 nachgeschaltet. Damit wird erreicht, daß der Chip immer mit Energie versorgt wird und zudem das Feld F während der Kommunikation nicht belastet wird. Die Energielieferung vom Energiespeicher erfolgt während einer Feldlücke, wobei die Spannungsschwelle, ab der die Energie aus einem Energiespeicher zum Verbraucher geliefert wird, genau definiert ist.
Durch das Entkopplungsmodul 42 wird die Spannung UDC auf einem konstanten Potenzial gehalten. Dies ist auch aus dem Verlauf der Spannung UDC in Figur 7, welche mit dem Bezugszeichen 72 gekennzeichnet ist, entnehmbar. Die Spannung am Ein- gang des Entkopplungsmoduls 42 muss dazu höher sein, um eine Dynamik im Feld F zuzulassen.
Das Entkopplungsmodul 42 kann, wie in der in Figur 5 gezeigten Ausführungsform, ausgebildet sein. Dabei ist der Ausgang 1.1 des Gleichrichters 1 mit einem N-Kanal MOS-Transistor 52 verbunden. Über den N-Kanal MOS-Transistor 52 wird die Gate- Source-Spannung UGS und damit die Spannung UDC so geregelt, daß sie konstant bleibt und somit dynamische Schwankungen am Ausgang 1.1 des Gleichrichters 1 unterdrückt werden. Die Steuerung des N-Kanal MOS-Transistors 52 erfolgt über eine Steuereinheit 51, an welcher eingangsseitig die Spannung UDC anliegt und welche ausgangsseitig mit dem Steuereingang des N-Kanal MOS-Transistors 52 verbunden ist. Lediglich eine Modulation der Kanallänge des N-Kanal MOS-Transistors 52 und eine parasitäre Entkopplung können sich auf das Gate des N- Kanal MOS-Transistors störend auswirkten.
In Figur 6 ist ein Schaltplan einer möglichen AusführungsVariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Versorgung einer Datenübertragungseinheit mit Energie gezeigt . Die Versor-, gungseingänge 68 führen auf zwei Dioden 61 und 62, deren Ka- thoden mit den Steuerausgängen eines Schalttransistors 63 verbunden sind. Die Kathode der Diode 61 ist zusätzlich mit dem Energiespeicher 65 in Form einer Kapazität Cl verbunden. Der Steuereingang des Schalttransistors 63 ist sowohl mit dem Steuereingang des Reglertransistors 52, der auch als Serien- regier bezeichnet wird, als auch mit dem Ausgang der Steuereinheit für den Serienregler 64 verbunden. Die Kapazität C2 , welche einerseits mit einem Bezugspotenzial GND und andererseits mit den Steuerausgang des Reglertransistors 52, dem Steuereingang der Steuereinheit 64 und dem Verbraucher ver- bunden ist, entspricht der in Figur 4 gezeigten Kapazität C. Im Block 67 ist der Regler mit dem Lastenergiespeicher C2 zu- sammengefasst .
Im folgenden wird die Funktionsweise der in Figur 6 gezeigten Schaltung erläutert. Der Serienregler 52 versucht mittels der Steuereinheit 64 die Spannung UDC auf einem konstanten Potenzial zu halten. Die Spannung UF, welche durch das Feld F hervorgerufen wird, ist größer als die Summe aus den Spannungen UDC + UDS52 + ca. 100mV, wobei UDS52 die Drain-Source- Spannung des Transistors 52 ist. Dies gilt bei Normalbetrieb, beim Senden von Daten vom Chip an den Kartenleser und beim Empfang von Daten mit einem Modulationsindex von bis zu 14 %. Ist jedoch der Modulationsindex größer als 14 %, so dass er damit nicht mehr innerhalb der ISO-Toleranz liegt, fällt die durch das Feld F hervorgerufene Spannung UF so weit ab, daß der Schalttransistor 63 öffnet, das heißt leitend wird. Die im Energiespeicher 65 und damit in der Kapazität Cl gespeicherte Energie fließt über den Schalttransistor 63 und den Serienregler 52 zur Last, also dem Verbraucher. Damit wird erreicht, daß die Energie nicht mehr aus dem Feld F abgezogen wird und daher auch nicht mehr über die Diode 62 und den Se- rienregler 52 zum Verbraucher gelangt.
Mit Hilfe dieser Schaltung steht der Energiespeicher 65 nur dann dem Verbraucher zur Verfügung, wenn zusätzliche Energie benötigt wird. Benötigt wird die Energie dann, wenn das Feld F so stark abgefallen ist, daß der Chip nicht mehr von der Feldenergie versorgt werden kann. Dieser Energievorrat aus dem Energiespeicher 65 wird sehr schnell zugeschaltet und liefert abhängig vom Stromverbrauch der Last die entsprechende Energie. Der zusätzliche Schaltungsaufwand ist vorteilhaf- terweise sehr gering. Die Schaltung selbst verbraucht keinen zusätzlichen Strom.
Für die Realisierung wird tatsächlich nur ein NMOS-Transistor benötigt, der eine größere Stromergiebigkeit aufweist als der NMOS-Transistor des Serienreglers 52.
Die Schaltung ist sowohl für eine 100% Amplituden Shift Key- ing- als auch für eine 10% Amplituden Shift Keying- Datenübertragung geeignet .
Anhand der in Figur 7 gezeigten Spannungsverläufe 71 und 72, wobei das Bezugszeichen 71 den Verlauf der durch das Feld F hervorgerufene Spannung UF kennzeichnet und das Bezugszeichen 72 mit der gestrichelten Linie den Verlauf der Spannung UDC kennzeichnet, ist zu erkennen, daß die Spannung UDC über die gesamte Zeitdauer konstant bleibt. Im Gegensatz zu dem in Fi- gur 3 gezeigten Spannungsverlauf 32 fällt die Spannung UDC bei der Erfindung über die Zeit nicht ab.
Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste
1 Gleichrichter
1.1 Ausgang des Gleichrichters 2 Serienregler
31 Verlauf der Spannung UF
32 Verlauf der Spannung UDC
41 Energiespeicher
42 Entkopplungsmodul 52 Transistor
61,62 Dioden
63 Schalttransistor
64 Steuerung
UDS52 Drain-Souree Spannung am Transistor 52 UGS52 Gate-Source Spannung am Transistor 52
UGS63 Gate-Source Spannung am Transistor 63
66 Schaltmittel
67 Regler mit Lastenergiespeicher
68 Versorgungseingänge 71 Verlauf der Spannung UF
72 Verlauf der Spannung UDC tl bis t5 verschiedene Zeitpunkte
UDC gleichgerichtete Spannung
RL Lastwiderstand CH große Kapazität
CL kleine Kapazität
UF vom Feld hervorgerufene Spannung
CS Stützkapazität
IL Laststrom F Feld
GND Bezugspotenzial

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Versorgung einer Datenübertragungseinheit mit Energie, mit einem Energieversorgungseingang (68) , über welchen die Energie kontaktlos, vorzugsweise über ein elektrisches Feld (F) , in die Datenübertragungseinheit (RL) einspeisbar ist, mit einer Entkoppelungseinheit (42) zum Koppeln und Entkoppeln des Energieversorgungseingangs (68) mit der Datenüber- tragungseinheit (RL) , wobei die Entkopplungseinheit (42) derart ausgebildet und betreibbar ist, dass die Entkopplung erfolgt, wenn eine VersorgungsSpannung (UDC) für die Datenübertragungseinheit (RL) einen Toleranzbereich verlässt.
2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, mit einem Energiespeicher (41) , welcher bedarfsweise mit der Datenübertragungseinheit (RL) verbindbar ist .
3. Vorrichtung nach Patentanspruch 2 , bei der der Energiespeicher (41) eine Kapazität (Cl) aufweist.
4. Vorrichtung nach Patentanspruch 2 oder 3 , mit einem Schaltmittel (66) zum bedarfsweisen Verbinden des Energiespeichers (41) mit der Datenübertragungseinheit (RL) .
5. Vorrichtung nach Patentanspruch 4, mit einer Steuereinheit (67) zum Steuern des Schaltmittels (66) , wobei die Steuereinheit (67) derart ausgebildet und be- treibbar ist, dass die Verbindung des Energieversorgungseingangs (68) mit der Datenübertragungseinheit (RL) erfolgt, wenn die Versorgungsspannung (UDC) den Toleranzbereich verlässt.
6. Vorrichtung nach Patentanspruch 4 oder 5, bei der das Schaltmittel (66) als N-Kanal MOS-Transistor (63) ausgebildet ist .
7. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, mit einer Diode (62) , welche zwischen den Energieversorgungs- eingang (68) und die Datenübertragungseinheit (RL) geschaltet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, mit einer weiteren Diode (61) , welche zwischen den Energiespeicher (Cl) und den Energieversorgungseingang (68) geschal- tet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, mit einem Serienregler (67) , welcher derart ausgebildet ist, dass damit die Versorgungsspannung (UDC) der Datenübertra- gungseinheit (RL) konstant gehalten werden kann.
10. Vorrichtung nach Patentanspruch 9, bei der der Serienregler (67) einen Transistor (52) aufweist, der zwischen den Energieversorgungseingang (68) und die Da- tenübertragungseinheit (RL) geschaltet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 10, mit einer weiteren Kapazität (C2) , die parallel zur Datenübertragungseinheit (RL) geschaltet ist.
12. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 11, wobei der Toleranzbereich durch einen Modulationsindex von maximal 14% vorgegeben ist.
13. Verfahren nach einem der Patentansprüche 2 bis 12, bei dem die Datenübertragungseinheit (RL) während einer Datenübertragung vom Energiespeicher (Cl) entkoppelt wird.
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