[發明專利]一種用于提高非接觸式IC卡能量傳輸效率的電路

有效

• 申請號: 201210367428.0
• 申請日: 2012-09-28
• 公開（公告）號: CN102868237A
• 公開（公告）日: 2013-01-09
• 發明（設計）人: 烏力吉;王蓓蓓;張向民
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H02J17/00
• 分類號: H02J17/00;H02M7/217;H02H7/125
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 薄觀玖

技術領域

本發明為一種可適用于智能IC卡等非接觸IC卡的大電流無源系統的能量傳輸電路，它涉及匹配電路，整流電路，儲能電路，穩壓限幅電路，電流監測及開關控制電路的設計。

技術背景

隨著技術的進步，非接觸IC卡的應用越來越廣泛，在對于運算處理能力和安全性要求更高的應用場合，非接觸式IC卡的內部功耗大幅上升。由于非接觸式IC卡絕大部分是無源的，工作時的電源能量由卡片天線從讀卡器天線發射的磁場中通過電磁耦合獲得。因此能量耦合效率的高低決定了非接卡能夠提供的最大功耗。而影響能量耦合的決定因素是匹配電路的設計。根據資料顯示，目前設計的匹配電路主要都是由天線端直接并聯一個諧振電容來實現，這種匹配實現起來比較簡單，但是并沒有達到最佳匹配，對于普通非接卡(功耗較低)這種匹配方法可以滿足要求，但是對于金融IC卡(功耗很大)的應用場合，在磁場強度處于1.5A/m時(ISO/IEC14443-2標準中規定的最低值)，耦合到的能量不再能夠提供電路正常工作。

發明內容

本發明的目的是提出一種與射頻前端電路配合的新的匹配電路方法，使得它在場強低時能夠與卡片天線以及卡內射頻前端電路達到最佳匹配，使得卡內后端電路模塊獲得盡可能高的能量；在場強高時避免卡內限幅電路電流過大造成過熱導致卡片損壞。

本發明的特征在于，包括以下幾個部分：

匹配電路，整流電路，儲能電路，穩壓限幅電路，電流監測及開關控制電路，其中：

匹配電路：由電容C1、C2、C3以及開關P1、P2組成，各部分的連接關系是：電容C1一端接天線等效電路輸出端1，另一端作為匹配電路輸出端3，C2并聯在輸入端1與天線輸出端2之間，C3上、下兩端各串聯一個開關P1、P2，再分別連接到輸出端3與天線輸出端2之間，

整流電路：由2個NMOS管MN1、MN2及2個PMOS管MP1、MP2組成，各部分的連接關系是：MN1的柵極、MN2的漏極和MP2的源極相連，接到端口2；MN2的柵極、MN1的漏極和MP1的源極相連，接到端口3；MP1、MP2的柵極和漏極都連接到整流電路的輸出端5；MN1、MN2的源極都連接到地端，

限幅電路：由電阻R1、R2和NMOS管MN組成，各部分連接關系是：R1、R2串聯后連接到整流電路的輸出端5和地端之間，MN的柵極連接在R1、R2之間，MN的漏極和源極分別接端口5和地端，

穩壓電路：由運算放大器A1、PMOS管MP和電阻R3、R4組成，各部分連接關系是：MP的源極與整流電路的輸出端5相連，柵極與運算放大器的輸出端相連，漏極作為穩壓電路的輸出端VDD；R3與R4串聯后接到輸出端VDD與地端之間；運算放大器的一個輸入端接R3、R4的中間，另一個輸入端接基準電壓V_REF，

儲能電路：為一個NMOS電容C_S，正端接整流電路輸出端VDD，負端接地，

電流監測電路：由一個NMOS管M_C和一個電阻R5組成，其中M_C的柵極接限幅電路中MN的柵極，漏極與R5的一端連接作為輸出端6，源極接地；R5的另一端接電源VDD，

開關控制電路：為一個比較器A2，其中比較器的兩路輸入分別為電流監測電路的輸出端6以及基準電壓V_REF，輸出接至匹配電路的開關P1、P2的控制端。

本發明的原理可以描述如下：所述的天線在磁場中感應出交流電流，經過所述的匹配電路得到幅值最大的交流信號輸出給整流電路。所述的整流電路采用PMOS管全波整流電路，將交流信號整流成直流信號傳送到穩壓電路。所述的限幅電路連接在整流電路的輸出端用來保護電路中的MOS不被擊穿。所述的穩壓電路用來提供穩定的電壓供后續電路工作。所述的儲能電路為大容量MOS電容，保證讀卡器在傳送數據磁場強度短時間降低時，電容放電輸出的能量可以提供給后端電路工作。所述的電流監測電路根據成比例復制限幅電路泄流管上的電流來監測磁場強度的大小，當磁場強度大于設定值時，泄流管電流過大，長時間工作會導致發熱嚴重從而損壞芯片，此時電流監測電路輸出信號給開關控制信號電路，所述的開關控制信號電路經過比較電流監測電路的輸出與基準電壓的值來控制匹配電路中的開關的閉合與斷開。