无源超高频RFID低压高效电荷泵的设计与实现
2010-02-08庄奕琪王江安杜永乾乔丽萍
靳 钊，庄奕琪，王江安，杜永乾，乔丽萍，张 超
(1. 西安电子科技大学微电子学院 西安 710071; 2. 西藏民族学院信息工程学院 陕西 咸阳 712082)
无源超高频RFID低压高效电荷泵的设计与实现
靳 钊1，庄奕琪1，王江安1，杜永乾1，乔丽萍2，张 超1
(1. 西安电子科技大学微电子学院 西安 710071; 2. 西藏民族学院信息工程学院 陕西 咸阳 712082)
提出了一种适用于无源超高频射频识别(RFID)标签的低压高效电荷泵电路的设计方案，用以最大化标签的识别距离。该方案利用偏置电路为主电荷泵提供偏置电压，通过二极管连接的MOSFET抑制偏置电路的负载电流来提高偏置电压，大大减小了传统电荷泵中的阈值损失，有效抑制了反向漏电流，提高了电荷泵的灵敏度和能量转换效率。该结构使用chartered 0.35 µm CMOS工艺进行流片验证，实测结果表明，在输入275 mV负载电阻200 kΩ情况下，电荷泵输出可达1.47 V，能量转换效率最高可达26.2%；采用该电荷泵的RFID标签识别距离最远可达4.2 m。该设计为RFID芯片的良好性能提供了可靠保证。
电荷泵电路; 低压; 能量转换效率; 射频识别
RFID (radio frequency identification)是近年来兴起的一种发展迅速的自动识别技术[1]。射频识别技术利用射频方式进行非接触双向通信，以达到识别的目的并交换数据，以其非接触式、存储容量大、识别速度快、可多卡识别等优点而备受关注，在生产、零售、物流、交通等各个行业有着广阔的应用前景。
无源RFID标签利用电荷泵将射频电压转化为直流电压，并升高到标签芯片正常工作所需要的电压幅度。RFID芯片远距离工作时，输入功率很低，一方面需要采用各种设计方法降低芯片的模拟前端和数字基带功耗[2]；另一方面需要优化芯片的能量转换电路，以获取尽可能多的能量。高效率正逐渐成为近年来芯片研究的热点[3,4]，电荷泵作为芯片获取工作能量的唯一来源，其效率更是直接影响后级电路所能获得的能量大小和芯片的识别距离等关键性能指标。因此，提高电荷泵电路的能量转换效率对无源RFID应用具有非常重要的意义。
常见的电荷泵包括Dickson电荷泵[5]、全波整流器、电荷传输开关(charge transfer switches，CTS)电荷泵[6]等。Dickson电荷泵结构简单，但其能量转换效率随着级数的增加显著下降，直接应用于无源RFID芯片效果并不好；全波整流器虽具有较高的整流效率，但是低压工作性能较差；CTS电荷泵利用内部Dickson电荷泵产生的增强电压控制CTS中的传输开关，适用于低压操作，但是其CTS MOS管的偏置电压由电荷泵的后级结构提供，电压值受到限制且随负载变化而变化，因此效率不高。
本文提出了一种用于无源UHF RFID的新型电荷泵结构。该结构包含两个电荷泵：主电荷泵基于CTS结构设计；Dickson电荷泵作为副电荷泵，为主电荷泵提供偏置电压，并利用二极管连接的MOS管有效抑制偏置电路的负载提高偏置电压。该结构设计减少了传统结构中整流器件的阈值损失对能量转换效率的影响，提供了良好的低压工作性能，实测结果表明，该电荷泵为RFID标签的远距离识别提供了可靠保证。
1 传统电荷泵分析
1.1 基本电荷泵结构
基本的Dickson电荷泵结构如图1所示，二极管D1和D2、耦合电容C1和C2组成的电路构成了电荷泵的第一级，其中Vin是输入交流电压的幅度。假设输入信号为方波以简化计算，最终的输出直流电压可由式(1)计算[5]：
式中 N、Iload、C、Cs、f 和Vth分别是级数、负载电流、耦合电容、节点寄生电容、输入信号频率和二极管阈值电压。
由式(1)可以看出，Vth是使电压增益降低的最主要因素，当Vin小于或等于Vth时，二极管无法导通，输出电压接近于0。
图1 基本的电荷泵结构
Dickson电荷泵还可用二极管连接的MOS管作为整流器件，由于体效应的存在，MOS管的阈值电压为
式中 VSB为衬偏电压；Vth为衬偏电压等于零时的阈值电压，φFB为费米势；γ为体效应系数。随着每一级输出电压的增加，Vth也随之增加。由式(1)知阈值电压的增高使得输出电压的幅度降低，对无源RFID芯片的远距离识别带来了消极影响。
1.2 导通角分析
对图1所示的电荷泵结构进行直流分析，所有C和Cs开路，2N个二极管串联，则二极管直流偏置为：
进行交流分析时，所有C和Cs短路，2N个二极管并联，交流电压Vin直接作用于这些二极管两端，则二极管的偏置可表示为：
式中 n为二极管的个数。
为便于分析电荷泵的工作情况，引入导通角的概念。电荷泵的导通角定义为整流器件在射频信号一个周期内导通的角度。导通角越大，整流器件工作的时间越长，负载获得的能量也就越多。可见，增大导通角可提高电荷泵的能量转换效率。对于图1所示的电荷泵结构，只有当Vd>Vth时，二极管才能导通并整流，导通角很小。另外，反向漏电流在Vd<0时会经由二极管的结电容反向漏电，导致电荷泵的电压增益降低。
文献[7-9]中提出了一些电荷泵结构，但仍然存在整流MOS管偏置电压较低，反向漏电流抑制不够等问题。
2 本文提出的电荷泵结构
本文提出的电荷泵结构包含主电荷泵和偏置电路，如图2所示。
图2 提出的电荷泵结构
偏置电路采用与主电荷泵相同的级数，为主电荷泵各级提供偏置电压。主电荷泵对射频信号整流之后输出直流电平Vout驱动后级负载。RL为负载电阻，电容Ce的作用是减小Vout的纹波，并储存能量，以供读写器发送低幅度射频能量时标签使用。
2.1 主电荷泵
主电荷泵采用CTS结构，电路如图3所示。由于肖特基二极管启动电压低，串联电阻和结电容小，所以流片采用兼容肖特基二极管的Chartered 0.35 μm CMOS工艺，肖特基二极管的阈值电压为270 mV。如果输入电压仅比阈值略高，则二极管正向导通电阻较大。因此若采用图1所示的电路结构，则效率较低，无法驱动后级电路。为了使电路在输入电压接近二极管阈值电压时也能够正常工作，主电荷泵中使用该工艺提供的低阈值NMOS作为CTS MOS管。CTS MOS管栅极加偏置电压后，与肖特基二极管并联，共同完成电荷泵整流的作用。
图3 主电荷泵电路
主电荷泵的工作过程分为以下两个阶段：偏置电压建立前，肖特基二极管作为电流主通路；偏置电压建立后，主要由CTS MOS管完成传输电流的功能。MOS管传输电流IMD的大小是由VGS−Vth决定的，可表示为：
式中 µn为载流子迁移率；COX为单位面积的栅氧化层电容；VDS为MOS管漏源电压；IS为一电流常值，q为单位电荷；k为玻尔兹曼常数；T为温度。由式(5)可知，为增大CTS MOS管的导通角，增加其正向传输电流的大小，减小漏电流，管子导通时，应适当增大VG-Vth；管子截止时，应尽可能减小VGS-Vth[10]。
电路实现时，CTS MOS管均采用大尺寸设计，以减小其导通电阻，提高电流驱动能力，并且将其版图设计成叉指结构，以减少寄生电容。
从上述分析中可以看出，为CTS MOS管提供满足需要的偏置电压成为关键。在传统的CTS电荷泵中，CTS MOS管的栅极电压是由下一级电荷泵结构提供的，由于主电荷泵本身需要驱动负载，输出电压低，因此偏置电压不会太高，而且随负载变化而变化，难以调整。CTS MOS管存在正向导通电流不足或反向漏电流过大的情况，使得能量转换效率很难提高。为了给主电荷泵提供满足其工作要求的偏置电压，本文提出了一种新的偏置电路。
2.2 偏置电路
设计中采用一个由肖特基二极管整流的副电荷泵作为偏置电路，单独为CTS MOS管提供偏置电压，如图4所示。偏置电路中第n+1个肖特基二极管右端的节点与主电荷泵中第n个CTS MOS管的栅极相连，即采用节点电压Bias_i为CTS MOS管Mi提供偏置。
图4 提出的偏置电路
式中 IMb是偏置电路的负载电流。从式(6)可以看出，减小IMb是增大副电荷泵输出电压的有效方法。为了抑制IMb，在偏置电路输出端引入一个二极管连接的MOS管Mb。由于偏置电路的负载很小，所以只要Vrf略高于肖特基二极管的阈值，偏置电路就可以产生较高的电压，其电压增益要比主电荷泵的高。由电荷泵直流分析可知，串联结构的各级输出的偏置电压均得以提高。而且，由于流经偏置电路的电流很小，其功耗也维持在较低水平。电路实现时，Mb采用小尺寸设计。
2.3 性能分析
由式(5)可将Mb源漏两端的电压降表示为
式中 VMb即为图3中的节点Bias_2N-1和Bias_in上电压之差，可表示为CTS MOS管M2N-1的栅源电压和肖特基二极管D2N-1的直流偏置之和，即：
M2N-1的栅极电压为直流电压，源极叠加上输入的射频信号后，栅源电压表示为：
而栅极和漏极电压之差为恒定直流电压，为便于说明，将M2N-1正向导通时的栅漏电压记作VGD，用同样的方法计算，可得：
由式(5)可分析M2N-1的工作状态，用vrf表示输入射频电压的瞬时值，则vrf
对关键电平值分析如下：在无源RFID标签的实际应用中，天线端感应的射频电压幅度Vrf较小，但其在芯片标签正常工作时高于肖特基二极管的阈值，一般在300 mV以上；芯片工作所需直流电压较低，典型范围为1～1.5 V，当N取较大值时，|VBias_DC|很小，远低于肖特基二极管阈值。据此分析，该结构大大减少了CTS MOS管的阈值损失，增加了其导通角，如图5所示。其中输入射频信号相位θ=2πft。满足2.1节中的分析结果，管子的导通时间长，且VGS−Vth的幅值大；截止时间短，且VGS-Vth的幅值小。进一步比较式(11)中的VGD和式(10)中的VGS的值，可以发现CTS MOS管仅会有少量反向漏电流，而正向导通电流很大。
对该结构的几个要点加以说明：
(1)由主、副电荷泵结构的一致性及直流分析时电荷泵的串联形式依次向电荷泵前级类推，则每一级CTS MOS管均可有与M2N−1相同的分析和结果；
(2)由于Mn的栅源电压是偏置电路中第n+1个肖特基二极管右端电压VBias_n与主电荷泵中第n个肖特基二极管右端电压VMain_n之差，而偏置电路的输出电压VBias_2N−1又高于主电荷泵的输出电压Vout，由各级的串联形式可知，随着级数的增高，=VBias_n−VMain_n会随之增大，巧妙补偿了由体效应带来的随级数增高而增大的MOS管阈值，确保导通角不随级数增高而减小。
图5 两种电荷泵的导通角对比
电路实现过程中，为保证电荷泵在低压输入时具有足够高的电压增益，减小|VBias_DC|以增大导通角，主电荷泵和偏置电路均设计成10级。
通常的MOS管电容器的非线性C-V特性会造成电容值随输入电压变化而变化，从而增大电荷泵输出电压纹波。因此本文结构流片时采用的是MIM电容，其电容值稳定，且寄生电容和串联电阻小，有利于稳定输出电压，降低电荷泵自身的功耗。
3 测试结果
包含本文设计电荷泵结构的RFID芯片使用兼容肖特基二极管的chartered 0.35 µm CMOS工艺流片，图6为芯片的显微照片，芯片面积为2 148×1 545 µm2，其中电荷泵部分面积为402×393 µm2，占整个芯片面积的4.8 %。芯片周围为模拟和数字的测试焊盘。
图6 实现电荷泵的RFID芯片的显微照片
使用Impinj公司的speedway读写器，设置发射功率为4W EIRP，工作频段920～925 MHz，匹配的标签天线增益1.5 dBi，在室内空间中进行测试。在距离读写器4.2 m处，标签仍可被读写器识别；保持该标签位置不变，在片外断开电荷泵和芯片后级电路的连接，并在电荷泵的直流输出端外接100 kΩ的负载电阻，测得电荷泵输出直流电压达到1.5 V，输出功率可达22.5 µW，满足标签芯片工作所需能量的要求。
图7 不同负载下电荷泵的性能曲线
通过射频信号发生器和电荷泵相连，调节输入功率及匹配电路，测得外接不同负载情况下的输出电压，如图7a所示。可以看到，每一种负载情况下，输出电压曲线随输入功率增大而上升，随着负载电阻的减小，电荷泵输出电流增大，消耗在电荷泵内阻上的功率随之增大，导致输出电压下降。在输入功率为−15 dBm、负载电阻200 kΩ情况下，输出电压高达1.47 V。测得此时的输入射频电压峰值为275 mV，仅比肖特基二极管的阈值电压略高。而同样的输入电压和负载电阻情况下，采用肖特基二极管的10级Dickson电荷泵输出电压仅为400 mV。可见本文设计的电荷泵的低压工作性能远优于传统的电荷泵结构。
图7b为不同负载情况下能量转换效率随输入功率变化的曲线。每条曲线都有一个先上升后下降的过程，这是因为在输入功率较小时，输出电流较小，电荷泵的输出电压上升较快，效率可以很快达到峰值；而随着输入功率的增加，输出电压的增大使输出电流不断增大，因此电荷泵自身的功耗增大，导致效率下降。从图中可以看出，在负载电阻为为200 kΩ情况下，能量转换效率最高可达26.2 %。
表1给出了本文设计的电荷泵与传统电荷泵[3,11-12]的性能比较。给定的输入功率为RFID标签远距离工作时的典型值。从表中可以看出，采用相同尺寸的肖特基二极管、相同负载、相同级数的Dickson电荷泵[5]的电压增益很低，难以为后级电路提供正常的工作电压。文献[11]通过对MOS管的栅漏间加入参考电压进行阈值补偿，提高了电压增益，但是反向电流的引入使得效率很低；文献[12]的设计中加入了压控振荡器(voltage controlled oscillator VCO)，VCO靠一级整流器驱动，并为后级电荷泵提供时钟信号，虽在一定程度上提高了效率，但表1给出的是其在较轻负载(负载电阻400 kΩ)下的测试数据。本文提出的电荷泵在负载电阻为100 kΩ情况下进行测试，从表中可以看出，其能量转换效率随输入的增大而增大，且均大于其他几种结构。输入功率越低，这种优势越明显；即使输入功率增大，该电荷泵驱动负载的能力依然较其他几种结构强，对无源RFID标签的远距离识别来说具有重要的意义。
表1 提出的电荷泵与传统电荷泵的性能比较
4 结 束 语
本文提出了一种用于无源超高频RFID标签的电荷泵结构，并使用兼容肖特基二极管的chartered 0.35 µm CMOS工艺进行流片验证。与传统电荷泵相比，该结构提高了芯片工作的灵敏度，大大减少了阈值损失，增大了射频信号通过整流器件的导通角，抑制了反向漏电，从而提高了电荷泵的能量转换效率。实测结果表明，该电荷泵结构为RFID标签的高性能提供了可靠保证。
[1]LANDT J. The history of RFID[J]. IEEE Potentials, 2005,24(4): 8-11.
[2]SHI Wang-gen, ZHUANG Yi-qi, LI Xiao-ming et al. Design of an ultra-low-power digital processor for passive UHF RFID tags[J]. Journal of Semiconductors, 2009, 30(4):045004.
[3]徐骏宇, 高正平. 一种高效率低电压3倍负压电荷泵的设计[J]. 电子科技大学学报, 2005, 34(1): 73-76.
XU Jun-yu, GAO Zheng-ping. Design of high efficient low-voltage negative voltage tripler[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2005, 34(1):73-76.
[4]ZHU Z, JAMALI B, COLE P H. Brief comparison of different rectifier structures and UHF RFID[J/OL]. [2005-09-07]. http://autoidlab.eleceng.adelaide.edu.au/Papers.
[5]DICKSON J F. On-chip high-voltage generation in MNOS integrated circuits using an improved voltage multiplier technique[J]. IEEE Journal, Solid-State Circuits, 1976, 3(11):374-378.
[6]WU J T, CHANG K L, MOS charge pumps for low-voltage operation[J]. IEEE Journal, Solid-State Circuits, 1998, 33(4):592-597.
[7]CHEN C, NEJAD M B, ZHENG L R. Design and implementation of a high efficient power converter for self-powered UHF RFID applications[C]//First International Conference on Industrial and Information Systems.Peradeniya: IEEE Press, 2006: 393.
[8]KARTHAUS U, FISCHER M. Fully integrated passive UHF RFID transponder IC with 16.7 μW minimum RF input power[J]. IEEE Journal, Solid-State Circuits, 2003, 38(10):1602.
[9]PANG Ze-gui, ZHUANG Yi-qi, LI Xiao-ming, et al. A lowvoltage high efficiency power generation structure for UHF RFID[J]. Journal of Semiconductors. 2008, 29(2): 293-297.
[10]MA Chang-ming, ZHANG Chun, WANG Zhi-hua. A low-power AC/DC rectifier for passive UHF RFID transponders[C]//International Symposium on Microwave,Antenna, Propagation, and EMC Technologies for Wireless Communications. Hangzhou: IEEE Press, 2007: 309-314.
[11]UMEDA T, YOSHIDA H, SEKINE S. A 950 Mhz rectifier circuit for sensor networks with 10m-distance[C]//Digest of Technical Papers of Solid-State Circuits Conference. San Francisco, CA: IEEE Press, 2005: 256-597.
[12]BERGERET E, GAUBERT J, PANNIER P. Standard CMOS voltage multipliers architectures for UHF RFID applications: study and implementation[C]//IEEE International Conference on RFID. Grapevine, TX: IEEE Press, 2007: 115-120.
编 辑 蒋 晓
Design and Implementation of a Low Voltage High Efficiency Charge Pump for Passive UHF RFID
JIN Zhao1, ZHUANG Yi-qi1, WANG Jiang-an1, DU Yong-qian1, QIAO Li-ping2, and ZHANG Chao1
(1. School of Microelectronics, Xidian University Xi'an 710071;
2. School of Information Technology, Tibet Nationalities Institute Xianyang Shanxi 712082)
A low voltage high efficiency charge pump circuit for passive UHF RFID is presented to increase the operating range of tags. The bias voltage supplied to the main charge pump by the bias circuit is raised by suppressing its load current using a diode connected MOSFET, which greatly reduces the threshold voltage drop in traditional charge pumps, suppresses the reverse leakage current and improves the sensitivity and power conversion efficiency. The charge pump has been fabricated in chartered 0.35 µm CMOS process. Measurement results show that a 275 mV minimum input level is required to generate 1.47 V power supply for 200 kΩ load and efficiency up to 26.2% is achieved. The maximum operating range of the RFID tag with this charge pump is 4.2 m. This design effectively contributes to the good performance of RFID chips.
charge pump circuits; low voltage; power conversion efficiency; RFID
TN402
A
10.3969/j.issn.1001-0548.2010.06.027
2009- 07- 10；
2010- 04- 13
国家自然科学基金(60276028)
靳 钊(1982- )，男，博士生，主要从事RFID设计以及高性能射频集成电路设计方面的研究.
·生物电子学·
