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一种应用于射频卡的集成稳压电路的设计

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发表于 2019-8-30 11:43 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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一种应用于射频卡的集成稳压电路的设计

( N; {+ J/ A3 |# G% |, N$ F9 D
- _5 |5 g. D+ F4 {$ N: f; f. W
) U7 a* i" |, X% a5 J4 p9 X摘要:本文讨论一种采用0.35um CMOS工艺专为射频卡设计的自反馈开关式稳压电路。
2 V0 @% L3 _" m
- G$ t: S0 A" C1 P* F1 x" Q关键词:射频卡[50篇] 阅读器[26篇] 13.56MHz[7篇] / F- A) w! O" k/ S) L" ?! j9 c( M' v

$ a! C3 G. N. M" s1 f1. 引言
/ r5 m: ], V4 Q# j( c
( ^) ?6 S8 W2 d' i( m9 |7 g- g- s近年来,随着无线通信技术,微电子技术的发展,非接触式IC卡(射频卡)技术蓬勃发展,并在众多领域里得到了迅速的普及和推广,如公交自动售票系统、居民身份证卡、电话卡、银行卡等。无源供电技术是射频卡的关键技术之一,目前主要是通过电磁感应原理和集成稳压电路来解决的。当射频卡进入阅读器磁场时,通过电磁感应从磁场中获得能量,即在卡的线圈两端感应出交流电流,经过整流稳压后可得到直流电压。本文讨论一种采用0.35um CMOS工艺专为射频卡设计的自反馈开关式稳压电路。
/ f: k% L' Q8 M; _$ s+ S: _' Z8 j0 a$ Z, E" _
2. 稳压电路的结构设计和工作原理
+ Q& z) f  V# y; }- w5 H# `: }
0 c! _' j* X( R! S! Y集成稳压电路也称集成电压调整器,当输入电压或输出电流在一定范围内变化时,其输出电压保持不变。它已被广泛应用于各种电子设备中,以取代分立器件组装的稳压电源。
  x5 V: |' N6 z+ j8 j3 o! P( k1 E1 h. ^6 o
2.1 电路结构设计 ; {2 \, E, X/ O3 k# g" v! L" {& C
0 {5 e- A% z" ~% x
该集成稳压电路主要包括以下几个部分:基准源电路,电压调节电路和电源开关电路。
0 i! i' ]3 Q3 J: [
: A, p) @/ D8 z  E6 \基准源电路由二级CMOS差分放大电路和晶体管电路构成的能隙基准源组成。其结构如图1。 8 p/ N/ H: n. D# Y' @( S, k
+ [- W/ @2 l, I/ ?* z) W
8 ~* w- y& j  X, _' D3 Q# M! i
有源电阻P0和多晶电阻R7组成偏置电路,为电路提供偏置电流。二级差分放大器的两个输入连接在Q1端和Q2端,由基准源原理可知只有放大电路的输入失调电压很小,并且不受温度的影响时,基准源的输出才可以保持好的性能。根据放大器的作用和能隙基准源原理可得:
( @5 Q8 L1 z3 a5 o# O5 @5 M( J( c0 J
I1R6=I2R4 (1)
' y+ ~( ]5 `! J) J  x) s
, G8 Y/ j1 }' N6 `: x3 |5 O由(1)式可知电路中放大器的输入失调电压接近为零。故稳定后REF点的电压值为下式: 9 c' F  I9 Y4 N1 `& f/ V

# K) L# c6 A0 B) JVREF=VQ1+VR6=VQ1+R6I1= VQ1+R4I2 (2)
- x8 O: L8 G5 ?1 w& X6 j# |
% P9 `8 l! _# m# L5 [' ?0 Q3 Z# n  V4 m因PNP晶体管的基极和集电极相连,故VQ1值相当于晶体管中BE结二极管的正向压降VBE 值,VBE一般为0.6~0.8V。 7 i/ h9 {; t$ P, C
7 T! r/ [  _7 u! K) c# N
晶体管中BE结二极管的温度系数为负,而电阻的温度系数为正,在(2)式中VQ1和VR6随温度的变化可以相互补偿,故该基准源的输出VREF对温度变化不敏感。 1 |% m2 f! e3 ^/ o

* E0 y, Z# l& P" t电压调节电路是稳压电路中的核心部分,包括两个一级CMOS差分放大电路COMP和电压调节及反馈电路,如图2。
5 Y1 [8 T7 k% N7 b! U
5 F  f$ y- M5 F/ ~) o7 S9 q" S
# p! t. l) H! c5 r& k
两个差分放大器的输入由分压电阻得到,比较放大后经反馈调节和限流保护电路得到MA1和MB1以来控制电源开关电路中开关管的开启和截止。
( M" E- g, ]0 p7 Z. k  _# `- y9 p7 I# a! }' w* ]
电源开关电路由储能电容,NMOS管构成的整流器及开关电路组成,如图3。P1,P2直接连到线圈L0的两端,通过电磁耦合在P1,P2上感应出交流电,经整流后在储能电容C0端产生直流电压VDD。调压电容C5在N2管导通后构成放电回路使P1,P2上的电流开始对C5充电而停止对C0充电,使C0两端电压保持稳定,即为负载电路提供稳定的电源电压。
0 n- E# o2 b/ q
6 @* l" a! _; I. I% q  t
. E  V6 ^. X1 r( Z0 d( c4 ?
2.2 工作原理: 1 z# v" w8 C8 ?7 c% E8 m
# \; d9 f, o3 K, Y# R1 R
射频卡进入阅读器的磁场时,经线圈电磁耦合后在P1,P2上产生交流感应电流,通过整流器转换成直流电流,同时对储能电容C0和电压调节电容C5进行充电。C5电容很小,通过整流器的电流瞬间可将其充满,由于N2管截止在C5两边没有放电回路,故P1,P2上的电流将只对电容C0充电,C0两端产生电源电压VDD,VDD随着电容充电过程而不断升高。整流器中有源电阻和二极管的作用使得P1,P2两端的电压幅值上升,导致a点的电位也随之上升;同时,电压采样电路的输出也随着VDD的升高而升高。当VDD电压值达到V0时(见图4),采样输出电压都大于基准电压VREF,此时电压调节电路中输出MA1,MB1的电压值能够使N1,N2这两个管子先后开启。因N2管源端接地,N2管导通后a上的电压开始降低,使得P1,P2再次对C5进行充电。由于N2管一直处于导通状态,故C5也同时开始放电,此后C5和N2管一直处于一边充电一边放电的状态,且a点电压在一定的范围内振荡。C5的充放电通过反馈使得P1、P2上电压峰值保持在一定的电位上,也不再对电容C0继续充电,故C0两端的电压差保持稳定。此时得到的VDD就是我们所需要的工作电压。射频卡正常工作时由于负载电路的消耗,储能电容C0上的电压会随之下降,当VDD值小于V0值时N2管将截止,C5电容没放电回路,P1,P2对C5充电充满后,将对C0继续充电使C0两端的压差增大,即VDD上升。这样电路中就形成了一个自反馈的稳压电源。 + o* j4 P6 f# K7 E7 Z
6 l2 C0 \/ E, p3 m# J
3. 模拟结果
7 A  C  B# ?$ l' L( m
; Q  {+ }7 f4 v: I+ R6 F9 T在射频卡正常工作环境中,卡和阅读器的耦合系数很小一般为0.1~0.35左右,阅读器信号电压一般为12V。仿真验证中,加12V、13.56MHz的测试激励以在电感L0上得到感应电流。采用0.35um的SPICE模型,耦合系数设为0.25,得到VDD稳定电压为3.35V,Hspice仿真结果见图4:   V! g# q2 `, w+ T& W

/ S- x/ ]5 B9 }$ j2 O% |$ H6 }

7 m1 R3 t% N" }1 t- w" {4. 结论 0 j, z2 i/ g& F
% f6 O* p: g% ]
通过上述的设计和仿真分析,可知此稳压电路可在短时间内获得稳定电压,并可自动调整;多目标流片测试结果基本与仿真结果一致亦达到设计要求,故具有较好的实用性和参考价值。
2 l: ]8 q/ v# ?; I/ K& m/ m! R: Y+ c( W- r

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2#
发表于 2019-8-30 18:19 | 只看该作者
看看楼主说的方案。

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3#
发表于 2019-11-18 11:16 | 只看该作者
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