RFID芯片电源恢复问题分析

RFID芯片电源恢复问分析 第 24 卷增刊 微 波 学 报Vol.24 Supplement 2008 年 10 月JOURNAL OF MICROWAVES Oct. 2008 RFID 芯片电源恢复问题分析 1,22 武岳山 熊立志 (1. 清华大学微电子学研究所，北京 100084;2. 深圳远望谷信息技术股份有限公司，深圳 518057) 摘 要:RFID(Radio Frequece Identification)是一种利用反射波进行通信的远程识别技术。RFID 标签为无源标签， 标签芯片工作所需的能量需要从标签天线所接收的微波信号中进行恢复。为了获得尽量远的工作距离，天线的输出 阻抗需要与芯片的输入阻抗相匹配，整流部分必须有较高的能量转换效率。本文研究了电子标签所能接收到的微波 功率随工作距离的变化，以及 RFID 芯片电源恢复部分的输入阻抗及整流效率等问题。通过仿真分析所获得的结果可 以为芯片电源恢复部分的及天线设计提供参考。 关键词:射频识别，倍压整流，输入阻抗，效率 Analysis on RFID IC Power Recovery Problem 1,22XIONG Li-zhi, WU Yue-shan (1. Institute of Microelectronics of Tsinghua University, Beijng 100084; 2. Invengo Information Technology Co. ,Ltd, Shenzhen 518057) Abstract:RFID is a remote identification technology which make use of back scatter wave to communication. RFID tag is passive component. The power supply for RFID chip must be recovered from received microwave signal. To achieve long identification distance, the output resistance of antenna should match with RFID tag chip’s input resistance and the rectifier should have high power conversion efficiency. This paper investigated the received power of tag which changed with distance between reader and tag. This paper also investigated tag chip input resistance and rectifier efficiency. The simulation result can be used as reference for rectifier design and antenna design. Key words:RFID, Multiply rectifier, Input resistance, Efficiency 则不受此类应用环境的限制。3)能同时进行多标签 引 言 的识别。相对于传统条码技术需要一个接一个的进 RFID(Radio Frequence Identification)是一种利 行物品识别来说，RFID 可以同时识别多个物品。 用反射波进行通信的远程识别技术。RFID 系统一 RFID 技术的众多优点使其在交通、物流等多个领 般由阅读装置和电子标签组成。电子标签通过反射 域获得了广泛的应用。RFID 标签为无源器件，电 阅读装置发出的电磁波来传送存储在电子标签芯 子标签需要通过接收阅读装置所发出的电磁波来 片内部的信息。与常规技术相比，射频识别技术有 获取能量。由于电磁波衰减较快，电子标签所能接 其自身的优势，主要表现在如下方面:1)非接触自 收到的微波功率较小，因此标签芯片是一个功率受 动识别。与条码相比，使用 RFID 技术进行物体识 限的系统。要使芯片能在离阅读器较远处正常工 别时无需人工干预，物体通过读卡器天线时即能被 作，除了芯片本身要有较低的功耗以外，芯片还需 识别。2)能适应户外及有污渍的环境。有很多物体 要有较高的电源恢复效率。提高电源恢复效率一方 和设备长期工作于户外环境，比如火车、集装箱等， 面是要使芯片与天线之间实现阻抗共轭匹配，另一 长期经受风吹雨淋，另外，环境中的灰尘，油渍等 方面则要求电源恢复电路本身要有较高的工作效 使得光学及条码等识别方法的应用受到限制，RFID 率。本文主要围绕天线接收信号的功率，阻抗匹配 * 收稿日期:2008-05-26 电路及整流电路三个方面来研究 RFID 芯片电源恢 RFID 芯片的设计有重要的参考作用。由于标签天 线所接收到的微波幅值较低，RFID 芯片的电源恢 复问题。 复部分一般采用倍压整流的方式来提升电压，另 1 对标签天线接收功率的分析 外，由于肖特基二极管具有结电容小，正向导通电 由于电子标签与阅读设备之间的工作距离较 压低的特点，比较适合高频信号整流，因此 RFID [1] 芯片电源恢复部分普遍采用肖特基管进行整流。倍 近，因此可以用自由空间 Friis 公式来估计接收 压电路的原理图如图 1 和 2 所示。 天线所能接收到的功率。Friis 公式如下: 2 λ ? ? (1) P= GGP? ? r T r T 4πd ? ? G为发射天线的增益， G为接收天线的增 T r 益，P为发射功率，P为接收功率，λ 为电波T r 的 波长，d 为接收天线与发射天线之间的距离。 可以 将天线等效为电压源与电阻的串联，如图 3 所示。 在获取天线所能接收到的最大功率后，假设已知天 线的输出阻抗为 R，可以通过式(2)计算出天线输出 信号的最高幅值。 图 1 二倍压整流电路 (2) U = 2 2RP r 假设发射天线的增益为 8dBi，接收天线的增益 为 2dBi，发射机的功率为 31dBm，工作的中心频率 为 915MHz，R 为 75Ω，所计算出的接收天线所能 提供的功率及输出电压如表 1 所示。 表 1 链路预算计算结果 0.5 1 2 3 4 5 距离(m) 输出8.577 2.144 0.953 0.536 0.343 34.307 功率(mW) 图 2 多倍压整流电路 输出4.535 2.26 1.134 0.756 0.567 0.454 电压(V) 图 1 为二倍压整流电路原理图，图 2 为多倍压 整流电路原理图。实际应用中比较关心的问题是倍 由以上计算结果我们可以看到随电子标签与压电路的输入阻抗和整流电路的效率。下面以两倍 阅读装置天线之间的距离增加，电子标签所能获得 压整流电路为例来分析 RFID 芯片的输入阻抗。如 的功率迅速减小，标签天线输出的电压也会迅速减 图 3 所示，为简化分析，在研究 RFID 芯片的输入 小。由此可见，标签芯片必须能适应低压低功耗的 阻抗时将 RFID 芯片简化为整流管 D1、D2 及负载 R1、C1，同时将天线等效为恒压源 U1 和电阻 R0 工作环境。 的串联。电容 C0 是倍压电路的一部分，当使用非 短路天线时，此电容由天线提供，当使用短路天线 2 对整流电路及匹配电路的分析 整流电路作为 RFID 芯片的重要组成部分，必 时，该电容需由芯片提供。RFID 芯片的输入阻抗须具有以下几个特性:1)能在低电压环境下工作， 2)有较高的整流效率，3)整流电路能和天线及负载 不是恒定值，其输入阻抗与输入微波信号的振幅，相匹配。研究整流电路的输入阻抗及整流效率对 C1 两端的电压及 D1、D2 管的伏安特性均有关系。 2008 年 10 月 微 波 学 报2 10 组成的匹配网络向 RFID 芯片供电。当 A 点振幅较 小时，所输入的微波信号主要用于维持 L1、C1 组 成的震荡电路的震荡。当 L1 和 C1 处于谐振状态时， 如果 RFID 芯片仍然处于断开状态，可以求出 A 点 的电压。 图 3 由天线和芯片组成的标签电源系统等效电路 首先假设二级管为理想二极管，二极管导通阈 ，电压源 S1 为 915MHz 值为，C1 初始电位为V U 图 5 低输入阻抗高输出阻抗匹配电路thD c1 正弦波，幅度为U ，当U 处于负半周时，C0 上 ? S1 S1 ?? U 1 S 1(4) = ?j ?U ? U =? 1S A 的电压为:1 R0 jwC Q ?(3) U = U ? V c 0 S1 thD为输入微波信号的振幅， w 为微波信号的U S 1 当 S1 上升到正半周峰值时，A 点电平为 频率。从式(4)可以看出 A 点的电压随匹配网络的 Q ，当时 D1 关闭，也2 ?U ? VU ? U < VS1 thD A B thD 值的提高而提高，由此可见，匹配网络与倍压电路 即 当 2 ?U ? 2 ?V< U 时标签芯片不消耗S1 thD c1 一样有提升输入电压的作用。在设计 RFID 芯片时 天线接 受的能量。仅当 2 ?U ?2 ?V> U S1 thD c1 可以合理运用倍压电路以及匹配网络进行升压，以 时天线所接 提高 RFID 标签的性能。以上计算均假设 RFID 芯 收到的能量才会通过 D1 传入芯片。以上分析表明 片处于断开状态，实际上当 A 点幅度升高到一定程 RFID 芯片的输入阻抗值是非线性的。 获取 RFID 度时，RFID 芯片内部的肖特基管导通，匹配网络 芯片输入阻抗值的一个重要作用是为天线设计提 向 RFID 芯片传输能量。如果在一个周期内芯片消 供参考，求解非线性输入阻抗较为困难，使用不便， 耗的能量与 R0 消耗的能量相同，则匹配网络实现 在不影响天线设计效果的情况下，可以使用等效的 了最佳匹配。在给定 U1 及 R0 的情况下通过调节 常数输入阻抗来代替非线性输入阻抗，这种等效可 L1 及 C1 可以达到阻抗匹配的目的。 以看作是功率传输效果上的近似。 一般情况下，天线与标签芯片之间需要有阻抗 匹配电路，可以使用分立元件或传输线来组成的匹 配电路。常用的分立元件阻抗匹配电路为 RC 匹配 [2] 电路，图 4 为高输入阻抗低输出阻抗匹配电路， 图 5 为低输入阻抗高输出阻抗匹配电路。 图 6 RFID 芯片阻抗匹配电路 传输线与 LC 匹配网络相似，同样可以用来进 行阻抗匹配，下面假设给定输入电压 U1 及输入阻 抗 R0，通过改变传输线特征阻抗以及长度来确定不 同倍压整流方式下能量的转换效率及芯片的输入 阻抗。 图 4 高输入阻抗低输出阻抗匹配电路 先对两倍压整流电路进行分析。如图 7，T1 为 下面简单分析一下阻抗匹配电路如何进行 RFID 芯片非线性输入阻抗的匹配。以低输入阻抗 传输线，天线等效为电压源 U1 和电阻 R0 的串联， 变高输出阻抗为例进行分析。如图 6 所示，假设输 为了进行对比，在以下的仿真分析中均假设 U1 的 入微波信号的振幅为 U1，内阻为 R0，通过 L1、C1 频率为 915MHz，振幅为 300mV，电阻 R0 为 50?， 表 2 各种倍压电路仿真结果负载 R1 为 50K，C1 为 10pF。C0 用作倍压作用， 假设为 20pF 。D1 ，D2 采用 CHARTER 0.35um 2X 4X 8X 16X 倍压倍数 EEPROM 工艺肖特基管模型，通过改变 T1 的特征 输出最高电压2.615 2.455 2.056 1.462 阻抗和归一化长度，就可以在 R1 两端获得不同的 阻抗实部 阻2218 996 503 216 抗虚部 整流电压值。 -3286 -1444 -581 -197 电路效率 37.57, 60.8% 53.57% 19% 芯片 Q 值 1.15 1.48 1.45 0.91 以上结果与实测 RFID 芯片的输入阻抗值有一 定的差别，主要原因有仿真的假设条件与实际情况 可能有出入、另外芯片 PAD、引出线产生的寄生电 [4] 容以及芯片内部 ESD 电路造成的寄生成份都会 图 7 传输线匹配两倍压 RFID 芯片电路 影响芯片的输出阻抗。从表 2 可以看出，随着电路 从图 8 可以看出，当传输线特征阻抗值为 倍压倍数的增加，整流电路的效率出现下降的趋 600?，归一化长度为 0.23 时，RFID 芯片输出电压 势，实部阻抗及虚部阻抗的绝对值也均呈现下降趋 达到最大值 2.615V。在所给定的电源及电压条件条 势。芯片 Q 值亦有所下降。 件下，能传入芯片的最大能量为: 2 U 结论3 S1 (5) P= = 225μWmax 8 ? R0 本文对 RFID 芯片电源恢复部分进行了研究， 通过仿真分析了不同倍压整流情况下电源恢复部 分的输入阻抗和整流效率。从仿真结果可以看出， 倍压整流结构具有一定的阻抗适配作用，可以通过 改变整流部分的倍压倍数来改变芯片输入阻抗值。 在进行芯片整流及倍压设计时，可以对匹配电路、 倍压电路以及整流电路进行综合权衡和取舍，以获 图 8 传输线匹配两倍压 RFID 芯片输出电压三维曲面 取最佳的应用效果。本文的分析对标签天线的设计 电阻消耗的功率为: 有较大参考价值，可以让天线设计工程师从芯片的 2 角度综合考虑标签天线设计问题。 U R(6) = 136.8μWP= out R 因此可以求出芯片微波整流电路的效率为: 参 考 文 献 η = = 60.8%(7) P maxPout[1] Friis H T. A note on a simple transmission formula[J]. [3] 根据微带传输线阻抗变换公式:Proc. IRE, May 1946,34(5): 254-256. R0 + jZtan β Thomas H L. The Design of CMOS Radio - [2] 0 Z =Z (8) RFID 0 Frequency Integrated Circuits ( Second Edition )[M]. lZ+ jR0 ? tan 0 Cambridge University Press, 2004 β l Z为传输线特征阻抗， β = 2π / λ ， λ 0 [3] David M P. Microwave Engineering(Third Edition)[M]. 为单Wiley, 2003. 51 [4] 陈曦, 庄奕琪, 罗宏伟, 胡净, 韩孝勇.深亚微 CMOS位波长传输线长度， l 为传输线长度。通过上式可 IC 抗噪声 ESD 保护电路的设计[J]. 微电子学，2003，33(5): 以求出两倍压芯片的输入阻抗为 2218 ? 3286i 。按 以上方法，可以计算出 4 倍压、8 倍压、16 倍压情 439~442 况下的芯片输入阻抗，如表 2 所示，仿真时其他参 熊立志 博士后，主要研究方向为 RFID 集成电路设计。 数均保持不变，倍压电路的电容取值为 5pF。