一种应用于超高频射频识别芯片的稳压器设计

齐增卫,庄奕琪,李小明,刘伟峰

(西安电子科技大学 微电子学院 ,陕西 西安　710071)



·数理科学·

一种应用于超高频射频识别芯片的稳压器设计

齐增卫,庄奕琪,李小明,刘伟峰

(西安电子科技大学 微电子学院 ,陕西 西安710071)

为了提高无源超高频射频识别(UHF RFID)标签的通信距离,在研究了其受限的主要因素后,提出一种适用于UHF RFID标签芯片的稳压器。采用了倍压电路与低压差线性稳压器(LDO)相结合的方式,极大地提高了标签的通信距离。在工作电源电压为1.2V时,该稳压器的静态功耗为350nW。该设计在中芯国际2P4M CMOS 0.18μm EEPROM工艺下成功流片,稳压器的版图面积仅为89μm×85.8μm。应用传统稳压器与文中提出稳压器的标签读取距离分别为5.1m和6.8m。

超高频射频识别;低压差线性稳压器;倍压电路;最小工作电压

近年来,射频识别技术被广泛地应用于众多领域,例如供应链管理、门禁管理、资产管理以及物流链管理等等[1-3]。无源超高频射频识别技术因为其无需电池供电、通信距离远、标签体积非常小以及标签成本非常低，而越来越受到重视,成为新的研究热点。通信距离是无源超高频射频识别标签的一个重要指标参数,包括了读取距离和写入距离。标签芯片的工作电源越低,整体功耗就越小,其通信距离就越远。因此,在标签芯片的设计中，我们会尽量地使最小工作电源电压降低。

1　标签芯片的供电系统方案

芯片由3部分组成:射频模拟前端、存储器和数字基带。射频模拟前端主要有获取射频能量和解调输入信号两个作用。由于倍压整流电路输出的电压非常不稳定(它受到射频信号的影响),并且由于射频信号的包络为脉冲间隔编码(PIE)信号,在输入为低的时候,芯片没有能量输入,需要储能电容提供电路的工作能量,此时,电源电压会随着时间而降低,因此要采用稳压器为其他电路供电。存储器用来存储用户希望存储的信息。数字基带根据《the electronic product code (EPC) Gen 2 communication protocol》协议对射频模拟前端解调的信号进行解析,并根据解析的内容，控制射频模拟前端做出相应改变，来响应阅读器,从而完成与阅读器的通信。

设计的标签芯片的整体供电方案如图1所示，箭头表示信号的流向。

图1　标签芯片的整体供电方案Fig.1　The overall power supply scheme of tag chip

由于提出的稳压器是为存储器和数字基带电路供电,因此,有必要对存储器的电源端口特性进行简单的介绍。表1列出了设计的标签芯片所采用的存储器的电源要求。共需要3个电源,分别为VDD1，VDD2和VDD3。其中VDD1和VDD2为读取操作时需要的电源,而VDD1和VDD3是写入操作的时候需要的电源。

表1　存储器电源电压的要求

由于写入操作时，标签离阅读器很近(一般小于3m),芯片的输入能量较高,倍压整流输出电压完全满足VDD3的要求。因此,输出VDD3的稳压器采用传统的LDO,这里不多加讨论。本文主要讨论如何改善标签的读取距离。

2　标签读取距离受限的主要因素

理论上,无源UHF RFID标签读取距离的受限因素应该是能量。当标签接收到的能量满足标签芯片工作需要的功耗时,就应该可以正常读取。但是,在实际设计当中,会出现虽然标签接收到的能量完全能够满足标签工作需要的能量,但是标签还是无法工作的情况。下面就对标签读取距离受限的因素进行分析。

首先,对传统LDO的最小工作电压进行分析。传统LDO稳压器的晶体管级电路如图2所示。晶体管T1～T6组成了误差放大器，晶体管T7为功率传输管。电容C1为补偿电容,确保稳压器的稳定性。同时,它也作为储能电容,因为在输入信号为低时，标签没有能量输入,要靠该电容来维持后级电路的工作。晶体管T8～T11组成了反馈网络,其反馈系数为1/2。参考电压VREF为0.7V。因此输出电压为

VDD2=2×VREF=1.4V。

(1)

由于负载电流非常小,因此晶体管T7的漏源电压VDS非常小,设计值为50mV,因此稳压电路的最小工作电压为1.45V。

图2　传统稳压器的晶体管级电路Fig.2　Transistor level circuit of traditional voltage regulator

下面对芯片可获得的直流电源电压进行分析。标签天线上的电压(峰值)可以表示为[4-5]

(2)

式中,PTag表示标签天线获得的能量;RA表示标签天线的串联电阻，近似为20Ω;Q表示标签天线的品质因子，近似为10。

著名的Friis公式指出[6],标签天线获得的能量可以表示为

(3)

式中,PReader表示阅读器天线发射的射频能量功率,一般商用阅读器为1W;GReader表示阅读器天线的增益,一般商用阅读器为6dB;GTag表示标签天线的增益,一般为3dB;λ表示射频信号的波长,计算时采用900MHz的射频波[7];r表示标签和阅读器之间的距离。

对于两级的倍压整流电路,其整流输出电压VDD-RECT可以表示为[8-9]

VDD-RECT=4×(VAnt-Vth)。

(4)

式中，Vth表示由于开关管阈值电压而导致的电压损失，该值为0.25V。

图3　倍压整流输出电压随着标签和阅读器之间距离的变化曲线Fig.3　The curve of doubler rectifier output voltage which changes with the distance between tag and reader

结合式(2)～(4),可以得到倍压整流的输出电压随着标签和阅读器之间距离的关系,如图3所示。由于泄流保护电路的作用,倍压整流输出电压小于2.8V。可以看到,在5.6m距离处,倍压整流输出电压为1.444V,而在7m距离处,该电压将为0.955 3V。而根据式(3)可以算出在5.6m和7m处,标签芯片接收到的功率分别为174μW和109μW,若倍压整流的效率为40%,则芯片分别可以获得69.6μW和41μW的功率。根据表1所述以及式(1),若采用传统LDO稳压器实现VDD2,在5.6m的距离上,虽然标签接收到的能量完全能满足芯片工作的功耗要求(芯片功耗小于30μW)，但是标签已经到了读取距离的极限,在超过5.6m的距离后,会由于VDD2电压过低而无法正常工作。而理论上,在7m处,标签接收到的能量功率是完全可以使芯片正常工作的。

综上所述,由于VDD-RECT为倍压整流电路输出,为整个芯片提供直流能量,成为各稳压器的电源电压,若稳压器对VDD-RECT的电压要求降低,则会使芯片的通信距离得到提升。如表1所示,VDD1的最小电源要求仅为0.85V,并不成为限制标签读取距离的因素。VREF为一个低压基准电路输出的参考电压,低压基准电路对电源的要求低于1V,也不成为限制标签读取距离的因素。而VDD2稳压器的最小电源电压成为了限制标签读取距离的因素。因此,本文提出了一种新型的稳压器,该稳压器可以达到很小的最小工作电压,使VDD2不再成为标签读取距离的限制因素。

3　稳压器设计

对于VDD2,其仿真得到的负载情况如表2所示,可以看出,其负载很小。因此,本文提出了一种带有倍压功能的电压稳压器,在很低的工作电源电压条件下,依然可以提供足够高的输出电压供后级电路工作。同时,由于负载很小,倍压电路功耗可以设计的很小,并且倍压输出的储能电容也会比较小,版图面积不会显著增加。

表2　VDD2的负载情况

本文提出的稳压器电路如图4所示。其中VDD-RECT为倍压整流电路输出,VDD1即为前文所述的VDD1,其工作最小电压仅为0.85V,完全不影响本文提出的稳压器工作。T1为功率传输管，反相器B1～B6、晶体管T2～T7以及电容C1～C4组成了倍压电路。反相器工作电压为VDD1。T8为二极管连接的mos晶体管,起到小电阻的作用,可以进一步减小输出电压上的高频成份。晶体管T9～T14组成误差放大器。晶体管T15～T18组成反馈网络,其反馈比为1/2,参考电压VREF为0.7V。因此输出电压仍为式1所示。电容C5的作用与传统LDO稳压器中电容C1的作用相同。

图4　本文稳压器的电路Fig.4　Voltage regulator circuit in this paper

由于电容两端的电压不能突变,因此,当反相器B3和B6的输出发生跳变之后,电容C1和C2另一端的电压也跟着发生相应幅度的电压跳变。经过一段时间的积累,电容C1和C2上极板上的电压会在半个周期内达到两倍的反相器工作电源电压,在这半个周期内,相应的开关管(电容C1对应开关管T6,电容C2对应开关管T7)就会打开,将电容上的电荷转移到电容C4上,而在另外半个电压比较低的周期内,相应的开关管会关闭,阻止电容C4上的电荷反向流动。而由于反馈的作用,电容C4上的电压只能充到式(1)所示的电压值。晶体管T4和T5起到补偿开关管T6和T7的时钟馈通与沟道电荷注入效应的作用,进一步提高输出电压的纯净度。

根据前文的叙述,理论上反相器的最低工作电压,即稳压器的最小工作电压为

VDD-RECT=(1.4+Vlost)/2。

(5)

式中,Vlost表示开关管T6和T8上的电压损失。根据式(5)得到的结果约为0.8V。但是为了保证参考电压VREF的稳定,工作电源电压VDD-RECT最小取为0.95V[4]。从图2中可以看出,此时对应的读取距离为7m。

4　芯片测试

在中芯国际2P4M CMOS 0.18μm EEPROM工艺下对整体标签芯片进行了流片验证。完整的标签芯片的版图如图5所示。图中标注出了几个重要的模块。

图5　标签芯片的照片Fig.5　Picture of tag chip

该芯片同时包含了传统LDO稳压器和提出的稳压器,它们的输出均引出到测试PAD上,同时存储器的电源端口也均引出到测试PAD上,在测试过程中,分别将两种稳压器的输出与存储器的VDD2端口连接。该芯片也同时包含了bumping PAD和bonding PAD,可以进行两种方式的测试。

对标签的测试分为两步进行,首先将标签芯片绑定在一块八角形的PCB板上,分别将两种稳压器的输出与存储器的VDD2端口连接。通过一个SMA转接头将芯片与天线连接,如图6左下角所示。将天线置于阅读器的电磁场中,通过示波器可以查看各个端口的波形。由于VDD2稳压器的输出驱动能力非常小,因此无法通过示波器观察VDD2的波形,但是可以通过解调和调制信号的波形得出必要的结论。

图6　标签的两种测试环境Fig.6　Two kinds of test environment of tag

图7(a)给出了采用传统LDO稳压器时的端口波形。可以看出,随着标签与阅读器之间距离的增加,当倍压整流输出降为1.25V时,通过解调信号可以看出,阅读器在发送完query命令之后，再次发送queryRep命令,而调制信号并没有返回,说明标签并没有对阅读器做出响应,即读取操作失败。

图7(b)给出了采用提出的稳压器时的端口波形。可以看出,随着标签与阅读器之间距离的增加,当倍压整流输出降为1.25V时,通过解调信号可以看出,阅读器在发送完query命令之后发送了InitAuth命令,同时调制信号做出相应的返回,并持续交互直到结束。说明标签对阅读器的命令进行了相应的响应,即读取操作成功。

图7　标签测试波形Fig.7　The test waveform of tag

第2种测试方式是将两种稳压器输出分别连接至存储器的VDD2端口后,将标签芯片倒装至一块PET天线上,如图6中第一排中间所示。这种工作方式与标签的应用环境完全相同,具有较高的可信度。将标签放入阅读器的电磁场中,通过阅读器软件的响应情况确定标签的识读距离。通过测试,采用传统LDO稳压器的标签读取距离为5.1m,而采用提出的稳压器的标签读取距离为6.8m。可以看出,本文提出的稳压器对标签读取距离的提高具有明显的作用。表3对传统LDO稳压器和提出的稳压器的测试性能进行了比较。而由于本设计应用场合的特殊性,与同类其他稳压器的比较并无意义。

表3　测试性能比较

5　结　语

本文设计了一种适用于超高频射频识别(UHF RFID)标签芯片的低压差稳压器电路。提出的稳压器在功耗和版图面积与传统的稳压器相当的情况下,工作电压可以降低到0.95V。在工作电源电压为1.2V时,该稳压器的静态功耗为350nW。本设计在中芯国际2P4M CMOS 0.18μm EEPROM 工艺下成功流片,稳压器的版图面积为89μm×85.8μm。应用传统稳压器与提出稳压器的标签的读取距离分别为5.1m和6.8m。可以看出,提出的稳压器对标签识别距离的提高具有非常好的作用。

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(编辑李静)

A design of voltage regulator for UHF RFID tag chip

QI Zeng-wei, ZHUANG Yi-qi, LI Xiao-ming, LIU Wei-feng

(School of Microelectronic, Xidian University, Xi′an 710071， China)

To extend the communication range of the UHF RFID tag chip, a regulator was proposed after the researching of the restriction of the range. The proposed regulator combined the multiply and LDO, which greatly extended the communication range. The minimum power voltage of the proposed regulator was only 0.95 V when the power consumption and layout area were comparative with the traditional resolution. The static power consumption of the proposed regulator was 350nW when the supply voltage was 1.2V. The proposed regulator was implemented in SMIC 2P4M CMOS 0.18μm EEPROM process.The layout area was 89μm×85.8μm. The reading range of the tag with the traditional and the proposed resolution was 5.1m and 6.8m respectively.

UHF RFID; LDO; multiplier; minimum supply voltage

2015-06-02

中央高校基本科研业务费专项基金资助项目(JB141107)

齐增卫，男，陕西富平人，西安电子科技大学博士，从事混合集成电路设计、超低功耗集成电路设计研究。

TN43

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-03-008