Nyheter

Som den mest grundläggande delen av passiv Internet of Things-teknik har passiva UHF RFID-taggar använts i stor utsträckning i ett stort antal applikationer som detaljhandel, logistik och lager, bokarkiv, spårbarhet mot förfalskning, etc. Först 2021, globalt fraktbeloppet är mer än 20 miljarder.I praktiska tillämpningar, vad exakt förlitar sig chippet på den passiva UHF RFID-taggen på för att leverera ström?

Strömförsörjningsegenskaperna för UHF RFID passiv tag

1. Drivs av trådlös ström

Trådlös kraftöverföring använder sig av trådlös elektromagnetisk strålning för att överföra elektrisk energi från en plats till en annan.Arbetsprocessen är att omvandla elektrisk energi till radiofrekvensenergi genom radiofrekvensoscillation, och radiofrekvensenergin omvandlas till radioelektromagnetisk fältenergi genom sändningsantennen.Den radioelektromagnetiska fältenergin fortplantar sig genom rymden och når den mottagande antennen, sedan omvandlas den tillbaka till radiofrekvensenergi av den mottagande antennen, och detekteringsvågen blir DC-energi.

1896 uppfann italienaren Guglielmo Marchese Marconi radion, som realiserade överföringen av radiosignaler över rymden.1899 föreslog amerikanen Nikola Tesla idén att använda trådlös kraftöverföring och etablerade en antenn som är 60 meter hög, induktans laddad i botten, kapacitans laddad i toppen i Colorado, med en frekvens på 150 kHz för att mata in 300 kW effekt.Den sänder över ett avstånd på upp till 42 km och får 10kW trådlös mottagningseffekt i mottagningsänden.

UHF RFID passiv tag strömförsörjning följer denna idé, och läsaren levererar ström till taggen via radiofrekvens.Det finns dock en enorm skillnad mellan UHF RFID passiv tag strömförsörjning och Tesla test: frekvensen är nästan tio tusen gånger högre, och antennstorleken minskas med tusen gånger.Eftersom trådlös överföringsförlust är proportionell mot kvadraten på frekvensen och proportionell mot kvadraten på avståndet, är det tydligt att ökningen av överföringsförlusten är enorm.Det enklaste trådlösa spridningsläget är fritt utrymme.Utbredningsförlusten är omvänt proportionell mot kvadraten på utbredningsvåglängden och proportionell mot kvadraten på avståndet.Utbredningsförlusten i fritt utrymme är LS=20lg(4πd/λ).Om enheten för avstånd d är m och enheten för frekvens f är MHz, så är LS= -27,56+20lgd+20lgf.

UHF RFID-systemet är baserat på den trådlösa kraftöverföringsmekanismen.Den passiva taggen har ingen egen strömförsörjning.Den behöver ta emot radiofrekvensenergin som sänds ut av läsaren och upprätta en likströmsförsörjning genom spänningsfördubbling, vilket innebär att upprätta en likströmsförsörjning genom Dicksons laddningspump.

Det tillämpliga kommunikationsavståndet för UHF RFID-luftgränssnittet bestäms huvudsakligen av läsarens överföringseffekt och den grundläggande utbredningsförlusten i rymden.UHF-bandets RFID-läsares sändningseffekt är vanligtvis begränsad till 33dBm.Utifrån den grundläggande formeln för fortplantningsförluster, ignorerande av andra möjliga förluster, kan RF-effekten som når taggen genom trådlös kraftöverföring beräknas.Förhållandet mellan kommunikationsavståndet för UHF RFID-luftgränssnittet och den grundläggande utbredningsförlusten och RF-effekten som når taggen visas i tabellen:

Det kan ses från tabellen att UHF RFID trådlös kraftöverföring har egenskaperna för stora överföringsförluster.Eftersom RFID överensstämmer med de nationella reglerna för kortdistanskommunikation är läsarens överföringseffekt begränsad, så taggen kan leverera låg effekt.När kommunikationsavståndet ökar, minskar radiofrekvensenergin som tas emot av den passiva taggen i enlighet med frekvensen, och strömförsörjningskapaciteten minskar snabbt.

2. Implementera strömförsörjning genom att ladda och ladda ur energilagringskondensatorer på chipet

(1) Kondensatorns laddnings- och urladdningsegenskaper

Passiva taggar använder trådlös kraftöverföring för att erhålla energi, omvandla den till likspänning, ladda och lagra kondensatorerna på chipet och sedan leverera ström till lasten genom urladdning.Därför är strömförsörjningsprocessen för passiva taggar processen med kondensatorladdning och urladdning.Etableringsprocessen är en ren laddningsprocess och strömförsörjningsprocessen är en urladdnings- och kompletterande laddningsprocess.Tilläggsladdningen måste starta innan urladdningsspänningen når chipets lägsta matningsspänning.

(2) Parametrar för kondensatorladdning och urladdning

1) Laddningsparametrar

Laddningstidslängd: τC=RC×C

Laddningsspänning:

laddningsström:

där RC är laddningsmotståndet och C är energilagringskondensatorn.

2) Urladdningsparametrar

Urladdningstidslängd: τD=RD×C

Urladdningsspänning:

Urladdningsström:

I formeln är RD urladdningsmotståndet och C är energilagringskondensatorn.

Ovanstående visar strömförsörjningsegenskaperna för passiva taggar.Det är varken en konstant spänningskälla eller en konstant strömkälla, utan laddning och urladdning av energilagringskondensatorn.När energilagringskondensatorn på chipet laddas över arbetsspänningen V0 för chipkretsen, kan den leverera ström till taggen.När energilagringskondensatorn börjar leverera ström börjar dess strömförsörjningsspänning sjunka.När den faller under chipets arbetsspänning V0 förlorar energilagringskondensatorn sin strömförsörjningsförmåga och chippet kan inte fortsätta att fungera.Därför bör luftgränssnittsetiketten ha tillräcklig kapacitet för att ladda etiketten.

Det kan ses att strömförsörjningsläget för passiva taggar är lämpligt för egenskaperna hos burstkommunikation, och strömförsörjningen för passiva taggar behöver också stöd för kontinuerlig laddning.

3 Balans mellan utbud och efterfrågan

Flytande laddningsströmförsörjning är en annan strömförsörjningsmetod, och den flytande laddningsströmförsörjningens kapacitet anpassas till urladdningskapaciteten.Men de har alla ett gemensamt problem, det vill säga att strömförsörjningen av UHF RFID passiva taggar måste balansera utbud och efterfrågan.

(1) Utbud och efterfrågan balanserar strömförsörjningsläge för burstkommunikation

Den nuvarande standarden ISO/IEC18000-6 för UHF RFID passiva taggar tillhör burstkommunikationssystemet.För passiva taggar sänds ingen signal under mottagningsperioden.Även om svarsperioden tar emot bärvågen, är det ekvivalent med att förvärva oscillationskällan, så det kan betraktas som simplexarbete.Sätt.För denna applikation, om mottagningsperioden används som laddningsperioden för energilagringskondensatorn, och svarsperioden är urladdningsperioden för energilagringskondensatorn, blir samma mängd laddning och urladdning för att upprätthålla balansen mellan utbud och efterfrågan ett nödvändigt villkor för att upprätthålla normal drift av systemet.Det kan vara känt från strömförsörjningsmekanismen för den ovan nämnda passiva UHF RFID-etiketten att strömförsörjningen för den passiva UHF RFID-etiketten varken är en konstant strömkälla eller en konstant spänningskälla.När etikettenergilagringskondensatorn laddas till en spänning högre än kretsens normala arbetsspänning, startar strömförsörjningen;när etikettenergilagringskondensatorn laddas ur till en spänning som är lägre än den normala driftspänningen för kretsen, stoppas strömförsörjningen.

För burstkommunikation, såsom passiv tag UHF RFID luftgränssnitt, kan laddningen laddas innan taggen skickar en svarskur, tillräckligt för att säkerställa att tillräckligt med spänning kan upprätthållas tills svaret är slutfört.Utöver den tillräckligt starka radiofrekventa strålningen som taggen kan ta emot krävs därför att chippet också har en tillräckligt stor kapacitans på chipet och en tillräckligt lång laddningstid.Taggensvarets strömförbrukning och svarstid måste också anpassas.På grund av avståndet mellan taggen och läsaren är svarstiden annorlunda, området för energilagringskondensatorn är begränsat och andra faktorer kan vara svårt att balansera utbud och efterfrågan i tidsdelning.

(2) Flytande strömförsörjningsläge för kontinuerlig kommunikation

För kontinuerlig kommunikation, för att upprätthålla den oavbrutna strömförsörjningen av energilagringskondensatorn, måste den laddas ur och laddas samtidigt, och laddningshastigheten liknar urladdningshastigheten, det vill säga strömförsörjningskapaciteten bibehålls före kommunikationen avslutas.

Passiv tag koddelning radiofrekvensidentifiering och UHF RFID passiv tag nuvarande standard ISO/IEC18000-6 har gemensamma egenskaper.Taggmottagningstillståndet måste demoduleras och avkodas, och svarstillståndet måste moduleras och skickas.Därför bör den utformas enligt kontinuerlig kommunikation.Tag chip strömförsörjningssystem.För att laddningshastigheten ska likna urladdningshastigheten måste det mesta av energin som tas emot av taggen användas för laddning.

Delade RF-resurser

1. RF front-end för passiva taggar

Passiva taggar används inte bara som strömkällan för taggarna och vykorten till radiofrekvensenergin från läsarna, utan ännu viktigare är att instruktionssignalöverföringen från läsaren till taggen och svarssignalöverföringen från taggen till läsaren är realiseras genom trådlös dataöverföring.Radiofrekvensenergin som tas emot av taggen bör delas upp i tre delar, som respektive används för att chippet ska upprätta strömförsörjningen, demodulera signalen (inklusive kommandosignalen och synkroniseringsklockan) och tillhandahålla svarsbäraren.

Arbetsläget för den nuvarande standard UHF RFID har följande egenskaper: nedlänkskanalen antar sändningsläget och upplänkskanalen antar läget för flertaggsdelning enkanalssekvenssvar.När det gäller informationsöverföring hör den därför till det simplex-driftssättet.Men eftersom taggen själv inte kan tillhandahålla överföringsbäraren, måste taggsvaret tillhandahålla bäraren med hjälp av läsaren.Därför, när taggen svarar, vad gäller sändningstillståndet, är båda ändarna av kommunikationen i ett duplexarbetande tillstånd.

I olika arbetslägen är kretsenheterna som sätts i arbete av taggen olika, och den effekt som krävs för att olika kretsenheter ska fungera är också olika.All kraft kommer från radiofrekvensenergin som tas emot av taggen.Därför är det nödvändigt att kontrollera distributionen av RF-energi på ett rimligt sätt och när det är lämpligt.

2. RF-energitillämpning under olika arbetstider

När taggen kommer in i läsarens RF-fält och börjar bygga ström, oavsett vilken signal läsaren skickar vid denna tidpunkt, kommer taggen att leverera all mottagen RF-energi till spänningsfördubblingslikriktarkretsen för att ladda energilagringskondensatorn på chipet , och därigenom etablera chipets strömförsörjning.

När läsaren sänder kommandosignalen är läsarens överföringssignal en signal kodad av kommandodata och amplitud modulerad av bandspridningssekvensen.Det finns bärvågskomponenter och sidbandskomponenter som representerar kommandodata och spridningsspektrumsekvenser i signalen som tas emot av taggen.Den totala energin, bärarenergin och sidobandskomponenterna för den mottagna signalen är relaterade till modulering.Vid denna tidpunkt används moduleringskomponenten för att överföra synkroniseringsinformationen för kommandot och spridningsspektrumsekvensen, och den totala energin används för att ladda energilagringskondensatorn på chipet, som samtidigt börjar leverera ström till kretsen på kretsen synkroniseringsextraktionskrets och kommandosignaldemoduleringskretsenheten.Under den period då läsaren skickar en instruktion används därför radiofrekvensenergin som tas emot av taggen för att taggen ska fortsätta att ladda, extrahera synkroniseringssignalen, demodulera och identifiera instruktionssignalen.Tag-energilagringskondensatorn är i ett strömförsörjningstillstånd med flytande laddning.

När taggen svarar på läsaren, är den sända signalen från läsaren en signal som moduleras av amplituden hos chiphastighetsklockan med bandspridningsspektrum.I signalen som tas emot av taggen finns det bärvågskomponenter och sidobandskomponenter som representerar chiphastighetsklockan med spritt spektrum.Vid denna tidpunkt används moduleringskomponenten för att överföra chiphastighets- och taktklockinformationen för bandspridningssekvensen, och den totala energin används för att ladda energilagringskondensatorn på chipet och modulera den mottagna datan och skicka ett svar till läsare.Chipsynkroniseringsextraktionskretsen och svarssignalmoduleringskretsenheten förser ström.Därför, under den period då läsaren tar emot svaret, tar taggen emot radiofrekvensenergin och används för att taggen ska fortsätta laddas, chipsynkroniseringssignalen extraheras och svarsdata moduleras och svaret skickas.Tag-energilagringskondensatorn är i ett strömförsörjningstillstånd med flytande laddning.

Kort sagt, förutom att taggen kommer in i läsarens RF-fält och börjar etablera en strömförsörjningsperiod, kommer taggen att leverera all mottagen RF-energi till en spänningsfördubblingslikriktarkrets för att ladda energilagringskondensatorn på chipet, och därigenom etablera en chip strömförsörjning.Därefter extraherar taggen synkronisering från den mottagna radiofrekvenssignalen, implementerar kommandodemodulering eller modulerar och sänder svarsdata, vilka alla använder den mottagna radiofrekvensenergin.

3. Krav på RF-energi för olika applikationer

(1) Krav på RF-energi för trådlös kraftöverföring

Trådlös kraftöverföring etablerar strömförsörjningen för taggen, så den kräver både tillräcklig spänning för att driva kretskretsen och tillräcklig kraft och kontinuerlig strömförsörjningskapacitet.

Strömförsörjningen för trådlös kraftöverföring är att upprätta strömförsörjningen genom att ta emot RF-fältenergin från läsaren och spänningsfördubbling likriktning när taggen inte har någon strömförsörjning.Därför begränsas dess mottagningskänslighet av spänningsfallet hos front-end-detektionsdiodröret.För CMOS-chips är mottagningskänsligheten för spänningsfördubblingslikriktningen mellan -11 och -0,7 dBm, det är flaskhalsen för passiva taggar.

(2) Krav på RF-energi för detektering av mottagen signal

Medan spänningsfördubblingslikriktningen etablerar chipets strömförsörjning, behöver taggen dela en del av den mottagna radiofrekvensenergin för att tillhandahålla en signaldetekteringskrets, inklusive kommandosignaldetektering och synkron klockdetektering.Eftersom signaldetekteringen utförs under förutsättning att strömförsörjningen för taggen har etablerats, begränsas demodulationskänsligheten inte av spänningsfallet hos frontenddetektionsdiodröret, så mottagningskänsligheten är mycket högre än den trådlösa effekten överföringsmottagningskänslighet, och den tillhör signalamplituddetekteringen, och det finns inget krav på effektstyrka.

(3) Krav på RF-energi för taggsvar

När taggen svarar på sändning behöver den, förutom att detektera den synkrona klockan, även utföra pseudo-PSK-modulering på den mottagna bärvågen (innehållande klockmodulationsenveloppen) och realisera omvänd överföring.Vid denna tidpunkt krävs en viss effektnivå, och dess värde beror på avståndet mellan läsaren och taggen och läsarens känslighet för att ta emot.Eftersom läsarens arbetsmiljö tillåter användning av mer komplexa konstruktioner, kan mottagaren implementera en front-end-design med låg brus, och koddelningsradiofrekvensidentifieringen använder spridningsspektrummodulering, såväl som spridningsspektrumförstärkning och PSK-systemförstärkning , kan läsarens känslighet utformas för att vara tillräckligt hög.Så att kraven på etikettens retursignal reduceras tillräckligt.

Sammanfattningsvis allokeras radiofrekvenseffekten som tas emot av taggen huvudsakligen som den trådlösa kraftöverföringsspänningsfördubblarens likriktarenergi, och sedan allokeras lämplig mängd av taggsignaldetekteringsnivå och lämplig mängd returmodulationsenergi för att uppnå en rimlig energi distribution och säkerställa kontinuerlig laddning av energilagringskondensatorn.är en möjlig och rimlig design.

Det kan ses att radiofrekvensenergin som tas emot av passiva taggar har olika tillämpningskrav, så en radiofrekvenskraftdistributionsdesign krävs;tillämpningskraven för radiofrekvensenergi under olika arbetsperioder är olika, så det är nödvändigt att ha en radiofrekvenskraftdistributionsdesign enligt behoven för olika arbetsperioder;Olika applikationer har olika krav på RF-energi, bland vilka trådlös kraftöverföring kräver mest kraft, så RF-effektallokering bör fokusera på behoven för trådlös kraftöverföring.

Passiva UHF RFID-taggar använder trådlös kraftöverföring för att etablera en taggströmförsörjning.Därför är strömförsörjningseffektiviteten extremt låg och strömförsörjningskapaciteten är mycket svag.Tag-chippet måste vara utformat med låg strömförbrukning.Chipkretsen drivs av laddning och urladdning av energilagringskondensatorn på chipet.Därför, för att säkerställa etikettens kontinuerliga drift, måste energilagringskondensatorn laddas kontinuerligt.Radiofrekvensenergin som tas emot av taggen har tre olika tillämpningar: spänningsfördubblande likriktning för strömförsörjning, kommandosignalmottagning och demodulering samt svarssignalmodulering och överföring.Bland dem är mottagningskänsligheten för spänningsfördubblingslikriktningen begränsad av spänningsfallet hos likriktardioden, som blir ett luftgränssnitt.flaskhals.Av denna anledning är signalmottagning och demodulering och svarssignalmodulering och överföring de grundläggande funktionerna som RFID-systemet måste säkerställa.Ju starkare strömförsörjningsförmågan hos spänningsdubbellikriktarbrickan är, desto mer konkurrenskraftig är produkten.Därför är kriteriet för att rationellt fördela den mottagna RF-energin i designen av taggsystemet att öka RF-energitillförseln genom spänningsdubbleringslikrikting så mycket som möjligt under förutsättningen att demoduleringen av den mottagna signalen och överföringen av svaret säkerställs. signal.