用于RFID/NFC应用的电力捕获的制作方法

本文中所公开的各种示例性实施例涉及结合rfid和nfc应用的电力捕获电路。

背景技术：

无源rfid标签通过从读取器的通信信号的电磁场接收能量来获得其操作动力。无源标签的有限资源需要其既接收其能量又与读取器在指定频带内通信。rfid标签为可在谐振频率下发射信号的电感电容(lc)装置。

无源rfid标签和周围的电子器件可形成经由电感耦合和远场捕获从通信信号获得其电力的设备。电感耦合使用由通信信号产生的磁场来感应其耦合元件(例如线圈形天线和电容器)中的电流。天线可从发射器接收电磁发射。耦合元件中感应的电流对设备上电容器充电，设备上电容器为所述设备提供操作电压和电力。电感耦合在通信信号的近场中工作。

相关技术电力捕获电路具有处于15-20mw的范围内的输出，表示4-5％的效率。输出电力的量可受可用天线-线圈面积和rf场强度影响。

技术实现要素：

各种实施例的简要概述在下文呈现。在以下概述中可以做出一些简化和省略，所述概述意图突出且引入各种实施例的一些方面，但不限制本发明的范围。在稍后的章节中将描述足以让本领域的一般技术人员获得且使用发明概念的实施例的详细描述。

各种示例性实施例是关于一种电路设备，所述电路设备包括：输入区段，其被配置成接收电磁(em)发射；分压器区段，其被配置成将em发射划分为多个电压电平；整流器部分，其被配置成对em发射中接收的ac电力进行整流；以及负载，其被配置成从整流器部分接收dc电力，其中分压器区段的一个电压电平被配置成将电力供应到射频识别集成电路(rfid-ic)。

rfid-ic可包括被配置成与电路设备上的电组件进行通信的数据端口。

rfid-ic可与分压器部分的电容器并联。

电路设备可包括被配置成储存待整流的电荷的至少一个电容器。所述至少一个电容器可不对称地布置。

输入区段可包括具有多个分接头的天线。分压器可包括多个电容器。分压器可包括多个电阻器。

各种示例性实施例还关于一种包括rfid电路的电力捕获设备，所述电力捕获设备包括：天线，其被配置成接收电磁(em)发射，所述天线包括被配置成改变从em发射接收的电压的多个分接头；至少一个电容器，其被配置成储存em发射中接收的电荷；以及整流器部分，其被配置成对em发射中接收的电力进行整流，且将经整流电力提供到负载，其中天线分接头的一个电压电平被配置成将电力供应到射频识别集成电路(rfid-ic)。

所述至少一个电容器可不对称地布置。多个电容器可对称地布置。

整流器部分可被配置成产生跨越输出负载的两个电压。所述两个电压可为正电压和负电压。

各种示例性实施例还关于一种电力捕获电路，所述电力捕获电路包括：天线，其被配置成接收电磁(em)发射；低电力电路，其被配置成从em发射接收低电压；分压器电路，其具有多个节点，所述多个节点被配置成跨越若干组不同的所述多个节点产生多个电压；整流电路，其被配置成从em发射接收高ac电压且将高ac电压整流到dc电压；以及高电力电路，其被配置成接收所述高电压并使用所述高电压对负载供电。

低电力电路可为射频识别集成电路(rfid-ic)。

电力捕获电路可包括被配置成将阶梯式下降电压递送到负载的负载递送电路。

分压器电路可包括多个电容器。低电力电路可为rfid集成电路。

电力捕获电路可包括低电力电路与高电力电路之间的电连接。分压器电路可包括具有中心分接头的天线。

本发明的这些和其它方面将根据下文中所描述的实施例显而易见，且参考这些实施例予以阐明。

附图说明

结合附图本发明的另外的目标和特征将从以下详细描述和所附权利要求书更加显而易见。尽管示出和描述若干实施例，但在图式的每一者中，相同附图标号表示相同零件，图式中：

图1示出根据本文中描述的实施例的rfid设备；

图2示出根据本文中描述的实施例的rf电力捕获设备；

图3示出根据本文中描述的实施例包括rfid-ic、天线线圈、对称电容性rf分压器、对称串联电容器和桥式整流的电力捕获设备；

图4a示出根据本文中描述的实施例包括rfid-ic、天线线圈、不对称电容性rf分压器、单一不对称串联电容器和桥式整流器的另一电力捕获设备；

图4b示出根据本文中描述的实施例包括rfid-ic、天线线圈、不对称电容性rf分压器、不对称串联电容器和半波电压倍增电路的另一电力捕获设备；

图5a示出根据本文中描述的实施例包括rfid-ic、多个分接头天线线圈、对称串联电容器和两个并联的半波电压倍增电路的又一电力捕获设备；

图5b示出根据本文中描述的实施例包括rfid-ic、多个分接头天线线圈、双半波整流电路的另一电力捕获设备；

图5c示出根据本文中描述的实施例包括rfid-ic、多个分接头天线线圈、对称串联电容器、桥式整流、双输出电压的另一电力捕获设备；

图5d示出根据本文中描述的实施例包括rfid-ic、多个分接头天线线圈、对称串联电容器、两个串联的半波电压倍增电路和双输出电压的另一电力捕获设备；

图6a、6b和6c示出根据本文中描述的实施例包括rfid-ic的相应电力捕获设备。

具体实施方式

应理解，图式仅仅是示意性的并且不按比例绘制。还应理解，贯穿图式使用的相同附图标号表示相同或类似的零件。

描述和图式示出各种示例实施例的原理。因此将了解，本领域的技术人员将能够设计各种布置，尽管本文中未明确地描述或示出所述布置，但其体现了本发明的原理且包括在其范围内。此外，本文中所述的所有例子主要明确地意在用于教学目的以辅助读者理解本发明的原理及由发明人所提供的概念，从而深化本领域，且所有例子不应解释为限于此类特定所述例子及条件。此外，除非另外指明(例如，“否则”或“或在替代方案中”)，否则本文所使用的术语“或”是指非排斥性或(即，和/或)。并且，本文所描述的各种实施例不一定相互排斥，因为一些实施例可与一或多个其它实施例组合从而形成新的实施例。如本文所使用，除非另外指明，否则术语“上下文”和“上下文对象”应被理解成同义。例如“第一”、“第二”、“第三”等描述词不意图限制所论述元件的次序，且用于区分一个元件与下一元件，且通常可互换。

本文中所描述的实施例包括用以增加来自包括射频识别集成电路(rfid-ic)的设备的输出电力的系统，以及接收电力而不干扰或毁坏rf通信或rfid-ic自身的设备。rfid-ic可用于近场通信(nfc)。

本文中所描述的实施例包括可在315mm²或类似大小的集成电路上产生高达400mw的电路，这可产生20-32％的效率。

图1示出根据本文中描述的实施例的rfid设备100。rfid设备100包括rfid-ic105，其经由两个ic节点110和120连接。rfid-ic105可实施在标签或类似物上。rfid-ic105连接到天线-线圈130以从外部源(未示出)接收近场通信。rfid-ic105可具有硅上的特定电容(c_ic)，其可产生具有天线-线圈130的电感的谐振电路。如果c_ic过低，那么另外一个电容器145可用于使rfid-ic105在预定频率下充当谐振电路。

rfid-ic105为无源装置且使用少量电力(例如0.025mw)来操作。为防止由于将上面可安装rfid-ic105的标记物或标签暴露于极强rf场而造成rfid-ic105的失真或损坏，rfid-ic105具有集成在芯片上的限幅器电路108，其将跨越rfid-ic105天线节点的峰-峰rf电压削减到低于最高所容许电压电平。限幅器电路108可经设计以在6.0到6.5伏的范围中操作，但待与本文中所描述的实施例一起使用的限幅器电路并不限于此。

rfid-ic105可包括连接125以例如经由数据总线、开关(例如rfid-ic105中的mosfet的开放漏极)或辅助电压等将rfid-ic105连接到外部组件。rfid-ic105在vss节点135处接地，vss节点135可为用于其它经连接的电路组件的共同总线。

将例如rfid-ic105等较低电压电路与用于捕获的较高电压电路组合可体现在如本文所描述的各种电路和设备中。低电压可为通常使用低于3.5v的电路，且可处于2.0-2.5v的范围内。高电压电路可为高于约5v且高达至少15v，且可为7v或12v。

实施例可包括电容性分压器、单一天线线圈、低成本电路和组件，且将描述用于通用用途和50到400mw的电力范围的其它方法。输出电力可用于驱动无源和有源装置。其中可使用具有电力捕获的rfid的应用包括经由nfc/智能电话的电池再充电、包括机载高级电子器件的“电池较少装置”，例如自行车码表或商店中的价格显示器，其中电力由移动或智能电话在操作期间递送。具有拥有状态改变或使用led的例如代币或人像等交互式组件的游戏可利用所捕获电力。比如咖啡机等电气设备可经实施以从冲泡器皿获得“亲自做的咖啡”，等等。

图2示出根据本文中描述的实施例的电力捕获设备200。标记物、标签或其它rfid/nfc装置上可使用的另外的电子组件(例如电压转换器、电压调整器、微控制器、传感器、led、电池充电器等)需要比rfid-ic105所使用的电力多的电力，且可利用电力捕获设备200。电力捕获设备200包括整流电路270以将ac转换为dc来对负载280供电。电力捕获设备200中的整流电路270的rf输入电压可足够高以补偿接收天线-线圈230的内部损失和跨越整流电路270的电压降。在闲置模式(整流之后无负载)中，跨越输出电容器275的输出电压可爬升得极高(例如>30v)。

针对电力捕获设备，可使用若干整流技术。普通电路的一个挑战是高操作频率。电源频率(mainsfrequency)处于50或60hz的范围内。对于rfid/nfc电路，指定13.56mhz的频率。电力捕获设备200的谐振调整可以若干方式管理，例如使用并联电容器235的并联电容器方法。输出电容器275为储存电容器，且可用于保持经整流电压在rf接收期间高于电子电路的电压下限。

还存在串联电容器方法，其可以不同组合使用电容器250、255、260和/或265与并联电容器235组合。此方法可使用(例如)电容器255和265分裂成对称方法，或仅使用(例如)电容器255或265分裂成不对称方法。

并联电容器方法和串联电容器方法可组合。在这种情况下，串联电容器250和260可放置在并联电容器235之前。电容器250和260可用于对称操作。电容器250或260用于不对称操作。在实施方案中，所有串联电容器250、255、260和265可与并联电容器235组合使用。

rfid设备100和电力捕获设备200可在具有两个单独天线-线圈130和230的配置中操作。独立rfid设备100和电力捕获设备可在rfid设备100的vss135处连接到电子负载280的gnd线(未示出)。在此情况下，不存在节点vss135和负载280的gnd之间的交叉电流(当其不定位在天线-线圈130和230附近时)。对于rfid设备100和电力捕获设备200之间的数据交换或通信，需要另外一条通信线。此可产生rfid设备100和电力捕获设备200之间的残余电流流动，这取决于还有别的什么被连接。

此残余电流可减小效率和性能，因为电流并不贡献于电力捕获。残余电流可能在一个半波(例如正半波)处工作，但其可在其它半波(例如负半波)处不良地工作或完全不工作。残余电流也可干扰rfid通信。

图3示出根据本文中描述的实施例包括rfid-ic305、天线线圈315、对称电容性rf分压器、对称串联电容器和桥式整流的电力捕获设备300。电力捕获设备300可通过具有两个设备之间的多个连接而将rfid与rf电力捕获组合。在本文中所描述的实施例中，通过共享一个天线-线圈，可存在rfid设备100与电力捕获设备200之间的多个电流和电连接。

图3示出三个串联电容器340、350和360，其使用分压器分离用于电力捕获设备300内的rfid-ic305的不同电压电平。电容器340和360可减小节点301和302处接收的用于电力捕获的高电压，从而允许rf通过，其可用于较低电压电平处的rfid-ic305供电和通信。如图3中所示出，使用共享天线线圈315，仅存在一个用于将低电力提供到rfid-ic305且将较高电力提供到电力捕获设备300的电子负载380的电流连接。

rfid-ic305可使用芯片上电子器件将经由共享天线线圈315和电容器350接收的ac电力转换为小直流(dc)电压。rfid-ic305具有节点325以连接到数据总线等，数据总线可连接到负载380的节点318。节点325可具有若干用途，例如低电力电压输出、开放漏极引脚，或具有scl(serialclock，串行时钟)和sda(serialdata，串行数据)的总线。在其它实施例中，节点310或320可在使用电池且rf断开时充当rfid-ic305的电源输入。在这些各种例项中，rfid-ic305使用可连接到其它电力捕获设备300组件的参考vss(接地)节点335。大体来说，电力捕获设备300和rfid-ic305可在无电流跨越rfid-ic305节点vss335流动时或在较少交叉电流流入或流出vss节点335或从其它地方流动的情况下操作。如本文所论述的对称配置可用于节点325和318之间的数据通信。

经由共享天线线圈315接收的能量可储存于电容器340、350、360、355和365中，作为dc电压。电力捕获设备300包括整流电路370，其可为(例如)桥式整流器，也被称作将ac转换为dc的全波整流器。整流电路370可包括在桥式配置中连接的多个二极管。可使用的其它二极管包括肖特基二极管、具有短反向恢复时间特性的快速硅整流器，和小信号通用二极管。在整流电路370中，针对rf电压的输入在节点371和372处，且经整流输出在节点373和374处。节点373和374处的经整流输出由输出电容器375平滑为dc输出。对于电力捕获，全波整流器具有极好的效率，但本文中所描述的实施例不限于这些类型的整流器。

电容器340、350和360的系列具有多个目的。一个目的为电容性分压器。此分压器将来自共享天线线圈315的高rf电压减小到跨越ic节点310和320的较低rf电压。在第二目的中，传入rf通信随着输入电压减小以相同比率通过电容器340和360。第三目的，此系列的电容器340、350和360变为共同并联电容器，类似于图2中所示出的并联电容器235，其可为如稍后在等式3和其它地方描述的用以调整电力捕获设备300的接收侧的谐振频率的谐振电容器。

到整流电路370的串联电容器355和365可使用电容器355和电容器365两者对称地布置，或使用电容器355或电容器365中的任一者(图4a中例如以电容器455示出)不对称地布置。电容器340、350和360可用作分压器，因为电容器在以此能力使用时相对无损。

一旦确定载波频率与rfid-ic305通信，就可确定电力捕获设备300中的电容器的各种组件值。

举例来说，组合电路可经限定以在经限定频率(13.56mhz的目标)处工作。可确定有效谐振电容器的值(ceff)。可导出等式1用于频率计算：

cs表示解耦合低欧姆整流电路370和负载380电路，以及形成与其串联的谐振电路。cs并不与天线-线圈100％并联，且因此k为缩减比率。

为确定ceff的值，给定天线-电感(l)、频率(f)和cs，且估计k。通过对ceff求解，可获得值。

使用电力捕获设备300的元件且采取c_ic作为rfid-ic305的电容，c1作为电容器350的电容，c2作为电容器340的电容，且c3作为电容器360的电容，ceff可进一步被限定为：

等式3中rfid-ic305的电容可由数据表给定。c1、c2和c3的各种组合将满足等式3的要求。电容器值关系可基于若干因素，例如跨越电容器的电压降。

假定跨越输出电容器375的输出电压(分别节点373到节点374，可为7.4vdc)。接下来，假定整流电路370上方的电压降(例如针对桥式整流器的每一半波，2个肖特基二极管串联)为2乘以0.3v，这意味着跨越节点371和节点372的电压最大为8.0vrms。通过假定具有正弦波形状，存在跨越天线-线圈的22.6伏峰-峰。

rfid-ic305内部的从ic节点310到vss的行为不同于从节点320到vss。此差异可致使例如0.4v的差量电压。对于普通应用，电容器340和360可具有相同值。对于顶级(top)电力捕获，推荐计算跨越所有三个电容器340、350和360的电压降以获得以最小损失测得的最高可能效率。目标是无电流流出或流入vss节点335。在此条件下，电流流动穿过电容器340、与c_ic并联的电容器350，电容器360，而vss节点335处无任何电流。

电容器的阻抗由等式4计算：

施加到电容性分压器的情况下，针对每一电容器，可计算跨越其的电压。以下等式中电压的标记是根据(例如)电力捕获设备300。

图4a示出根据本文中描述的实施例包括rfid-ic405、天线线圈415、不对称电容性rf分压器、单一不对称串联电容器和整流电路470(例如桥式整流器)的另一电力捕获设备400。图4a示出电容器数目相比于其它实施例的缩减。如图4a中所示出，电容器的缩减可产生不对称行为和所捕获的电力量的缩减(如果对于给定输出负载是合乎需要的)。由于以此方式缩减电容器以产生不对称布置，电力捕获设备400中的交叉电流可增加，这可导致rfid-ic405和负载480之间的信号干扰。在此实施例中，rfid-ic405可不具有与负载480的数据连接，以避免交叉电流。输出电容器475为电容器，且可用于在rf接收期间保持经整流电压高于电子电路的电压下限。

如图4a中所示出，rfid-ic405与电容器450并联连接，其变为用于rfid-ic405的电压源。在电容器450对rfid-ic405供电的情况下，可用于负载480的电压减少，且仅可储存于电容器440和455中，且由整流电路470进行整流。

图4b示出根据本文中描述的实施例包括rfid-ic405、天线线圈415、不对称电容性rf分压器、不对称串联电容器和半波电压倍增电路471的另一电力捕获设备425。

图4b不同于图4a，在图4a中整流电路可为半波电压倍增电路471。此半波倍增电路471的使用可改变电容器456的串联电容值，且也可改变电容器476和vout的值。

图5a示出根据本文中描述的实施例包括rfid-ic505、多个分接头天线线圈515、对称串联电容器555和565以及两个并联的半波电压整流器对571和572的又一电力捕获设备500。使用多个分接头天线线圈515允许使用不同电压，而无电容性rf分压器。电力捕获设备500使用与多个分接头天线线圈515和rfid-ic505并联的单一电容器545，用于微调或谐振频率调整。

如图5a中所示出，多个分接头天线线圈515具有多个分接头0、1、2、3和4，可从其选择多个分接头天线线圈515的各种长度以产生rfid-ic505中以及电容器555和565中的不同电压电平。举例来说，rfid-ic505可使用分接头1和2接收跨越多个分接头天线线圈515的特定ac电压，以获得跨越与rfid-ic505并联的电容器545的必需电压用于恰当操作。捕获电路可使用分接头3和4获得天线的较大段以产生电容器555和565中的较高电压。因此，多个分接头天线线圈515能够针对rfid-ic和针对电力捕获递送不同电压，以使rfid-ic505与电力捕获设备500的其余部分分离。通过以此方式递送不同电压，rfid-ic505被省去由负载580使用的较大电压和电流，且具有不同电力要求的多个电路可在电力捕获设备500中实施。

为管理由rfid-ic505在相对于接地的引脚510和相对于接地的引脚520处使用的不同电压，多个分接头天线线圈515的多个分接头可能不相对于中心分接头0对称，且可偏移预定电压(如本文所论述)。此不对称行为可通过将分接头1和2移位到1a和2a(如图5a中所示出)来补偿。不对称性随后由另一不对称性补偿，或“移位”可由由于不对称性引起的偏移来补偿。如图5a中所示出，使用串联电容器555和565两者。

rfid-ic505可具有节点530(如上文参考图3所描述)以连接到数据总线等，数据总线可连接到负载580的节点518。

包括图5a中示出的rfid-ic的电力捕获设备500可包括两个半波电压倍增整流电路570，其包括半波整流器对571和572。对于此类整流，多个分接头天线线圈515可延伸到分接头3和分接头4，且中心分接头0可连接到接地。在此配置中，串联电容器缩减为一个而非两个是可能的。可产生强“交叉电流”，且输出535和530可由于强不对称性而中断。因此，在本文中所描述的实施例中，可在无数据交换时使用不对称性。

图5b示出根据本文中描述的实施例包括rfid-ic505、多个分接头天线线圈515和双半波整流电路573的另一电力捕获设备525。电力捕获设备525可在无电容性rf分压器且无对称串联电容器的情况下实施。

如图5b中所示出，在不使用串联电容器的情况下，多个分接头天线可在无线圈分接头4的情况下操作，从而导致天线线圈大小的缩减。较小数目的二极管可用于一个波整流，从而将电流和电力减半。

图5c示出根据本文中描述的实施例包括rfid-ic505、多个分接头天线线圈515、对称串联电容器556和566、桥式整流574以及双(正/负)输出电压的另一电力捕获设备550。电力捕获设备550可在无电容性rf分压器的情况下实施。

图5c示出根据本文中描述的实施例具有天线线圈以及针对正和负输出电压的桥式整流的电力捕获设备。图5c示出电力捕获设备550的输出机制，其不同于电力捕获设备500之处在于：vout可视为跨越电容器576a和576b的双输出电压vpos和vneg。

根据本文中描述的实施例，使用不同整流电路可改变电力捕获设备的串联电容值和电压处置能力。本文所描述的各种实施例可用于不同应用，例如较高或较低电压、较高或较低输出电流、较高或较低电力、较小读取敏感度与较大读取敏感度，等等。

关于图5c中示出的电力捕获设备550，串联电容器556和566可省略。此布置将致使电力捕获的缩减和读取范围减小。

在多个分接头天线线圈515的多分接头布置中，多个分接头天线线圈515的中心分接头0可连接到接地。使用多个分接头天线线圈515，不使用分压器电容器。

根据本文中描述的实施例，平行于rfid-ic的电容器为频率调整/微调组件。如图5c中所示出，具有正输出电压和负电压可对于特殊运算放大器和其它电路有用。当使用正和负输出时，可使用两个电容器576a和576b。

图5d示出根据本文中描述的实施例包括rfid-ic505、多个分接头天线线圈515、对称串联电容器557和567、两个串联的半波电压倍增电路577和578，以及双(正/负)输出电压的另一电力捕获设备575。电力捕获设备575可在无电容性rf分压器的情况下实施。

如图5d中所示出，代替于如图5c中所示出的桥式整流器，举例来说，具有二极管591和592(例如齐纳二极管或如本文所描述的其它二极管)的正半波电压倍增电路577，以及具有二极管593和594(例如齐纳二极管或如本文所描述的其它二极管)的负半波电压倍增电路578，用于整流电路中的电压限制。总体整流电路可表示为590。为产生双电压输出(如所示出)，使用串联电容器557和567。相比于例如图5a中示出的实施例等其它实施例，电力捕获设备575可产生较高电压、较少电流和对设备的读取范围的极少影响。

图6a和6b示出根据本文中描述的实施例包括rfid-ic的相应电力捕获设备600和625。图6a可使用图3作为基础，用电阻器640和660替代电容器340和360。图6b可使用图4a作为基础，用电阻器641替代电容器440。

图6a、6b和6c示出根据本文中描述的实施例包括rfid-ic605的相应电力捕获设备600、625和650。如所示出，电容性分压器可被例如图6a中使用电阻器640和660的电阻性分压器替换。图6a中，对于电力捕获设备600，当将来自rfid-ic605的节点630的信号连接到负载的节点618时，可使用对称电容器655和665。整流器670可将ac电压和电流转换为待由负载680使用的dc电压和电流。

在图6b中示出的另一电力捕获设备650中，当rfid-ic605不与负载680通信时，可在不对称配置中使用单一电容器656。当电容器655的值等于电容器665的值时，图6b的电容器656的值可为图6a的655和665的组合电容器值的一半。

图6c示出根据本文中描述的实施例包括rfid-ic605的另一电力捕获设备650。图6c可基于图4b，其中rf分压器的电容器440被电阻器641代替。在图4b和6c中，桥式整流电路可被一个半波电压倍增电路代替。

如图6c中所示出，当rfid-ic605不与负载680通信时，桥式整流被一个半波电压倍增电路代替，且可在不对称配置中使用具有与电容器656相比电容的略微改变的单一电容器657。对于图6b和图6c的实施例，相应串联电容器656和657可省略，但rfid性能下降。

虽然已特定参考各种实施例的某些方面来详细描述各种实施例，但应理解，本文中所描述的实施例能够容许其它实施例，且本文中所描述的实施例的细节能够容许在各种显而易见的方面的修改。如本领域的技术人员容易了解，可在保持于本文中所描述的实施例的精神和范围内的同时实现变化和修改。因此，以上公开内容、描述和图式仅出于说明性目的，且并不以任何方式限制本文中所描述的实施例，本文中所描述的实施例仅由权利要求书限定。