專利名稱：一種應用于低功耗射頻通訊芯片的高效率整流系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于便攜式射頻通訊技術領域，具體涉及低功耗無源射頻通訊芯片的整流 系統(tǒng)。
背景技術：
超低功耗通訊芯片是近年來興起的一項改進技術。它一般利用無源或者是電池輔 助來完成一些對功耗要求很苛刻環(huán)境下通訊芯片的實現(xiàn)。常見的超低功耗通訊芯片有低功 耗射頻識別芯片、生物醫(yī)藥芯片和人體應用芯片等等。以射頻識別技術為例，它屬于自動識別技術的一種。同條形碼、智能卡、生物識別 等其他的識別技術不同，射頻識別技術有著低成本、非接觸、快速通信、加密性能好的優(yōu)勢， 使得它在物流、倉儲、收費、門禁、數(shù)據(jù)錄入等領域得到了廣泛的應用。另外，近年來物聯(lián)網(wǎng) 概念的興起也為射頻識別技術的更加廣泛的應用提供了更好的契機。一個典型的射頻識別系統(tǒng)如圖1所示，它包括PC終端(1)、讀寫器(2)、讀寫器天 線(3 )、標簽芯片(4 )和標簽天線(5 )。標簽芯片(4 )和標簽天線(5 )通過接收讀寫器(2 )發(fā) 射的帶有調(diào)制數(shù)據(jù)的電磁波，進行處理后通過一定的反射機制把信息返回給讀寫器，完成 標簽(4)和讀寫器(2)的通信。PC終端通過對讀寫器收到信息的存儲和處理，通過數(shù)據(jù)庫 管理和軟件平臺的交互，實現(xiàn)對標簽芯片傳達的信息的管理。到目前為止，國際上已經(jīng)有了較為通用的無源射頻識別標準，其中無源標簽和半 有源標簽(電池輔助標簽)因為其特殊的工作方式和較低的成本得到了廣泛的研發(fā)和應用， 而遠距離快速通信仍然是目前設計的主要目標和難點，這就為整流電路系統(tǒng)的進一步優(yōu)化 提出了更高的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種應用于低功耗通訊芯片的整流電路系統(tǒng)，它不但可以 在低功率輸入的情況下為無源芯片提供穩(wěn)定的直流電源，提高電源提供電流的能力，也可 以為電池輔助的芯片提供充電功能。本發(fā)明提出的整流電路系統(tǒng)，主要是通過系統(tǒng)中的功率檢測電路檢測芯片接受到 的瞬時最大功率，進而得知此時功率所處的功率區(qū)間，再通過數(shù)字電路控制開關，選擇適合 該功率區(qū)間的充電電路進行工作，并且通過自適應阻抗匹配電路的協(xié)同以完成整流系統(tǒng)對 于外界功率輸入環(huán)境的自適應，保證最大的功率轉換效率。在無源通訊芯片中，芯片自身沒有自帶電源，此時充電電路的作用是在芯片工作 的全功率范圍內(nèi)為整個電路系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作電壓，并且提供一定的驅(qū)動能力以供存儲 電路的使用。如果采用單一的整流電路作為充電電路為芯片供電的話，往往存在著其最佳 工作功率區(qū)間的問題。因為在現(xiàn)有的技術背景下，各種結構的整流電路的最佳工作功率區(qū) 間都是不同的，單一的電路結構往往只能覆蓋一個有限的的功率區(qū)間，而在區(qū)間外只有相 對低的工作效率，這樣的特性會使得芯片在全功率段的性能不均衡。而如果采用的是自適應的充電電路，結合功率輸入?yún)^(qū)間選擇不同結構和性能的充電電路，充電的高效區(qū)間就會 覆蓋芯片工作的功率范圍，達到全功率段芯片對功耗和能量的要求。同樣，在電池輔助的芯片中，自適應充電電路同樣有著類似的效果，它能在更大范 圍的功率區(qū)間內(nèi)保持對電池的最優(yōu)充電效率，提高芯片的整體性能。圖2給出了本發(fā)明的整流電路系統(tǒng)結構圖，包括功率檢測電路1、自適應的阻抗匹 配電路2、整流電路選擇開關3、對應于不同功率段的N種(N>1，根據(jù)實際應用需要選取)整 流電路組成的整流電路陣列4、電源管理電路5和數(shù)字控制電路6。高效整流系統(tǒng)工作的 時候，使用功率檢測電路1對標簽接收功率進行檢測，轉化成電壓值，并且同參考電壓，確 定芯片所處的功率區(qū)間；通過對功率檢測電路1返回結果的分析，由數(shù)字控制電路6對結 果進行判斷，根據(jù)芯片所接受到的功率點位置來控制選擇開關3選擇需要的整流電路陣列 4中的整流電路類型；對于整流電路輸出的直流電壓，利用電源管理電路5進行消除紋波和 限幅等處理，以提供適合標簽使用的直流源；由于整流電路陣列中的各整流電路分支電路 特性不同，對芯片射頻前端阻抗的貢獻也不同，因此在天線端和整流電路陣列間插入自適 應阻抗匹配電路2，數(shù)字控制電路6協(xié)同自適應阻抗匹配電路2根據(jù)不同的整流電路陣列情 況進行阻抗自動匹配，以減少芯片天線設計的難度，達到能量的最大傳輸，從而完成系統(tǒng)整 流效率的優(yōu)化過程。本發(fā)明中，所述的整流電路陣列4，對于便攜式設備輸入功率范圍的區(qū)間內(nèi)，N種 整流電路可以完成全面覆蓋，從而完成對整個功率區(qū)間整流效率的共同優(yōu)化。本發(fā)明中，所述的功率檢測電路1，能夠探測芯片接收到的實時功率，并且根據(jù)設 備接受功率的值的不同大小輸出不同的結果，由其他電路模塊進行后續(xù)處理。本發(fā)明中，所述的自適應阻抗匹配電路2，對應不同的整流電路輸入阻抗，提供自 適應的阻抗匹配網(wǎng)絡來達到同天線的最佳阻抗匹配狀態(tài)。本發(fā)明中，所述的數(shù)字控制電路6，對功率檢測電路1的輸出值進行處理，得出當 前輸入功率下的最優(yōu)整流電路，再通過整流電路選擇開關3進行選擇，并且協(xié)同自適應阻 抗匹配電路2工作。本發(fā)明中，所述的電源管理電路5，對整流電路的輸出電壓進行穩(wěn)壓控制，減小紋 波，以保持對整個芯片提供穩(wěn)定的供電或者是為芯片電池充電(電池輔助的芯片)。本發(fā)明的核心在于功率檢測電路、自適應阻抗匹配電路和整流電路陣列結合使 用。使用功率檢測電路1對標簽接收功率進行檢測，轉化成電壓值，并且同參考電壓，確定 芯片所處的功率區(qū)間，然后由數(shù)字控制電路6來控制選擇開關3選擇此時所需要的整流電 路陣列4中的整流電路類型。對于整流電路輸出的直流電壓，利用電源管理電路5進行消 除紋波和限幅等處理，以提供適合標簽使用的直流源。由于整流電路陣列中的各整流電路 分支電路特性不同，對芯片射頻前端阻抗的貢獻也不同，因此在天線端和整流電路陣列間 插入自適應阻抗匹配電路2，根據(jù)不同的整流電路陣列情況進行阻抗自動匹配，以減少芯片 天線設計的難度，達到能量的最大傳輸。


圖1是一個典型的無源低功耗射頻芯片系統(tǒng)一射頻識別系統(tǒng)的示意圖。圖2是本發(fā)明提出的應用于低功耗便攜式射頻通訊芯片的整流系統(tǒng)的架構示意圖。圖3整流電路陣列的輸入功率和整流系統(tǒng)效率的關系示意圖。
具體實施例方式下面結合圖2，詳細描述實施本發(fā)明在無源通訊芯片中的一個具體實例。在初始狀態(tài)，芯片上電復位之前，由于數(shù)字控制電路6沒有正常工作，因此選擇開 關3的控制端數(shù)字輸出的狀態(tài)未知。此時利用功率檢測電路1產(chǎn)生一個電壓來控制開關2 的電壓信號，使得低能量輸入下效率最高的整流電路接入電路。待芯片上電之后，數(shù)字控制 電路6取代功率檢測電路1進行整流電路選擇開關3的控制，這樣芯片上電的過程完成。這 種上電復位方式的好處是可以利用低能量輸入下效率高的整流電路進行芯片上電的供電， 這樣可以保證芯片的高靈敏度。在芯片上電之后，功率檢測電路1實時工作，對芯片接收到的功率進行檢測，把芯 片所處的功率區(qū)間以電壓形式輸出給數(shù)字控制電路6。數(shù)字控制電路6對結果進行分析，并 控制整流電路選擇開關3對整流電路進行選擇。對于整流電路陣列中的整流電路，如圖3所示，它們的最優(yōu)工作狀態(tài)分別處于不 同的功率區(qū)間，如圖3中的曲線1到曲線N所示。這里N可以根據(jù)實際應用需求來選擇。通 過開關的切換，在不同的功率點接入合適的整流電路，就可以趨近于曲線3所示的更大范 圍的最優(yōu)功率區(qū)間。由于整流電路的切換和整流機制的變化，整流出的直流電壓源并不是很穩(wěn)定，可 能會有紋波，并且在輸入功率大的情況之下可能會有過大的電流流經(jīng)芯片電路，因此需要 利用電源管理電路5進行控制和處理，以保證對芯片電路的正常直流供電。最后需要特別說明的是，上述事例僅用以說明本發(fā)明的技術實現(xiàn)方式，而并非是 唯一方案。本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同 替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種應用于低功耗射頻通訊芯片的高效率整流系統(tǒng)，其特征在于包括功率檢測電路 (1)、自適應的阻抗匹配電路(2)、整流電路選擇開關(3)、對應于不同功率段的N種(N>1) 整流電路組成的整流電路陣列(4)、電源管理電路(5)和數(shù)字控制電路(6)；整流系統(tǒng)工作 時，使用功率檢測電路(1)對標簽接收功率進行檢測，轉化成電壓值，并且同參考電壓，確定 芯片所處的功率區(qū)間；通過對功率檢測電路(1)返回結果的分析，由數(shù)字控制電路(6)對結 果進行判斷，根據(jù)芯片所接受到的功率點位置來控制選擇開關(3)選擇需要的整流電路陣 列(4)中的整流電路類型；對于整流電路輸出的直流電壓，利用電源管理電路(5)進行消除 紋波和限幅處理，以提供適合標簽使用的直流源；自適應阻抗匹配電路(2)接在天線端和 整流電路陣列間，數(shù)字控制電路(6)協(xié)同自適應阻抗匹配電路(2)根據(jù)不同的整流電路陣 列情況進行阻抗自動匹配，以減少芯片天線設計的難度，達到能量的最大傳輸，從而完成系 統(tǒng)整流效率的優(yōu)化過程。
2.根據(jù)權利要求1所述的應用于低功耗射頻通訊芯片的高效率整流系統(tǒng)，其特征在于 所述整流電路陣列(4)中的N種整流電路全面覆蓋便攜式設備輸入功率范圍的區(qū)間，從而 完成對整個功率區(qū)間整流效率的共同優(yōu)化。
3.根據(jù)權利要求1所述的應用于低功耗射頻通訊芯片的高效率整流系統(tǒng)，其特征在于 所述的功率檢測電路(1)能夠探測芯片接收到的實時功率，并且根據(jù)設備接受功率的值的 不同大小輸出不同的結果，由其他電路模塊進行后續(xù)處理。
4.根據(jù)權利要求1所述的應用于低功耗射頻通訊芯片的高效率整流系統(tǒng)，其特征在于 所述的自適應阻抗匹配電路(2)對應不同的整流電路輸入阻抗，提供自適應的阻抗匹配網(wǎng) 絡來達到同天線的最佳阻抗匹配狀態(tài)。
5.根據(jù)權利要求1所述的應用于低功耗射頻通訊芯片的高效率整流系統(tǒng)，其特征在于 所述的數(shù)字控制電路(6)對功率檢測電路(1)的輸出值進行處理，得出當前輸入功率下的 最優(yōu)整流電路，再通過整流電路選擇開關(3)進行選擇，并且協(xié)同自適應阻抗匹配電路(2) 工作。
6.根據(jù)權利要求1所述的應用于低功耗射頻通訊芯片的高效率整流系統(tǒng)，其特征在于 所述的電源管理電路( 對整流電路的輸出電壓進行穩(wěn)壓控制，減小紋波，以保持對整個 芯片提供穩(wěn)定的供電或者是為芯片電池充電。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應用于低功耗便攜式低功耗射頻通訊芯片的自適應高效率整流系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法。該電路系統(tǒng)通過把從發(fā)射器接受的電磁波高效轉換成直流電平供給無線通訊芯片提供直流能量。自適應的高效率整流系統(tǒng)利用功率檢測電路，對芯片天線接收到的電磁波的功率進行檢測，并且通過與預設臨界功率點的對比來確定需要選擇的整流電路。芯片的射頻前端中包含有兩個或兩個以上可以通過開關進行切換的整流電路，并且這個整流電路陣列的綜合最優(yōu)效率區(qū)間覆蓋通訊設備工作的頻段。通過這樣的切換，可以保證當無線設備接收到的電磁波功率發(fā)生變化的時候，整流系統(tǒng)的能量轉換效率最大。
文檔編號H02J17/00GK102073902SQ201110008719
公開日2011年5月25日 申請日期2011年1月17日 優(yōu)先權日2011年1月17日
發(fā)明者孟德超, 彭巍, 沈翔, 閆娜, 閔昊 申請人:復旦大學