JP2014531643A - 通信距離を向上させるチャージポンプ回路 - Google Patents

Abstract

トランスポンダの通信距離を向上させるシステム及び方法。このトランスポンダは、問合せ信号からエネルギーを受信するアンテナと、アンテナと接続して同調回路を形成する共振コンデンサと、同調回路から取り出された電圧を増幅（昇圧）させるチャージポンプ回路と、チャージポンプ回路によって増幅された電圧を蓄積する蓄積コンデンサとを備える。

Description

本発明は、一般に、通信システムにおいて、通信するための回路、装置、システム、及び方法に関する。

近年、ＲＦＩＤ（無線自動識別）技術が数多くの用途で広く使用されている。ＲＦＩＤ技術は、様々な周波数で実施されている。極超短波（ＵＨＦ）は、８６８ＭＨｚ、９１５ＭＨｚ、２．４５ＧＨｚ、及び５．８ＧＨｚで実施される。短波（ＨＦ）技術は、１３．５６ＭＨｚで実施される。長波（ＬＦ）技術は、約１００ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚで実施される。長波ＲＦＩＤで、最も広く採用されているＲＦＩＤ規格は、全二重システム（ＦＤＸ，full-duplex system）及び半二重システム（ＨＤＸ，half-duplex system）である。

従来のＨＤＸシステムは、少なくとも１つのＲＦＩＤリーダと、１つのＲＦＩＤトランスポンダとを備える。トランスポンダの大部分は「受動通信装置」であり、バッテリを必要としない。トランスポンダは、付近のＲＦＩＤリーダから発せられたエネルギーを十分受信すると、そのトランスポンダ自体が起動する。こうしたトランスポンダの利点は、装置サイズがより小型であり、バッテリを充電する必要も、バッテリを交換する必要もないという点である。しかし、こうしたトランスポンダの欠点として、通信範囲が短いということがあり、通常は１．５メートル未満である。したがって、トランスポンダのサイズ又はコストを増大させることなく、より長い通信範囲又は読取り範囲を有するＨＤＸシステムが求められている。

従来型の充電回路では、同調回路からの電圧を用いて蓄積コンデンサを充電し、その蓄積コンデンサ内に蓄積された電圧を用いて、ＲＦＩＤリーダからの問合せ信号（interrogation signal）が消失した後も同調回路の共振を維持する。そして、この蓄積コンデンサに蓄積された電圧により、応答信号の振幅が決定される。そのため、送信電力が制限される。

本発明では、トランスポンダのマイクロチップ内にチャージポンプ回路を組み込み、同調回路単独で通常充電される電圧よりも高い充電電圧に増大させることによって、リーダとトランスポンダとの間の通信範囲を拡張させている。上記は、トランスポンダのコスト、トランスポンダのサイズ、又は全体的な通信システムのコストを増大させずに、トランスポンダに比較的小型の回路を組み込むことによって実現される。

さらに、第１の充電段階で十分なエネルギーを取り込めない場合、トランスポンダは、送信せずに、次の充電段階を待って、エネルギーが十分なレベルに達するまでより多くのエネルギーを充電するように判定することができる。通常、トランスポンダは、１サイクル内で、定常状態レベルに極めて近いレベルまで充電されるように最適に設計されるが、チャージポンプ回路は、充電を継続することが可能であるため、数サイクル内で蓄積電圧を十分に増大させることができる。

本開示の前述及びその他の特徴は、以下の説明及び添付の特許請求の範囲を添付の図面と併せて参照すればより完全に明白となるであろう。これらの図面には、本開示によるいくつかの実施形態しか示されておらず、したがって、その範囲を限定するものとみなすべきではないことを理解して、本開示について、添付の図面を用いて追加の特性及び詳細を説明するものとする。
本発明の実施形態に係る充電回路を例示的に示す図である。 本発明の実施形態に係る充電回路の構成要素、及び充電回路の波形を例示的に示す図である。 本発明の実施形態に係るチャージポンプ回路を組み込んだ場合と組み込んでいない場合における、蓄積コンデンサの両端間の電圧を比較したシミュレート波形を示す図である。 多重サイクルチャージポンプ方式の概念を示す図である。 チャージポンプ回路を組み込み、４サイクル充電させた場合と、チャージポンプ回路を組み込んでいない場合における、蓄積コンデンサの両端間の電圧を比較したシミュレート波形を示す図である。

充電回路は、一般に、リーダ及びトランスポンダより構成される。リーダが電磁エネルギーを供給すると、トランスポンダのＬＣタンクがそのエネルギーを受信し、そのエネルギーを蓄積コンデンサに充電する。ＬＣタンクは、アンテナコイル（Ｌ_１）を、共振コンデンサ（Ｃ_１）と並列に備え、選択周波数（ｆ_ｃ）に対するＬ_１とＣ_１との関係は、

である。

アンテナコイルＬ_１を用いて、リーダからの電磁エネルギーを受信し、その電磁データをリーダに、又は別のＲＦＩＤ受信機に送信する。共振コンデンサＣ_１は、選択周波数で電磁エネルギーを最適に送受信するために、アンテナコイルＬ_１と周波数を整合させなければならない。

ＨＤＸ送信では、トランスポンダの送信電力は、蓄積コンデンサに蓄積された電圧に比例した搬送波の振幅に大きく依存する。蓄積コンデンサの電圧が高くなるほど、生成される搬送波の振幅は大きくなり、それによって受信機の電圧も高くなる。したがって、より高い電圧で送信するトランスポンダは、より長い通信範囲を有することになる。

図１は、本発明による例示的な実施形態を示す。図示のように、ＨＤＸトランスポンダ１００は、ＲＦＩＤリーダ１５０から問合せ信号を受信するアンテナ１０２と、アンテナ１０２が受信したエネルギーを蓄積する共振コンデンサ１０４とを備え、アンテナ１０２とコンデンサ１０４とは並列に接続され、それによって同調回路を形成している。さらに、整流素子１０６（それだけに限られるものではないが、半波整流器又は全波整流器が含まれ得る）を同調回路に接続させて、ＡＣ信号から同調回路を介して、使用可能な正電圧を抽出することができる。正電圧は、チャージポンプ回路１０８によってさらに増幅（昇圧）され、次いで平滑化され、蓄積コンデンサ１１０に蓄積される。

他の実施形態では、整流素子１０６は省略することができ、チャージポンプ回路１０８は、同調回路から直接取り出された電圧を増幅させることができる。増幅された電圧は、同様に平滑化され、蓄積コンデンサ１１０に蓄積される。蓄積コンデンサ１１０は、充電段階中、リーダ１５０から受信したエネルギーを蓄積する。このエネルギー充電時間は、通常約２０ミリ秒〜１５０ミリ秒である。応答段階では、リーダ１５０は、ＲＦエネルギーの送信を停止し、トランスポンダ１００からの応答を待つ。

トランスポンダ１００は、ＦＳＫ（周波数偏移変調、Frequency-Shift Keying）により、固有のＩＤ（バイナリデータ）をリーダ１５０に送信することによって応答することができ、ＦＳＫでは、約１３４．２ｋＨｚでビット「０」を示し、約１２４．２ｋＨｚでビット「１」を示す。別の実施形態では、ビット「０」及び「１」を表すのに、上記の周波数ではなく他の周波数を選択して使用してもよい。同様に、他の実施形態では、トランスポンダはＦＳＫに限定されるわけではなく、ＡＳＫ（振幅偏移変調、Amplitude-Shift Keying）、及びＰＳＫ（位相偏移変調、Phase-Shift Keying）によってリーダに応答してもよい。

トランスポンダ１００はまた、ＲＦＩＤリーダが問合せ信号を停止し、応答段階を開始した時を検出するバースト終了検出器１１２を備えることができる。応答段階では、トランスポンダ１００は、蓄積コンデンサ１１０に予め蓄積されたエネルギーを用いて、発振器１１４、変調制御回路１１６、及びメモリ１１８にエネルギーを供給して、識別データを表すＲＦ応答信号を生成する。

ＲＦＩＤリーダ１５０が問合せ信号を停止した後、同調回路の共振は通常、電力の損失のため徐々に消失されることになる。本発明において、発振器１１４は、蓄積コンデンサ１１０から蓄積電力を取り出し、その取り出した電力（電圧）を同調回路に印加することによって、共振（oscillation）を維持することで、この損失を補償する。共振の最大振幅は、蓄積された電圧に正比例する。したがって、蓄積電圧が高いほど、共振の振幅はより大きくなり、したがって送信距離が向上する。

共振を維持することに加えて、発振器１１４はまた、変調制御回路１１６からの入力データに従って共振の振幅、位相、又は周波数を調整して、ＡＳＫ、ＰＳＫ、又はＦＳＫ符号化ＲＦ信号をそれぞれ生成することができる。変調制御回路１１６は、メモリ１１８内に格納された識別データを読み取り、それらのデータをＲＦ送信に適するように符号化する。

図２ａは、整流素子１０６が全波整流器を備える例を示す。図示のように、同調回路の第１の端子ＲＦ１が、１対の相補型トランジスタＭＮ１及びＭＰ１のドレイン端子に接続されている。第２の端子ＲＦ２が、もう一方の１対のトランジスタＭＮ２及びＭＰ２のドレイン端子に接続されている。トランジスタＭＮ１及びＭＰ１のゲート端子が、トランジスタＭＮ２及びＭＰ２のドレイン端子に接続され、その逆も同様に接続されている。

図２ｂは、ＲＦ１電圧及びＲＦ２電圧を入力として用いた（図１に示す）チャージポンプ回路１０８の実施形態の例を示す。信号ＲＦ１が信号ＲＦ２よりも高い電圧を有する場合、電荷は第１のダイオードＤ１を通って移動し、それによって第１のポンプコンデンサＣＰＭＰ１の両端間で正の電圧降下が生じる。この期間中、コンデンサＣＰＭＰ１の両端間の電圧がコンデンサＣＨＶ２の両端間の電圧よりも大きい場合、電荷はコンデンサＣＰＭＰ１から第２のダイオードＤ２を通ってＣＨＶ２へとさらに移動する。電荷の移動は、信号ＲＦ１が、第１のダイオードＤ１を順方向にバイアスさせるほど十分に高くない場合（特に信号ＲＦ１が減衰する場合）に停止し、その時点で、コンデンサＣＰＭＰ１とＣＨＶ２との間の電荷共有は平衡状態になる。

信号ＲＦ２が信号ＲＦ１よりも高い電圧を有する場合、第１のダイオードＤ１は、逆方向にバイアスされる。しかし、信号ＲＦ２によってコンデンサＣＰＭＰ１の底部端子が上昇することになるので、第２のダイオードＤ２のアノードの電圧はさらに増大する。上昇した電圧によって、コンデンサＣＨＶ２が平衡状態になるまで、コンデンサＣＨＶ２により多くの電荷が移動する。信号ＲＦ２が減衰すると、第２のダイオードＤ２は、逆方向にバイアスされ、電流が流れなくなる。そのため、移動した電荷は、コンデンサＣＨＶ２に保持されたままとなる。信号ＲＦ１とＲＦ２とが交互に高低し続けるにつれて、コンデンサＣＨＶ２の電荷は増加し続けることになる。

トランジスタＭＮ１及びＭＮ２の共通ソース端子を接地基準として使用すると、電圧ＲＦ１、ＲＦ２の波形は図２ｃに示すようになる。この図から分かるように、ＲＦ１の電圧とＲＦ２の電圧とが高電圧と低電圧の間で交互に入れ替わると、コンデンサの両端間の電圧は、常に高いまま維持される。発振器１１４によってこの電圧を用いて、従来型の回路に比べて振幅がより大きい応答信号を生成し、それによってトランスポンダの通信距離が確実に向上し、通信距離は、約１０〜３０％の範囲で拡張される。コンデンサＣＨＶ２の両端間の電圧が、コンデンサＣＰＭＰ１の両端間の最高電圧と、信号ＲＦ２の最高電圧から第２のダイオードＤ２の両端間の電圧降下を減算したものとの合計に等しくなると定常状態になる。コンデンサＣＰＭＰ１の両端間の電圧は、信号ＲＦ１の最高電圧から第１のダイオードＤ１の両端間の電圧降下を減算したものに等しい。

図３に、チャージポンプ回路がある場合と、無い場合における電圧ＣＨＶ２の波形の比較を例示的に示す。良い効率を得るために、全てのダイオードの両端間の電圧降下を最小限に抑える必要がある。ショットキーダイオードを用いて、チャージポンプ回路１０８の効率を高めることができる。再度図２ｂを参照すると、チャージポンプ回路１０８の右半分は、信号ＲＦ１とＲＦ２とが入れ替わっている点を除いて、左半分と同じである。ダイオードＤ３、Ｄ４、及びコンデンサＣＰＭＰ２はそれぞれ、ダイオードＤ１、Ｄ２、及びコンデンサＣＰＭＰ１と同様に動作する。したがって、チャージポンプ回路の左半分と右半分とは、互いに逆位相で動作する。

したがって、図３に示すように、同じシミュレーション条件（即ち、リーダとトランスポンダとがどちらも、同じコイルインダクタンス、及び同じ結合係数を有する）では、蓄積コンデンサＣ_ＨＶ２の電圧（例えば約８Ｖ）は、Ｃ_ＨＶ１の電圧（例えば約４Ｖ）よりも約２倍高いレベル（電圧）まで上がり、一方、信号ＶＲＦ１及びＶＲＦ２の最高電圧は、例えば約４Ｖである。したがって、電圧ＶＲＦ１及びＶＦＲ２が所与のいかなるものであっても、ＶＨＶ２は約２倍高くなる。このシミュレーションで使用した周波数は、１３４．２ｋＨｚであり、ＣＰＭＰ１、ＣＰＭＰ２、及びＣＨＶ２の静電容量はそれぞれ２０ｐＦ、２０ｐＦ、及び１５ｎＦに等しい。他の実施形態では、ＣＰＭＰ１及びＣＰＭＰ２の静電容量は、チャージポンプ回路の性能に影響を及ぼさずに他の値に調整することができる。

典型的には、ＲＦＩＤリーダ１５０の問合せ期間の長さは、ＨＤＸトランスポンダ１００の蓄積コンデンサ１１０の最適な充電時間と一致するように選択される。このことは、問合せフィールドの終了時に、蓄積コンデンサ１１０は、同調回路が定常状態に達したときに実現可能な最大値の約８０〜９０％まで充電されることを意味する。しかし、トランスポンダには、全応答データを送信することが可能となるのに適したエネルギー量が必要となる。したがって、蓄積コンデンサ１１０の電圧閾値レベルは、問合せ期間終了時の蓄積電圧ＶＨＶが、予め規定された電圧閾値レベルを超えたときにしかトランスポンダ１００が応答しないように規定される。

この電圧閾値レベルはまた、高電圧待機レベル（high-voltage ready level）とも呼ばれる。蓄積された電圧の定常状態値がこの電圧閾値レベルよりも低い場合、この状態はトランスポンダがＲＦＩＤリーダから離れすぎているときに生じ得るが、そのような場合、トランスポンダ１００は、ＲＦＩＤリーダ１５０の問合せ期間がどんなに長くとも、ＲＦＩＤリーダ１５０に応答することができない。これは、トランスポンダがそれだけの距離を置いて留まる限り、蓄積電圧は適切な電力で送信することができるほど十分にはならないことに起因し、最終的に送信が完了しないことになる。しかし、チャージポンプ回路１０８を使用し、後述の多重サイクルを利用することによって、蓄積コンデンサ１１０により多くのエネルギーを充電することが可能となり、それによって蓄積電圧ＶＨＶの定常状態レベルが上がる。

図４は、第１の問合せ期間後、蓄積電圧ＶＨＶが高電圧待機閾値よりも低いときに、チャージポンプ回路１０８を用いて蓄積電圧ＶＨＶを増大させる手法の実施形態を示す。この実施形態では、蓄積電圧ＶＨＶ２を保持するために、トランスポンダ１００は、チャージポンプ回路が有効になる次の問合せ期間まで応答を送信しない（開始しない）。蓄積コンデンサに蓄積された電圧が予め規定された閾値を超えない場合に、高電圧閾値検出器（図示せず）を用いてトランスポンダに送信をスキップするように指示することができる。

第２の問合せ期間後、蓄積電圧ＶＨＶ２が閾値よりも高くなると、トランスポンダ１００は送信を開始することになる。要するに、トランスポンダ１００は、少なくとも２回の問合せサイクルの間待ってエネルギーを蓄積すると、ＲＦＩＤリーダ１５０に応答することができる。送信後、蓄積エネルギーは枯渇することになり、チャージポンプ回路１０８はオフになる。トランスポンダ１００は、次の問合せ期間でチャージポンプ回路１０８の助けを借りずに充電を再開することになり、その問合せ期間の終了時に、蓄積された電圧を予め規定された電圧閾値と比較することによって、蓄積電圧がその高電圧待機閾値よりも高いか否かチェックする。

蓄積された電圧の値が、高電圧待機閾値よりも低い場合、トランスポンダは、もう１回問合せ期間を待ってから、チャージポンプ回路１０８を有効にすることになる。これにより、後続の問合せ期間中に蓄積電圧ＶＨＶ２が増大することになる。後続の問合せ期間の終了時に、蓄積電圧ＶＨＶ２は高電圧待機閾値よりも高くなり、その場合には、トランスポンダ１００は送信を開始することになる。

チャージポンプ回路がオンの状態で、予め規定された回数の連続した問合せサイクルを用いて充電することによって、より高い電圧レベルを実現することも可能である。この方法では、ＲＦＩＤリーダ１５０の問合せ期間が短いかどうかは重要ではなく、その理由は、トランスポンダ１００は、図４に示すように、複数のサイクルにわたって待ち、エネルギーを収集することができるからである。充電サイクルの回数は、蓄積電圧を高電圧待機閾値と比較し、蓄積電圧がその閾値レベルを超えたサイクルの直後に応答を送信することによって、適合させることができる。

図２ｂのチャージポンプ回路の例は、入力電圧を理想的には２倍に増幅させることができ、この例は単段チャージポンプ回路と呼ばれる。蓄積コンデンサに、より高い電圧が得られるよう実現するために、チャージポンプ回路の１又は２以上の段を、前段の出力を次段の入力として接続することによって直列に（カスケード）接続することができる。このようにすると、入力電圧は、段の数に１を足した数だけ増幅される。例えば、３段チャージポンプ回路では、入力電圧は４倍に増倍されることになる。しかし、実験から、ほとんどの場合、単段チャージポンプ回路を使用することによって、通信距離を約１０〜３０％拡張させることができるので、十分な蓄積電圧が得られることになる。したがって、３段チャージポンプは、場合によっては充電に必要となる時間が長くなりすぎることがあるので、必ずしも必要ではない。

図５は、チャージポンプ回路を組み込み、４サイクル充電させた場合と、チャージポンプ回路を組み込んでいない場合における、蓄積コンデンサの両端間の電圧を比較したシミュレート波形を示す。この図から分かるように、例示的なチャージポンプ回路を用いると、トランスポンダの蓄積電圧を、各サイクルとともに増幅させることができ、それによって通信距離が拡張される。４回の充電サイクルしか示されていないが、追加の充電サイクル及び／又は追加のチャージポンプ段を用いて、通信距離をさらに拡張させることができる。

本発明は、その趣旨又は本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態で実施することができる。したがって、前述の実施形態は、あらゆる点において、本明細書に記載の本発明を限定するものではなく、例示するものであるとみなすべきである。したがって、本発明の範囲は、前述の説明ではなく、添付の特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲の均等物の意味及び範囲の中に含まれる変形例は全て、本発明の範囲内に包含されるものである。

Claims (20)

1. 問合せ信号からのエネルギーを受信するアンテナと、
   前記アンテナと接続して同調回路を形成する共振コンデンサと、
   前記同調回路から使用可能な正電圧を抽出する整流素子と、
   前記整流素子の出力から取り出された前記使用可能な正電圧を増幅させるチャージポンプ回路と、
   前記チャージポンプ回路によって増幅された前記電圧からのエネルギーを蓄積する蓄積コンデンサと
   を備える、通信範囲が向上したトランスポンダ。
2. 問合せ期間が終了した時を検出するバースト終了検出器と、
   前記問合せ期間が終了した後に、リーダに返すデータ送信のための搬送周波数を生成する発振器と、
   送信すべきデータを符号化し、前記発振器によって応答信号をどのように変調させるかを制御する変調制御回路と、
   識別データを保持するメモリと
   をさらに備える、請求項１に記載のトランスポンダ。
3. 整流素子が、２対の相補型トランジスタから構成される、請求項１に記載のトランスポンダ。
4. チャージポンプ回路が、アノードが入力に接続され、前記入力とは逆位相の駆動信号を有するポンプコンデンサに出力が接続された第１のダイオードと、前記第１のダイオードと直列に接続され、カソードに蓄積コンデンサを有する第２のダイオードとを備える、請求項１に記載のトランスポンダ。
5. チャージポンプ回路のダイオードが、ショットキー型ダイオードを備える、請求項４に記載のトランスポンダ。
6. チャージポンプ回路が、単段又は多段のいずれかである、請求項１に記載のトランスポンダ。
7. 蓄積コンデンサに蓄積された電圧が予め規定された閾値を超えない場合に、送信をスキップするようにトランスポンダに指示する高電圧閾値検出器をさらに備える、請求項２に記載のトランスポンダ。
8. トランスポンダが、少なくとも２回の問合せサイクルの間待ってエネルギーを蓄積してから、ＲＦＩＤリーダに応答する、請求項２に記載のトランスポンダ。
9. 問合せ信号からのエネルギーを受信するアンテナと、
   前記アンテナと接続して同調回路を形成する共振コンデンサと、
   前記同調回路から直接取り出された電圧を増幅させるチャージポンプ回路と、
   前記チャージポンプ回路によって増幅された前記電圧からのエネルギーを蓄積する蓄積コンデンサと
   を備える、トランスポンダ。
10. 同調回路から使用可能な正電圧を抽出する整流素子をさらに備え、チャージポンプ回路が、前記整流素子の出力から取り出された前記使用可能な正電圧を増幅させる、請求項９に記載のトランスポンダ。
11. 整流素子が、２対の相補型トランジスタから構成される、請求項９に記載のトランスポンダ。
12. チャージポンプ回路が、アノードが入力に接続され、前記入力とは逆位相の駆動信号を有するポンプコンデンサに出力が接続された第１のダイオードと、前記第１のダイオードと直列に接続され、カソードに蓄積コンデンサを有する第２のダイオードとを備える、請求項９に記載のトランスポンダ。
13. チャージポンプ回路が、単段又は多段のいずれかである、請求項９に記載のトランスポンダ。
14. ＨＤＸトランスポンダの通信距離を向上させる方法であって、
    アンテナによって問合せ信号を受信するステップと、
    チャージポンプ回路を用いて、前記アンテナから受信した前記問合せ信号を増幅させるステップと、
    増幅された電圧を蓄積コンデンサに蓄積するステップと、
    問合せ信号の終了を検出するステップと、
    蓄積された前記増幅された電圧によって電力供給される発振器を用いて、データをリーダに送信するステップと
    を含む、方法。
15. 問合せ信号を増幅させるステップが、問合せ信号を使用可能な正電圧に整流化するステップと、チャージポンプ回路を用いて、前記使用可能な正電圧を増幅させるステップとをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
16. 第１の問合せ信号が終了した後、より高い送信電力が得られるように、蓄積コンデンサ内により高い電圧を得るために、少なくとも１サイクルの間データの送信をスキップするステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
17. 問合せ信号の終了後、蓄積された増幅電圧を、予め規定された電圧閾値と比較するステップと、
    蓄積された前記増幅電圧が、前記予め規定された電圧閾値よりも低い場合に、データの送信をスキップするステップと
    をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
18. 第１の問合せ信号が終了した後、より高い送信電力が得られるように、蓄積コンデンサ内により高い電圧を得るために、少なくとも１サイクルの間データの送信をスキップするステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
19. 問合せ信号の終了後、蓄積された増幅電圧を、予め規定された電圧閾値と比較するステップと、
    蓄積された前記増幅電圧が、前記予め規定された電圧閾値よりも低い場合に、データの送信をスキップするステップと
    をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
20. 少なくとも２回の問合せサイクルの間待ってから、リーダにデータを送信するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
    

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