DE102007055538A1

DE102007055538A1 - Spannungsumsetzer, Verwendung eines Spannungsumsetzers sowie Verfahren zur Umsetzung einer Wechselspannung in eine Gleichspannung

Info

Publication number: DE102007055538A1
Application number: DE102007055538A
Authority: DE
Inventors: Walter Kargl; Josef Dr. Haid; Thomas Leutgeb; Albert Missoni; Thomas Jean Ludovic Baglin
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2007-11-21
Filing date: 2007-11-21
Publication date: 2009-06-04
Also published as: US8256675B2; US20090135635A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Spannungsumsetzer mit einer Gleichrichteinheit und einer Spannungsregeleinheit, wobei an den Spannungsumsetzer eingangsseitig eine Wechselspannung anlegbar ist, an dem Spannungsumsetzern ausgangsseitig eine gleichgerichtete Spannung entnehmbar ist und die Spannungsregeleinheit die Leistung des Spannungsumsetzers regelt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Spannungsumsetzer sowie eine Verwendung eines Spannungsumsetzers und ein Verfahren zur Umsetzung einer Wechselspannung in eine Gleichspannung in einem Spannungsumsetzer mit einer Gleichrichteinheit und einer Spannungsregeleinheit, wobei die Spannungsregeleinheit die Leistung des Spannungsumsetzers regelt.
In kontaktlose Chipkarten und RFID (Radio Frequency Identification) Tags wird die Energie zur Versorgung der Chipkarte bzw. des RFID Tags aus einem empfangenen elektromagnetischen Feld gewonnen. Dieses elektromagnetische Feld wird mittels einer als Spule geformten Antenne in einen elektrischen Strom, bzw. eine elektrische Spannung umgesetzt. Dazu weist die Chipkarte zumeist 2 Spulenkontakte auf, an denen die Antennenspule angeschlossen ist.
Diese Antennenspule ist in der Lage, eine von einem Kartenlesegerät ausgesendetes elektromagnetisches Feld zu empfangen. Somit ist beispielsweise eine Datenübertragung ohne direkte elektrische Verbindung zwischen einer Chipkarte oder eines RFID-Tags und einem Kartenlesegerät bzw. einer Portalschleife herstellbar. In der Spule wird diese elektromagnetische Feldstärke in einen elektrischen Strom umgesetzt.
Die in einem Chipmodul einer Chipkarte umgesetzte Leistung P ergibt sich aus dem Produkt des in der Spule induzierten Stromes und der zwischen den Spulenkontakten abfallenden Spannung.
Der induzierte Strom hängt wiederum unter anderem von der Antennengeometrie und der Feldstärke des angelegten Feldes ab. Bei einer maximalen elektromagnetischen Feldstärke, beispielsweise durch eine minimal kurze Distanz zwischen Kartenlesegerät und Chipkarte, kann der Spulenstrom als nahezu konstant angesehen werden. Darüber hinaus wird bei dieser maximalen Feldstärke ein hoher Anteil der induzierten Energie in Verlustleistung umgesetzt, da wie eingangs beschrieben, das Chipmodul mit einem konstanten Spannungswert betrieben wird. Dieses Verlustleistung wird beispielsweise in Form von Wärme in einem Spannungsumsetzer einer Chipkarte freigesetzt. Man bezeichnet diesen Vorgang auch als Eigenerwärmungseffekt (self-heating effect).
Für eine maximale Feldstärke kann der induzierte Strom als konstant für ein spezifisches Antennendesign angesehen werden. Dadurch kann davon ausgegangen werden, dass bei sehr hohen Feldstärken die Verlustleistung und damit der Eigenerwärmungseffekt linear von der Spannung zwischen den Spulenkontakten abhängt.
Dieser Eigenerwärmungseffekt muss beachtet werden, wenn man die maximale Operationstemperatur des Chips berechnet. Es ist darauf zu achten, eine fixe Arbeitspunkteinstellung der Schaltungen einzuhalten. Zusätzlich ist auch zum Schutz der Anwender darauf zu achten, dass das Chipmodul nicht überhitzt und dementsprechend zu warm an den Gehäuseoberflächen wird.
Die Erfindung betrifft daher einen Spannungsumsetzer mit einer Gleichrichteinheit, einer Spannungsregeleinheit, einem Eingang, an dem eine Wechselspannung anlegbar ist, einem Ausgang, an dem eine gleichgerichtete Spannung entnehmbar ist, wobei die Spannungsregeleinheit der Gleichrichteinheit vor- oder nachgeschaltet ist und die Spannungsregeleinheit die Leistung des Spannungsumsetzers derart regelt, dass die Verlustleistung und damit ein Maximaltemperaturwert nicht überschritten wird.
Weiterhin ist eine Verwendung eines solchen Spannungsumsetzers vorgesehen. Darüber hinaus ist auch ein Verfahren angegeben, worin eine Wechselspannung in eine Gleichspannung umgesetzt wird, wobei eingangsseitig eine Wechselspannung an einen Spannungsumsetzer angelegt wird, die Leistung im Spannungsumsetzers derart geregelt wird, dass die Verlustleistung und damit ein Maximaltemperaturwert unterschritten bleibt, die Wechselspannung vor oder nach der Leistungsregelung gleichgerichtet wird und die gleichgerichtete Spannung ausgangsseitig abgegriffen wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den untergeordneten Ansprüchen angegeben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert, wobei in den Figuren gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet werden. Die dargestellten Elemente sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß bzw. übertrieben vereinfacht dargestellt sein. Es zeigen:
1 ein Ersatzschaltbild einer Chipkarte,
2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels zur Reduzierung der Eigenerwärmung,
3 eine Weiterbildung des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels,
4 einen Stromlaufplan der in 3 aufgezeigten Weiterbildung,
5 einen Signalverlauf an wichtigen Stellen des Stromlaufplans des Ausführungsbeispiels ohne Eigenerwärmungsreduzierung,
6 einen Signalverlaufdiagramm an wichtigen Stellen des Stromlaufplans des Ausführungsbeispiels mit Eigenerwärmungsreduzierung,
7 ein alternatives Ausführungsbeispiel zur Reduzierung der Eigenerwärmung,
8 eine Weiterbildung des in 7 gezeigten Ausführungsbeispiels.
In 1 ist ein Ersatzschaltbild einer Chipkarte dargestellt. Ein Chipmodul CM ist hier durch die Parallelschaltung von zwei Ersatzkomponenten, hier einem Kondensator und einem Widerstand repräsentiert. Dieses Chipmodul ist zwischen den Spulenkontakten LA und LB angeordnet. Die Antennenspule wird elektrisch durch eine Reihenschaltung aus einer Induktivität LSpule, ihrem dazugehörigen Verlustwiderstand RSpule und der in der Spule induzierten Spannung Vind in 1 dargestellt.
Zum Betreiben des Chipmoduls wird diese induzierte Spannung in eine gleichgerichtete Spannung umgesetzt und auf einen konstanten Wert geregelt. Durch den konstanten Spannungswert wird sichergestellt, dass die Schaltungsteile des nachfolgenden Chipmoduls in einem fixen Arbeitspunkt betrieben werden. Für hohe elektromagnetische Feldstärken kann die Spulenspannung als eine sehr hohe Spannungsquelle mit Spannungen > 100 V angesehen werden kann. Die Induktivität LSpule mit dem Blindwiderstand XL und der Spulenverlustwiderstand RSpule können mehrere hundert Kiloohm betragen.
Problematisch ist hierbei, dass der Leistungsverbrauch und damit linear der Eigenerwärmungseffekt im Chip ansteigt, wenn die empfangbare elektromagnetische Feldstärke ansteigt. Temperaturen können hierbei eine Gradzahl > 100°C erreichen, welches für einen Anwender sehr gefährlich wird. Die maximal zulässige Temperatur auf bzw. in der Chipkarte setzt sich allgemein aus der Umgebungstemperatur und der Eigenerwärmung zusammen.
Ebenfalls ist es bei diesen hohen Temperaturen nicht mehr gewährleistet, dass der Chip und seine Schaltungsteile in den errechneten idealen Arbeitspunkten arbeiten. Dadurch kommt es insbesondere zu höheren Leckströmen, was wiederum zu Ineffektivitäten bis hin zum Ausfall einzelner Schalteinheiten führen kann. Dadurch ist die Funktion dieser Schaltungsteile auf der Chipkarte nicht mehr gewährleistet und/oder die Effektivität der Chipkarte verschlechtert sich.
Um die hohe Verlustleistung und damit diesen Eigenerwärmungseffekt (self-heating effect) zu unterbinden, ist es aufgrund der mathematischen und physikalischen Gesetzmäßigkeiten beispielsweise möglich, durch Reduktion der Effektivwerte der Spannungen eine verminderte Spannung gleichzurichten dementsprechend weniger Leistung im Chipmodul umzusetzen. Ebenfalls ist es möglich die Spannung zunächst gleichzurichten und anschließend zu regeln bzw. zu minimieren.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel zur Reduzierung der Verlustleistung und damit der Reduzierung der Eigenerwärmung aufgezeigt. Ein Spannungsumsetzer 1 umfasst hierbei einen Eingang, repräsentiert durch die Spulenkontakte LA und LB, an dem eine Wechselspannung anlegbar ist, eine Gleichrichteinheit 2, eine Spannungsregeleinheit 3 und einen Ausgang, an dem eine gleichgerichtete Spannung entnehmbar ist. Symbolisch dargestellt sind darüber hinaus die in 1 dargestellten Ersatzelemente, der Lastwiderstand RLast und der Ersatzkondensator CErsatz. Diese beiden Elemente dienen lediglich dem Verständnis und tragen nicht zum Kerngedanken der Erfindung bei.
An den beiden Spulenkontakten LA und LB wird nun die Wechselspannung U induziert angelegt bzw. durch die Spule L, die in diesem Ausführungsbeispiel nicht dargestellt ist, wird eine Feldstärke in eine Wechselspannung umgesetzt und an den Spulenkontakten LA und LB bereitgestellt. Der erste Spulenkontakt LA ist mit einem ersten Anschluss des Ersatzkondensator CErsatz verbunden. Der zweite Anschluss des Ersatzkondensators CErsatz ist wiederum mit dem zweiten Spulenkontakt LB verbunden. Parallel zum Kondensator CErsatz ist die Spannungsregeleinheit 3, die Gleichrichteinheit 2 und der Lastwiderstand RLast geschaltet.
Die Spannungsregeleinheit 3 sorgt nun dafür, dass beispielsweise ein Spannungswert nicht überschritten wird. Mit den eingangs erwähnten Zusammenhängen aus Selbsterwärmungseffekt und Spannung lässt sich bei Reduzierung der Spannung auf einen bestimmten Wert eine Verlustleistung minimieren und eine zu hohe Eigenerwärmung verhindern bzw. ein Maximalwert der Temperatur nicht überschreiten. Parallel zur Spannungsregeleinheit 3 ist die Gleichrichteinheit 2 geschaltet. Diese Gleichrichteinheit 2 richtet die angelegte Wechselspannung in eine gleichgerichtete Spannung gleich. Ausgangsseitig des Gleichrichters, der Gleichrichteinheit, ist die Gleichspannung VDDRF erhalten. Diese Gleichspannung wird nun einer dem Spannungsumsetzer folgenden Schalteinheit, hier repräsentativ durch den Lastwiderstand RLast dargestellt, zur Verfügung gestellt.
Wird nun eingangsseitig eine Wechselspannung an die Spulenkontakte LA und LB angelegt, wird diese zunächst in der Spannungsregeleinheit 3 auf einen konstanten Spannungswert geregelt. Die Spannungsregeleinheit umfasst zumindest einen Shunt-Regulator und eine Spannungsbegrenzungseinheit. Damit wird sichergestellt, dass das nachgeschaltete Chipmodul, dargestellt durch den Lastwiderstand RLast, mit einer konstanten Betriebsspannung betrieben wird. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass zu keinem Zeitpunkt der Leistungsregelung und der resultierenden Verlustleistungsminimierung die nachgeschalteten Einheiten des Chipmoduls, bzw. das nachgeschaltete Chipmodul in ihrer Funktion eingeschränkt werden. Zusätzlich wird die Verlustleistung des Spannungsumsetzers derart geregelt, dass eine bestimmte Maximaltemperaturwert des Chipmoduls nicht überschritten wird. Mit Maximaltemperaturwert wird zum einen derjenige Temperaturwert verstanden, bei dem die Effizienz des Chipmoduls einen bestimmten Wert, beispielsweise 90% nicht unterschreitet und die Schaltungsteile in einem optimalen Arbeitspunkt arbeiten. Zum anderen wird mit Maximaltemperaturwert diejenige Temperatur des Chipkartengehäuses verstanden, bei der ein Anwender oder Benutzer der Chipkarte Verletzungen durch Verbrennungen bei Berührung der Chipkarte von sich trägt.
Die Gleichrichteinheit 2 wiederum setzt die Wechselspannung in eine gleichgerichtete Spannung um, welche wiederum ausgangsseitig abgreifbar bzw. entnehmbar ist.
In einem nicht dargestellten alternativen Ausführungsbeispiel wird die Wechselspannung zunächst durch die Gleichrichteinheit 2 in eine gleichgerichtete Spannung umgesetzt und anschließend die Verlustleistung der gleichgerichteten Spannung minimiert.
In 3 ist eine Weiterbildung des in 2 dargestellten Ausführungsbeispiels aufgezeigt. Im Folgenden wird nur der Unterschied zwischen 2 und 3 beschrieben. Im Unterschied zu 2 ist in 3 eine zweite Schalteinheit 6 der Spannungsregeleinheit 3 parallel angeordnet und geschalten. Die zweite Schalteinheit 6 weist vorzugsweise zusätzlich ein Steuersignal 7 auf.
Die zweite Schalteinheit 6 weist zumindest zwei Schaltzustände auf. Im ersten Schaltzustand der zweiten Schalteinheit 6 wird der Eingang LA, LB nicht kurzgeschlossen. In einem zweiten Schaltzustand der zweiten Schalteinheit 6 wird der Eingang kurzgeschlossen. Dieses Kurzschließen erfolgt kurzzeitig. Mit kurzzeitig wird hier verstanden, dass der Eingang für ca. die Hälfte der Periodendauer der angelegten Wechselspannung kurzgeschlossen wird. Dadurch wird der Effektivwert der Wechselspannung verringert und ein geringerer Teil der Energie der angelegten Wechselspannung in eine gleichgerichtete Spannung umgesetzt.
Typischerweise erfolgt eine Datenübertragung zwischen einem Kartenlesegerät und einer Chipkarte bei einer Frequenz von 13,56 MHz, was einer Periodendauer von ca. 73,75 ns entspricht. Wird nun die zweite Schalteinheit in der doppelten Frequenz im zweiten Schaltzustand betrieben, wird zumindest eine Halbwelle der angelegten Wechselspannung überbrückt. Die daraus resultierende Frequenz beträgt dann 27,12 MHz oder respektive die Periodendauer 36,87 ns. Andere Datenübertragungsfrequenzen und dementsprechend andere Kurzschließdauern sind hierbei ebenfalls denkbar.
In der Zeit, in der der Eingang kurzgeschlossenen ist, ist die Leistungsaufnahme des Chipmoduls ca. null Watt, das Chipmodul wird in dieser Zeit lediglich durch eine interne Kapazität weiter mit Spannung versorgt. Diese Kapazität ist vorzugsweise die Gesamtparasitärkapazität der Schaltung sein, oder ein speziell vorgesehener Stützkondensator. Durch dieses Kurzschließen wird grundlegend die Operation der Chipkarte bzw. des RFID-Tags nicht beeinflusst und/oder beeinträchtigt.
In alternativer Weise wird kein zusätzlicher Platz in der Schaltungsanordnung benötigt, da ein eventueller Schalter möglicherweise im Shunt-Regulator, oder allgemein der Spannungsregeleinheit vorhanden ist. In den meisten Chipkartenmodulen ist darüber hinaus ein bereits ein Eingangskurzschlussschalter innerhalb der Spannungsregeleinheit 3 vorhanden, der dann als zweite Schalteinheit genutzt wird.
Die zweite Schalteinheit 6 wird in bevorzugter Weise mittels eines Steuersignals 7 angesteuert. Dieses Steuersignal 7 schaltet in einem ersten Steuerzustand den ersten Schaltzustand der zweiten Schalteinheit 6 und in einem zweiten Steu erzustand den zweiten Schaltzustand der Schalteinheit 6. Dadurch ist es möglich, mittels beispielsweise eines Transistors, der einen Steuereingang aufweist, auf kostengünstige Weise eine solche zweite Schalteinheit 6 zu realisieren.
Die zweite Schalteinheit 6 wird vorzugsweise durch ein Aktivierungssignal 9 aktiviert. Dieses Aktivierungssignal 9 dient idealerweise dazu, den Eigenerwärmungsschutz aktiv oder generell nicht aktiv zu schalten. Dieses Aktivierungssignal 9 kann dabei durch unterschiedlichste Quellen generiert sein. Beispielsweise kann das Aktivierungssignal 9 ein so genanntes Alarmsignal sein, wenn innerhalb des Chipmoduls CM festgestellt wird, dass eine bestimmte Überspannung oder eine erhöhte Eigenerwärmung vorhanden ist. Signalisiert das Alarmsignal einen Alarm, sprich, wird eine erhöhte Verlustleistung bzw. Eigenerwärmung im Chipmodul CM oder der Chipkarte festgestellt, so wird die zweite Schalteinheit 6 aktiviert. Mit dieser Aktivierung ist die zweite Schalteinheit 6 in der Lage, in die beiden beschriebenen Schaltzustände geschaltet zu werden.
In einem anderen Beispiel ist dieses Aktivierungssignal 9 über eine Software generiert. Beispielsweise kann durch eine Applikation, die innerhalb des Chipmoduls CM aktiv ist, erkannt werden, ob eine Chipkarte sich in einem Resetmodus, in einem bidirektionalen Datenübertragungsmodus oder in einem Empfangsbereitmodus befindet. Abhängig von diesen Betriebsmodi des Chipmoduls CM wird das Steuersignal 7 derart ausgestaltet, dass es den Schaltzustand der zweiten Schalteinheit 6 wechselt. Da ein erhöhter Leistungsbedarf besteht, wenn die Schaltung sich beispielsweise in einem bidirektionalen Datenübertragungsmodus befindet, ist es möglich den Eigenerwärmungsschutz nicht zu aktivieren, um eine konstante und siche re Datenübertragung zu gewährleisten. Ist das Chipmodul CM hingegen nur in einem Empfangsbereitmodus (listening mode), reicht eine niedrigerer Effektivwert aus, um die gewünschte Operation des Chipmoduls CM zu gewährleisten. Durch Aktivieren des Eigenerwärmungsschutzes und die resultierende Reduzierung des Effektivwerts der Spannung wird die Verlustleistung und damit die Eigenerwärmung reduziert.
Weiterhin ist es möglich, einen Temperatursensor im Chipmodul CM, auf der Chipkarte allgemein oder dem RFID-Tag zu implementieren. Ein Alarmsignal, generiert durch den Temperatursensor oder eine Feldstärkemessung oder eine Stromüberhöhungsmessung, kann dieses Aktivierungssignal sein.
In 4 ist ein vereinfachter Stromlaufplan des in 3 dargestellten Blockschaltbilds des Ausführungsbeispiels aufgezeigt. Die Elemente der 3 sind in 4 gestrichelt dargestellt. Parallel zum Ersatzkondensator CErsatz ist wiederum die Spannungsregeleinheit 3 geschaltet. Die Gleichrichteinheit 2 ist in 4 als Transistorschaltung aufgebaut. Die Feldeffekttransistoren NMOS1, NMOS2, NMOS3 und NMOS4 werden vorzugsweise als Dioden betrieben. Das Ersatzschaltbild der in 4 dargestellten Gleichrichteinheit 2 ist der klassische Brückengleichrichter. Auf eine detaillierte Beschreibung eines Brückengleichrichters wird an dieser Stelle verzichtet und auf die entsprechende Literatur verwiesen.
Am Source-Ausgang des NMOS3, der mit dem Drain-Anschluss des NMOS4 verbunden ist, wird das Bezugspotenzial VSS definiert. Am Source-Ausgang des NMOS2, wiederum gekoppelt mit dem Drain-Anschluss des NMOS1-Transistors, wird die Gleichspannung VDDRF definiert. Zwischen VDDRF und VSS befindet sich wieder der Lastwiderstand RLast, der repräsentativ für folgende Schaltungsteile des Chipmoduls CM dargestellt ist.
Entsprechende Spannung-Zeit Verläufe sind aus den 5 und 6 entnehmbar. Zwischen dem Drain-Anschluss des NMOS1 und dem Source-Anschluss des NMOS2 befindet sich die zweite Schalteinheit 6. Die zweite Schalteinheit 6 ist durch das Steuersignal 7 mit der der dritten Schalteinheit 8 verbunden. Die dritte Schalteinheit 8 weist einen Eingang und einen Ausgang auf. Der Eingang ist das Aktivierungssignal 9, mit welchem die zweite Schalteinheit aktiv oder nicht aktiv schaltbar ist. Der Ausgang der dritte Schalteinheit 8 ist mit der zweiten Schalteinheit 6 verbunden und stellt das Steuersignal 7 dar. Zusätzlich ist die dritte Schalteinheit 8 mit dem Bezugspotenzial VSS und dem erste Spulenkontakt LA verbunden.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der Schaltung mit Bezugnahme auf 5 und 6 erklärt. An die Spulenkontakte LA und LB wird eine Wechselspannung einer bestimmten Frequenz angelegt. Die Wechselspannung wird nun mittels ihrer zwei Halbwellen betrachtet, wobei die positive Halbwelle die erste Halbwelle, die negative Halbwelle die zweite Halbwelle der Wechselspannung ist.
Die zweite Schalteinheit 6 dient nunmehr dazu, die zwei Spulenkontakte LA und LB zu kurzzuschließen oder nicht kurzzuschließen. Die dritte Schalteinheit 8 stellt das Steuersignal 7 für die zweite Schalteinheit 6 bereit. Abhängig vom Aktivierungssignal 9 wird die dritte Schalteinheit 8 entweder mit Bezugspotenzial VSS oder dem ersten Spulenkontakt LA verbunden. Die Herkunft des Aktivierungssignals wurde ausführlich in der Figurenbeschreibung zu 3 erklärt. Abhängig vom Zustand des Steuersignal 7 der dritten Schalteinheit 8 wird der Gate Anschluß des innerhalb der zweiten Schalteinheit 6 befindlichen Transistors NMOS5 mit Potenzial LA bzw. Bezugspotenzial VSS gekoppelt. Dieser Transistor NMOS5 wird im Folgenden als Schalttransistor bezeichnet und besitzt Idealerweise die Aufgabe, die Spulenkontakte LA und LB in einem ersten Schaltzustand nicht kurzzeitig kurzzuschließen und in einem zweiten Schaltzustand kurzzuschließen.
In 4 ist das NMOS5-Gate mit dem ersten Spulenkontakt LA verbunden. In dieser Verschaltung ist der Eigenerwärmungsschutz aktiviert, wodurch die positive Halbwelle der anlegbaren Wechselspannung durch den Transistor NMOS5 ständig überbrückt und auf Bezugspotenzial VSS gelegt wird. Ein entsprechender Signalverlauf ist aus 6, dem Verlauf der Spannung zwischen LA und LB ersichtlich. Die positive Halbwelle der anlegbaren Wechselspannung wird quasi durch die zweite Schalteinheit 6 auf Bezugspotenzial VSS gezwungen.
In einer nicht dargestellten Variante der 4 befindet sich das Gate von NMOS-Transistor 5 auf Bezugspotenzial VSS. Respektive gelten nun die in 5 dargestellten Signalverläufe. Wie ersichtlich, ist der Spannungsverlauf an den Spulenkontakten LA und LB der einer normalen Sinusspannung, die positive Halbwelle ist hiernach voll durchgeschaltet. Dies bedeutet, dass der Eigenerwärmungsschutz deaktiviert ist und das Aktivierungssignal 9 im nicht aktiven Zustand ist. In einem solchen Betrieb ist es durch die höhere Spannung möglich, eine sichere Datenübertragung zu gewährleisten.
In 5 sind vier Spannungsverläufe der Schaltung nach 4 dargestellt. Die Signalverläufe werden erreicht, wenn das Gate des Schalttransistors NMOS5 auf Bezugspotenzial VSS gelegt wird. Dies wird erreicht, indem die dritte Schaltein heit 8 über das Steuersignal 7 auf Bezugspotenzial VSS geschaltet wird. Der Spannungsverlauf zwischen den Spulenkontakten LA und LB gleicht einer angelegten Wechselspannung, beispielsweise einer Sinusspannung. Die Spannung LA-VSS und LB-VSS werden durch die Transistoren NMOS3 und NMOS4 erreicht. Hierbei wird abhängig von der jeweiligen positiven oder negativen Halbwellen der Wechselspannung das Bezugspotenzial VSS zugeschaltet. Die pulsierende Gleichspannung VDDRF – VSS ist in dem vierten Signalverlauf dargestellt. Es ist klar zu erkennen, dass sich ein nicht dargestellter Koppelkondensator auf die Spitzenspannung von LA–LB auflädt und bis zum Auftreten der gleichgerichteten negativen Halbwelle leicht entlädt und erst durch die zweite negative Halbwelle wieder aufgeladen wird. Die Schaltung arbeitet demnach wie ein Gleichrichter und hat einen relativ hohen Effektivwert.
Wird nun der Schalttransistor NMOS5 durch das Aktivierungssignal 9 mit dem erste Spulenkontakt LA verbunden, werden die in 6 dargestellten Signalverläufe erreicht. Wie in der Figurenbeschreibung der 4 erwähnt, wird hier die positive Halbwelle der angelegten Wechselspannung unterdrückt, wodurch der Effektivwert der gesamten angelegten Wechselspannung reduziert wird und ein vermindertes VDDRF resultierend anliegt. Die Unterdrückung der positiven Halbwelle wird hierbei nicht vollständig erreicht, da entweder eine Parasitärkapazität oder eine Stützkapazität das Chipmodul weiterhin mit Spannung versorgt. Durch die Unterdrückung der positiven Halbwelle verschiebt sich der Spannungsverlauf von Lb–Vss. Dies ist durch einfache arithmetische Zusammenhänge bei der Betrachtung der Spannungen zu erklären, worauf hier nicht näher eingegangen wird.
In 7 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel angegeben, indem ein Spannungsumsetzer die Verlustleistung und damit die Eigenerwärmung eines Chipmoduls verringert. Im Folgenden wird lediglich der Unterschied zu 2 aufgezeigt. Im Unterschied zu 2 ist in 7 eine Spannungsbegrenzungseinheit 4 aufgezeigt, die mit der Spannungsregeleinheit 3 verbunden ist. Die Spannungsbegrenzungseinheit 4 weist wiederum Einheiten auf, mit denen der ein Referenzspannungswert für die Spannungsregeleinheit 3 voreinstellbar ist. In bevorzugter Weise wird die Spannungsbegrenzungseinheit 4 mittels eines Steuersignals 7 gesteuert.
Das Steuersignal 7 ist hierbei in ähnlicher Weise generiert, wie bereits in Figurenbeschreibung 3 erläutert. Die Referenzspannungswerte stellen den Maximalspannungswert der Spannungsregeleinheit 3 ein, auf die die Spannungsregeleinheit 3 die anlegbare Wechselspannung regelt. Wird ein erster Referenzspannungswert V1 an die Spannungsregeleinheit 3 geschaltet, befindet sich das Chipmodul CM in einem ersten Betriebsmodus, in welchem die Verlustleistung und damit die Eigenerwärmung gering ist. Wird durch das Steuersignal 7 ein zweiter Referenzspannungswert V2 an die Spannungsregeleinheit geschalten, wobei V2 größer ist als V1, befindet sich das Chipmodul CM in einem zweiten Betriebsmodus, wo die Eigenerwärmung entsprechend höher ist.
Im ersten Betriebsmodus des Chipmoduls CM ist beispielsweise ein Empfangsmodus (Listening Mode) aktiviert, währenddessen im zweiten Betriebsmodus des Chipmoduls CM ein Datenübertragungsmodus eingestellt ist. Es ist vorteilhaft, das Steuersignal 7 mit einer Zeitverzögerung, wodurch zunächst ein zweiter Referenzspannungswert V2 der Spannungsregeleinheit 3 zugeführt ist und nach Ablauf einer bestimmten Zeitdauer T der Referenzspannungswert V1 zugeführt ist.
Mit dem höheren Wert der Spannung V2 ist eine sichere Datenübertragung möglich. Mit einer niedrigeren Spannung V1 eine geringere Eigenerwärmung zu erwarten.
Alternativ kann ein kontinuierlich verstellbarer Spannungswert an die Spannungsregeleinheit 3 geschalten sein. Dieser kontinuierlich verstellbare Spannungswert wird entsprechend der entstehenden Verlustleistung und somit der entstehenden Eigenerwärmung eingestellt. Die Einstellung erfolgt entweder in der Spannungsbegrenzungseinheit 4 oder durch das Steuersignal 7.
Ebenfalls ist in einem alternativen Ausführungsbeispiels erst nach der Gleichrichtung der Wechselspannung durch die Gleichrichteinheit 4 in eine gleichgerichtete Gleichspannung die Regelung der Leistung und somit die Minimierung der Verlustleistung vorgesehen.
In 8 ist eine detailliertere Beschreibung des in 7 dargestellten Ausführungsbeispiels aufgezeigt. Die Spannungsbegrenzungseinheit 4 beinhaltet hierin eine erste Schalteinheit 5 sowie zwei Referenzspannungsquellen V1 und V2. Die Referenzspannungsquellen V1 und V2 sind mit der ersten Schalteinheit 5 verbunden. Die erste Schalteinheit 5 weist zusätzlich einen Eingang auf, an dem das Steuersignal 7 anlegbar ist. Abhängig vom Steuersignal 7 wird ein erster Schaltzustand den ersten Referenzspannungswert V1 an die Spannungsregeleinheit 3 anlegen, währenddessen ein invertiertes Steuersignal 7 den Referenzspannungswert V2 an die Span nungsregeleinheit 3 schaltet. Die Herkunft des Steuersignals 7 ist hinreichend in der Figurenbeschreibung 3 aufgezeigt.
Weiterhin ist vorgesehen, den Spannungsumsetzer in einer Chipkarte zu implementieren. Darüber hinaus ist an den Spuleneingängen LA und LB eine Spule, mit einer Induktivität L ankoppelbar, welche aus einem elektromagnetischen Feld einen elektrischen Strom erzeugt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die erste, die zweite und die dritte Schalteinheit jeweils einen einzigen Transistor auf, der als Schalttransistor arbeitet. Diese Schalttransistoren sind möglicherweise in einem Shunt-Regulator, der auch als Spannungsregeleinheit anzusehen ist, bereits implementiert, wodurch kein zusätzlicher Platz innerhalb der Schaltungsanordnung benötigt wird.
Der Spannungsumsetzer ist nicht auf eine Anwendung im Chipkartenbereich beschränkt.
Dadurch, dass in der Anmeldung von einem nahezu konstanten Strom ausgegangen wird, ist die Verlustleistung und somit die Eigenerwärmung über die Spannung regelbar.

1: Spannungsumsetzer
2: Gleichrichteinheit
3: Spannungsregeleinheit
4: Spannungsbegrenzungseinheit
5: erste Schalteinheit
6: zweite Schalteinheit
7: Steuersignal
8: dritte Schalteinheit
9: Aktivierungssignal
C_Ersatz: Ersatzkapazität
CC: Ersatzschaltkreis Chipkarte
L_A: 1. Spulenkontakt
L_B: 2. Spulenkontakt
L_Spule: Spuleninduktivität
NMOS1: Gleichrichttransistor, NMOSFET 1
NMOS2: Gleichrichttransistor, NMOSFET 2
NMOS3: Gleichrichttransistor, NMOSFET 3
NMOS4: Gleichrichttransistor, NMOSFET 4
NMOS5: Schalttransistor, NMOSFET
R_Last: Ersatzlastwiderstand
R_Spule: Spulenverlustwiderstand
V1: Erste Referenzspannung
V2: Zweite Referenzspannung
VDDRF: Gleichspannung,
VSS,: 0 V Bezugspotential, Masse

Claims

Spannungsumsetzer (1) mit – einer Gleichrichteinheit (2), – einer Spannungsregeleinheit (3), – einem Eingang (LA, LB), an dem eine Wechselspannung anlegbar ist, – einem Ausgang, an dem eine gleichgerichtete Spannung entnehmbar ist, wobei: – die Spannungsregeleinheit (3) der Gleichrichteinheit (4) vor- oder nachgeschaltet ist und – die Spannungsregeleinheit (3) die Leistung des Spannungsumsetzers (1) derart regelt, dass die Verlustleistung minimiert wird.
Ein Spannungsumsetzer (1) nach Anspruch 1, wobei die Spannungsregeleinheit (3) eine Spannungsbegrenzungseinheit (4) aufweist.
Ein Spannungsumsetzer (1) nach Anspruch 2, wobei in der Spannungsbegrenzungseinheit (4) zumindest zwei unterschiedliche Spannungswerte (V1, V2) einstellbar sind.
Ein Spannungsumsetzer (1) nach Anspruch 2, wobei in der Spannungsbegrenzungseinheit (4) ein kontinuierlich verstellbarer Spannungswert einstellbar ist.
Ein Spannungsumsetzer (1) nach Anspruch 3, wobei – die Spannungsbegrenzungseinheit (4) eine erste Schalteinheit (5) aufweist, – die erste Schalteinheit (5) zumindest zwei Schaltzustände aufweist, – die erste Schalteinheit (5) in einem ersten Schaltzustand einen ersten Spannungswert (V1) an die Spannungsregeleinheit (3) und – die erste Schalteinheit (5) in einem zweiten Schaltzustand einen zweiten Spannungswert (V2) an die Spannungsregeleinheit (3) schaltet.
Ein Spannungsumsetzer (1) nach Anspruch 5, wobei die erste Schalteinheit (5) die Schaltzustände mittels eines Steuersignals (7) wechselt.
Ein Spannungsumsetzer (1) nach Anspruch 1 bis 6, wobei – eine zweite Schalteinheit (6) parallel zur Spannungsregeleinheit (3) angeordnet ist, – die zweite Schalteinheit (6) zumindest zwei Schaltzustände aufweist, – die zweite Schalteinheit (6) in einem ersten Schaltzustand den Eingang (LA, LB) nicht kurzschließt und – die zweite Schalteinheit (6) in einem zweiten Schaltzustand den Eingang (LA, LB) kurzschließt.
Ein Spannungsumsetzer (1) nach Anspruch 7, wobei die zweite Schalteinheit (6) die Schaltzustände mittels eines Steuersignals (7) wechselt.
Ein Spannungsumsetzer (1) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die zweite Schalteinheit (6) mittels eines Aktivierungssignals (9) in einem ersten Steuerzustand des Aktivierungssignals (9) aktiv und in einem zweiten Steuerzustand des Aktivierungssignals (9) nicht aktiv schaltbar ist.
Ein Spannungsumsetzer (1) nach Anspruch 7 bis 9, wobei die zweite Schalteinheit (6) ein Transistor (NMOS5) ist.
Ein Spannungsumsetzer (1) nach Anspruch 7 bis 10, wobei die zweite Schalteinheit (6) für die Hälfte der Periodendauer der angelegten Wechselspannung im zweiten Schaltzustand verbleibt.
Ein Spannungsumsetzer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Gleichrichteinheit (2) ein Brückengleichrichter ist und die Dioden des Brückengleichrichters durch Transistoren (NMOS1, NMOS2, NMOS3, NMOS4) realisiert sind.
Ein Spannungsumsetzer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die eingangsseitig anlegbare Wechselspannung aus einem elektromagnetischen Feld mittels einer Spule erzeugt ist.
Ein Spannungsumsetzer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die ausgangsseitig entnehmbare Gleichspannung zum Betreiben einer kontaktlosen Chipkarte mit einem Chipmodul (CM) dient.
Ein Spannungsumsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Funktionalität von dem Spannungsumsetzer (1) nachgeschalteten Einheiten nicht verändert wird.
Verwendung eines Spannungsumsetzer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 in einem Chipmodul (CM) einer kontaktlosen Chipkarte, wobei ein induzierter Strom durch die Geometrie der Chipkartenantenne einem empfangenen elektromagnetischem Feld direkt proportional ist.
Verfahren zur Umsetzen einer Wechselspannung in eine Gleichspannung in einem Spannungsumsetzer, wobei: – eingangsseitig eine Wechselspannung an den Spannungsumsetzer angelegt wird, – die Leistung im Spannungsumsetzers derart geregelt wird, dass die Verlustleistung minimiert wird, – die Wechselspannung vor oder nach der Leistungsregelung gleichgerichtet wird und – die gleichgerichtete Spannung ausgangsseitig abgegriffen wird.
Ein Verfahren nach Anspruch 17, wobei zur Regelung der Wechselspannung ein erstes Schaltsignal generiert wird und wobei durch das erste Schaltsignal in einem ersten Schaltzustand ein erster Spannungswert zur Regelung geschaltet wird und in einem zweiten Schaltzustand ein zweiter Spannungswert zur Regelung geschaltet wird.
Ein Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei zur Regelung der Wechselspannung ein zweites Schaltsignal generiert wird und wobei durch einen ersten Schaltzustand des zweiten Schaltsignals der Eingang nicht überbrückt wird und durch einen zweiten Schaltzustand des zweiten Schaltsignals der Eingang zumindest kurzzeitig überbrückt wird.
Ein Verfahren nach Anspruch 19, wobei durch den zweiten Schaltzustand des zweiten Schaltsignals für die Hälfte der Periodendauer der Wechselspannung der Eingang überbrückt wird.
Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei die Wechselspannung mittels Brückengleichrichtschaltung gleichgerichtet wird und diese Brückengleichrichtschaltung mittels Transistoren realisiert wird.