專利名稱：一種非接觸卡中的供電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種集成電路中的供電裝置，尤其是一種非接觸卡中的供電裝置。
背景技術(shù)：
射頻識(shí)別系統(tǒng)的一個(gè)重要的特征是應(yīng)答器的供電。無(wú)源的應(yīng)答器自已沒(méi)有電源。因此無(wú)源的應(yīng)答器工作用的所有能量必須從閱讀器的電磁場(chǎng)中取得。
在射頻識(shí)別技術(shù)中應(yīng)答器的能量供應(yīng)以及應(yīng)答器和閱讀器之間的數(shù)據(jù)交流不是通過(guò)電流的觸點(diǎn)接通而是通過(guò)磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)，在這方面采用了無(wú)線電和雷達(dá)技術(shù)。應(yīng)答器工作時(shí)所需的能量，如同應(yīng)答器的輸入時(shí)鐘脈沖和輸入數(shù)據(jù)信息一樣，是通過(guò)非接觸的耦合單元傳輸給應(yīng)答器的。
高頻的強(qiáng)電磁場(chǎng)由閱讀器的天線線圈產(chǎn)生，這種磁場(chǎng)穿過(guò)線圈橫截面和線圈周圍的空間。因?yàn)槭褂玫念l率范圍(13.56MHz22.1m)內(nèi)的波長(zhǎng)比閱讀器天線和應(yīng)答器之間的距離大好多倍，可以把應(yīng)答器到天線的距離間的電磁場(chǎng)當(dāng)作簡(jiǎn)單的交變磁場(chǎng)來(lái)對(duì)待。
射頻識(shí)別系統(tǒng)的另一重要特征是系統(tǒng)的工作頻率和作用距離。通常把閱讀器發(fā)送時(shí)使用的頻率稱作射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作頻率。不考慮率應(yīng)答器的發(fā)送頻率，或叫做閱讀器發(fā)送頻率。然而，在任何情況下，應(yīng)答器的“發(fā)射功率”會(huì)比閱讀器的發(fā)射功率低幾十個(gè)百人點(diǎn)。
各種發(fā)送頻率基本上劃歸三個(gè)范圍低頻(30KHz～300KHz)、高頻或射頻(3MHz～30MHz)和超高頻(300MHz～3GHz)或微波(＞3GHz)。根據(jù)作用距離，射頻識(shí)別系統(tǒng)的附加分類是密耦合(0～1cm)、遙耦合(0～1m)和遠(yuǎn)距離率統(tǒng)(＞1m)。
發(fā)射磁場(chǎng)的一小部分磁力線穿過(guò)距閱讀器一定距離的應(yīng)答器天線線圈。通過(guò)感應(yīng)，在應(yīng)答器的天線兩端產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電壓，用低損耗的橋式整流器把感應(yīng)電壓轉(zhuǎn)變成直流電壓，再濾波，然后作為芯片的電源供應(yīng)。
應(yīng)答器線圈中感應(yīng)電壓用于給無(wú)源應(yīng)答器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器供電。為了顯著提高效電路的效率，在應(yīng)答器線圈上并聯(lián)電容以構(gòu)成并聯(lián)振蕩回路，其諧振頻率與所述的射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作頻率一致。并聯(lián)振蕩回路的諧振頻率可由湯姆遜公式算出。
為了使幾個(gè)應(yīng)答器的相互影響最小，13.56MHz系統(tǒng)的應(yīng)答器把諧振頻度調(diào)諧到15-18MHz。
為了提高耦合效率，我們將采用諧振的方法將一個(gè)電容器與應(yīng)答器的天線線圈并聯(lián)，電容器電容的選擇依據(jù)是它與天線線圈的電感一起，形成諧振頻率與閱讀器發(fā)射頻率相符的并聯(lián)振蕩回路。該回路的諧振使得應(yīng)答器天線線圈產(chǎn)生非常大的電流。應(yīng)答器上的天線線圈和電容器構(gòu)成振蕩回路，調(diào)諧到閱讀器的發(fā)射頻率。通過(guò)該回路的諧振，應(yīng)答器線圈上的感應(yīng)電壓達(dá)到最大值。
由于電感耦合應(yīng)答器是無(wú)源工作的。這意味著芯片工作時(shí)所需要的全部能量必須由閱讀器通過(guò)天線供應(yīng)。但是由于基于射頻識(shí)別技術(shù)的相關(guān)協(xié)議——如近耦合協(xié)議ISO14443和疏耦合協(xié)議ISO15693——中的數(shù)據(jù)編碼方式的原因，在傳送數(shù)據(jù)的過(guò)程中，閱讀器的發(fā)射信號(hào)會(huì)出現(xiàn)短暫的中斷。這意味著芯片工作時(shí)所需要的能量傳輸會(huì)出現(xiàn)供應(yīng)中斷的問(wèn)題，因此需要在閱讀器的發(fā)射信號(hào)中斷時(shí)保持卡片上的電壓，防止芯片上的數(shù)據(jù)丟失，保證芯片的正常處理功能；但是在同時(shí)又必須使用盡可能較小的儲(chǔ)能電容以減少成本。這是在射頻識(shí)別技術(shù)的能量供應(yīng)方法中兩個(gè)很重要的問(wèn)題。
在目前解決這個(gè)問(wèn)題所采取的一種方式是在直流電壓和地之間的連接一個(gè)儲(chǔ)能電容，儲(chǔ)能電容除了起到存儲(chǔ)能量的作用以外，另外一個(gè)重要的作用是對(duì)直流電壓進(jìn)行濾波。當(dāng)閱讀器暫停發(fā)送信號(hào)時(shí)，由儲(chǔ)能電容向內(nèi)部電路提供維持?jǐn)?shù)據(jù)的能量，使芯片在恢復(fù)能量和時(shí)鐘的供應(yīng)之前可以保持芯片正常運(yùn)行。
這種裝置雖然可以滿足在信號(hào)暫停時(shí)間較短的情況下的能量供應(yīng)(如ISO14443協(xié)議下信號(hào)暫停時(shí)間為3us～4us)，但是如果信號(hào)暫停時(shí)間增加(如ISO15693協(xié)議下信號(hào)暫停時(shí)間增加到9.44us)，就會(huì)要求相應(yīng)的增大儲(chǔ)能電容，這將使得芯片的面積變得很大，從而會(huì)使芯片的成本增加到難以承受的地步。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種非接觸卡中的供電裝置，旨在解決信號(hào)暫停時(shí)間延長(zhǎng)的缺陷，增大儲(chǔ)能電容。
為解決本發(fā)明的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的非接觸卡中的供電裝置包括在應(yīng)答器線圈上并聯(lián)電容所構(gòu)成的并聯(lián)振蕩回路，橋式整流器，儲(chǔ)能電容，穩(wěn)壓電路，內(nèi)部電路，所述振蕩回路與所述橋式整流器連接，橋式整流器的輸出兩端通過(guò)所述儲(chǔ)能電容的兩端與所述穩(wěn)壓電路的輸入兩端耦合在一起，穩(wěn)壓電路的輸出兩端與所述內(nèi)部電路的輸入兩端連接。
所述穩(wěn)壓電路包括功率MOS管，第一MOS管，第二MOS管，反相器，分壓器，所述功率MOS管的柵極與第二MOS管的漏極相連，源極與橋式整流器輸出電壓的一端連接在一起，漏極與內(nèi)部電路輸入電壓的一端連接；所述分壓器的輸入端與功率MOS管的源極連接，輸出端與第二MOS管的漏極相連；所述第二MOS管的源極與所述反相器的輸出端連接，其柵極與第一MOS管的柵極和漏極耦合在一起，所述第一MOS管的柵極和漏極與反相器的輸入端連接，其源極與地相連。
本發(fā)明的有益效果為在同等的或者更少電容的情況下，度過(guò)相同或者更長(zhǎng)的中斷時(shí)間，來(lái)維持芯片的正常運(yùn)行。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的非接觸卡中的供電裝置；圖2是本發(fā)明的非接觸卡中的供電裝置；圖3是穩(wěn)壓電路的電路圖；圖4是另一種穩(wěn)壓電路的電路圖。
圖中在應(yīng)答器線圈上并聯(lián)電容所構(gòu)成的并聯(lián)振蕩回路1，橋式整流器2，儲(chǔ)能電容3 儲(chǔ)能電容31內(nèi)部電路4 穩(wěn)壓電路5 功率MOS管51第一MOS管52第二MOS管53反相器54 分壓器55 電容56 電阻57 第三MOS管551 第四MOS管541 第五MOS管具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更詳細(xì)的說(shuō)明如圖1所示在應(yīng)答器線圈上并聯(lián)電容所構(gòu)成的并聯(lián)振蕩回路1，橋式整流器2，儲(chǔ)能電容3，內(nèi)部電路4，所述振蕩回路1與所述橋式整流器2連接，橋式整流器2的輸出兩端通過(guò)所述儲(chǔ)能電容3的兩端與所述內(nèi)部電路4的輸入兩端耦合在一起。
以13.56MHz的閱讀器的發(fā)射頻率為例，兩者組成的諧振頻率比發(fā)射頻率稍高1～5MHz。這樣做的理由是由兩個(gè)相互靠近的應(yīng)答器的共同諧振頻率總是低于單個(gè)的應(yīng)答器的諧振頻率，在電橋的輸出兩端產(chǎn)生Vcc和Gnd的信號(hào)。應(yīng)答器線圈上并聯(lián)電容以構(gòu)成并聯(lián)振蕩回路1的兩端產(chǎn)生了交流電信號(hào)，使用低功耗的橋式整流器把交流電信號(hào)轉(zhuǎn)變成直流電壓信號(hào)Vcc儲(chǔ)能電容3的兩端分別接在Vcc和Gnd之間。儲(chǔ)能電容3除了起到存儲(chǔ)能量的作用以外，另外一個(gè)重要的作用是對(duì)Vcc進(jìn)行濾波；當(dāng)閱讀器暫停發(fā)送信號(hào)時(shí)，由儲(chǔ)能電容3向內(nèi)部電路提供維持?jǐn)?shù)據(jù)的能量，使芯片在恢復(fù)能量和時(shí)鐘的供應(yīng)之前可以保持芯片正常運(yùn)行。
如圖2所示本發(fā)明的非接觸卡中的供電裝置包括在應(yīng)答器線圈上并聯(lián)電容所構(gòu)成的并聯(lián)振蕩回路1，橋式整流器2，儲(chǔ)能電容31，穩(wěn)壓電路5，內(nèi)部電路4，所述振蕩回路1與所述橋式整流器2連接，橋式整流器2的輸出兩端通過(guò)所述儲(chǔ)能電容31的兩端與所述穩(wěn)壓電路5的輸入兩端耦合在一起，穩(wěn)壓電路5的輸出兩端與所述內(nèi)部電路4的輸入兩端連接。
如圖3，圖4所示所述穩(wěn)壓電路5包括功率MOS管51，第一MOS管52，第二MOS管53，反相器54，分壓器55，所述功率MOS管51的柵極與第二MOS管53的漏極相連，源極與橋式整流器2輸出電壓的一端連接在一起，漏極與內(nèi)部電路4輸入電壓的一端連接；所述分壓器55的輸入端與功率MOS管51的源極連接，輸出端與第二MOS管53的漏極相連；所述第二MOS管53的源極與所述反相器54的輸出端連接，其柵極與第一MOS管52的柵極和漏極耦合在一起，所述第一MOS管52的柵極和漏極與反相器54的輸入端連接，其源極與地相連。
仍以13.56MHz的閱讀器的發(fā)射頻率為例，諧振頻率比發(fā)射頻率稍高1～5MHz電橋的輸出兩端產(chǎn)生Vhigh和Gnd的信號(hào)(Vhigh≈2Vcc)。應(yīng)答器線圈上并聯(lián)電容以構(gòu)成并聯(lián)振蕩回路1的兩端產(chǎn)生了交流電信號(hào)，使用低功耗的橋式整流器2把交流電信號(hào)轉(zhuǎn)變成直流電壓信號(hào)Vhigh；儲(chǔ)能電容31的位置由Vcc和Gnd之間變換到Vhigh和Gnd之間。由于Vhigh遠(yuǎn)比Vcc要高，因此儲(chǔ)能電容31此時(shí)所存儲(chǔ)的能量比要比放在Vcc和Gnd之間時(shí)大的多；穩(wěn)壓電路5包含有兩個(gè)功能一個(gè)功能是通過(guò)Vhigh產(chǎn)生芯片的內(nèi)部電源Vcc；另一個(gè)功能是限制Vhigh的電壓，防止電壓過(guò)高造成對(duì)內(nèi)部電路4的損壞；在閱讀器暫停發(fā)送信號(hào)的時(shí)候，由儲(chǔ)能電容31向內(nèi)部電路4提供能量，維持電源電壓Vcc的穩(wěn)定來(lái)維持芯片的正常運(yùn)行。
這種方法的特點(diǎn)是根據(jù)電容的儲(chǔ)能公式W=12CU2′]]>電容上存儲(chǔ)的能量和電容兩端的電壓差成平方的關(guān)系。在方式1中，假設(shè)在工作時(shí)Vcc的電壓差U1等于3V，經(jīng)過(guò)時(shí)間T(信號(hào)暫停發(fā)送時(shí)間)以后Vcc下降到U2(大約2V)，在這段時(shí)間內(nèi)的平均功耗是P1，則所需的電容大小是C2=2P1TU12-U22=2P1T32-22=25P1T]]>在本發(fā)明中，由于儲(chǔ)能電容31的兩端是接在Vhigh和地之間，而Vhigh的電壓差大約是Vcc的二倍。也就是說(shuō)，如果要儲(chǔ)存相同的能量，現(xiàn)在的電路就可以比原來(lái)的電路減少3/4的電容。假設(shè)在工作時(shí)Vhigh的電位U3等于6V，此時(shí)產(chǎn)生的電源Vcc等于3V；經(jīng)過(guò)中斷時(shí)間T以后，Vhigh下降到U4(約為3V)，此時(shí)的電源電壓Vcc等于2V，在這段時(shí)間內(nèi)的平均功耗是P2，則所需的電容大小是C3=2P2TU32-U42=2P2T62-32=227P2T]]>其中P2＝P1+Ppow(Ppow是在模塊穩(wěn)壓電路5上消耗的平均功率)，由于Ppow比P1小，可以看到，要度過(guò)相同的中斷時(shí)間，本發(fā)明電路中的儲(chǔ)能電容31最多只需要原來(lái)電路結(jié)構(gòu)中儲(chǔ)能電容3的三分之一。
以下是穩(wěn)壓電路5的工作原理介紹為了在非接觸點(diǎn)中獲得穩(wěn)定的工作電壓，我們引入了一種有效的穩(wěn)壓電路5。由橋式整流器2和儲(chǔ)能電容31產(chǎn)生的直流電壓Vhigh(電壓約為6V)，以及由Vhigh經(jīng)過(guò)分壓電路產(chǎn)生的偏置電壓V1約為4V，兩者控制第三MOS管551產(chǎn)生了偏置電流源；電流源在流過(guò)第一MOS管52管時(shí)產(chǎn)生了偏置電壓V2約為1.2V。由第四MOS管541和第五MOS管542共同組成了一個(gè)反相器54，由于偏置電壓V2被定位在反相器54的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)附近，因此實(shí)際上起到了一個(gè)放大器的作用偏置電壓V2上的微小波動(dòng)都會(huì)在被放大后疊加到V11上。經(jīng)過(guò)第三MOS管551上的電流和第二MOS管53的珊源電壓決定了偏置電壓V3，由偏置電壓V3控制功率MOS管51上的充電電流，使Vcc的輸出電壓保持在3V左右。電容56和電阻57在瞬態(tài)時(shí)起到加快偏置電壓V3對(duì)Vcc變化的響應(yīng)速度和消除偏置電壓V3上的電壓震蕩，即Vcc上的電壓震蕩。
下面進(jìn)一步說(shuō)明的是該穩(wěn)壓電路5是如何有效工作的當(dāng)通過(guò)功率MOS管51上的電流不變，而Vcc上的負(fù)載減小時(shí)，將會(huì)引起Vcc升高；此時(shí)第四MOS管541和第五MOS管542組成的反相器54的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)就會(huì)被提高，由于偏置電壓V2沒(méi)有變化，因此V11將會(huì)隨著Vcc的升高而一起升高，偏置電壓V2-V11的值變小這就意味著第二MOS管53的珊源兩端的電壓降低，導(dǎo)致偏置電壓V3的電壓被提高，功率MOS管51向Vcc的充電電流減小，使得Vcc的電壓下降。通過(guò)這樣的一串回路，就形成了一個(gè)對(duì)Vcc的負(fù)反饋回路，起到了穩(wěn)定電壓的作用。
同理，Vcc上的負(fù)載增大時(shí)，將會(huì)引起Vcc減??；此時(shí)第四MOS管541和第五MOS管542組成的反相器54的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)就會(huì)被降低；由于偏置電壓V2沒(méi)有變化，因此V11將會(huì)隨著Vcc的降低而一起降低，偏置電壓V2-V11的值變大；此時(shí)第二MOS管53的珊源兩端的電壓增加，導(dǎo)致偏置電壓V3的電壓被降低，功率MOS管51向Vcc的充電電流增大，使得Vcc的電壓上升。這樣Vcc的電壓就可以被穩(wěn)定在3V左右。
權(quán)利要求
1.一種非接觸卡中的供電裝置，包括在應(yīng)答器線圈上并聯(lián)電容所構(gòu)成的并聯(lián)振蕩回路(1)，橋式整流器(2)，儲(chǔ)能電容(31)，內(nèi)部電路(4)，其特征在于還包括穩(wěn)壓電路(5)，所述振蕩回路(1)與所述橋式整流器(2)連接，橋式整流器(2)的輸出兩端通過(guò)所述儲(chǔ)能電容(31)的兩端與所述穩(wěn)壓電路(5)的輸入兩端耦合在一起，穩(wěn)壓電路(5)的輸出兩端與所述內(nèi)部電路(4)的輸入兩端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸卡中的供電裝置，其特征在于所述穩(wěn)壓電路(5)包括功率MOS管(51)，第一MOS管(52)，第二MOS管(53)，反相器(54)，分壓器(55)，所述功率MOS管(51)的柵極與第二MOS管(53)的漏極相連，源極與橋式整流器(2)輸出電壓的一端連接在一起，漏極與內(nèi)部電路(4)的輸入電壓的一端連接；所述分壓器(55)的輸入端與功率MOS管(51)的源極連接，輸出端與第二MOS管(53)的漏極相連；所述第二MOS管(53)的源極與所述反相器(54)的輸出端連接，其柵極與第一MOS管(52)的柵極和漏極耦合在一起，所述第一MOS管(52)的柵極和漏極與反相器(54)的輸入端連接，其源極與地相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種非接觸卡中的供電裝置，其特征在于所述分壓器(55)是第三MOS管(551)，其源極與所述功率MOS管(51)的源極連接，其漏極與所述功率MOS管(51)的柵極連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種非接觸卡中的供電裝置，其特征在于所述反相器(54)包括第四MOS管(541)和第五MOS管(542)；所述第四MOS管(541)的漏極通過(guò)第 MOS管(542)的漏極與第二MOS管(53)的源極耦合在一起，其源極與內(nèi)部電路(4)的輸入電壓的一端連接，其柵極通過(guò)所述第一MOS管(52)的柵極和漏極與第五MOS管(542)的柵極耦合在一起；所述MOS管(542)的源極接地。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種非接觸卡中的供電裝置，其特征在于所述功率MOS管(51)的柵極和漏極之間還包括依次連接的電容(56)和電阻(57)，所述電容(56)的一端與功率MOS管(51)的柵極連接，所述電阻(57)的一端與功率MOS管(51)的漏極連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種非接觸卡中的供電裝置，其特征在于所述第一MOS管(52)是NMOS管，第二MOS管(53)是P MOS管。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種非接觸卡中的供電裝置，其特征在于所述第三MOS管(551)是P MOS管。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種非接觸卡中的供電裝置，其特征在于所述第四MOS管(541)是P MOS管，第五MOS管(542)是N MOS管。
全文摘要
一種非接觸卡中的供電裝置，包括在應(yīng)答器線圈上并聯(lián)電容所構(gòu)成的并聯(lián)振蕩回路(1)，橋式整流器(2)，儲(chǔ)能電容(31)，穩(wěn)壓電路(5)，內(nèi)部電路(4)，所述振蕩回路(1)與所述橋式整流器(2)連接，橋式整流器(2)的輸出兩端通過(guò)所述儲(chǔ)能電容(31)的兩端與所述穩(wěn)壓電路(5)的輸入兩端耦合在一起，穩(wěn)壓電路(5)的輸出兩端與所述內(nèi)部電路(4)的輸入兩端連接。本發(fā)明的有益效果為在同等的或者更少電容的情況下，度過(guò)相同或者更長(zhǎng)的中斷時(shí)間，來(lái)維持芯片的正常運(yùn)行。
文檔編號(hào)G05F1/46GK1523731SQ0311543
公開(kāi)日2004年8月25日 申請(qǐng)日期2003年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月17日
發(fā)明者盧君明, 何玉明, 印義言 申請(qǐng)人:上海華園微電子技術(shù)有限公司