Balita

Bilang pinakapangunahing bahagi ng teknolohiya ng passive na Internet of Things, malawakang ginagamit ang UHF RFID passive tag sa maraming application gaya ng retail retail, logistics at warehousing, book archive, anti-counterfeiting traceability, atbp. Tanging sa 2021, global ang halaga ng pagpapadala ay higit sa 20 bilyon.Sa mga praktikal na aplikasyon, ano nga ba ang umaasa sa chip ng UHF RFID passive tag para makapagbigay ng kuryente?

Ang mga katangian ng power supply ng UHF RFID passive tag

1. Pinapatakbo ng wireless power

Ang wireless power transmission ay gumagamit ng wireless electromagnetic radiation upang ilipat ang elektrikal na enerhiya mula sa isang lugar patungo sa isa pa.Ang proseso ng pagtatrabaho ay ang pag-convert ng elektrikal na enerhiya sa radio frequency energy sa pamamagitan ng radio frequency oscillation, at ang radio frequency energy ay na-convert sa radio electromagnetic field energy sa pamamagitan ng transmitting antenna.Ang radio electromagnetic field energy ay kumakalat sa kalawakan at umabot sa receiving antenna, pagkatapos ay ibinalik ito sa radio frequency energy ng receiving antenna, at ang detection wave ay nagiging DC energy.

Noong 1896, naimbento ng Italian Guglielmo Marchese Marconi ang radyo, na napagtanto ang pagpapadala ng mga signal ng radyo sa buong kalawakan.Noong 1899, iminungkahi ng Amerikanong si Nikola Tesla ang ideya ng paggamit ng wireless power transmission, at nagtatag ng antenna na 60m-high, inductance load sa botton, capacitance load sa itaas sa Colorado, gamit ang frequency na 150kHz para mag-input ng 300kW ng power.Nagpapadala ito sa layo na hanggang 42km, at nakakakuha ng 10kW ng wireless receiving power sa receiving end.

Ang UHF RFID passive tag power supply ay sumusunod sa ideyang ito, at ang reader ay nagbibigay ng kapangyarihan sa tag sa pamamagitan ng radio frequency.Gayunpaman, mayroong isang malaking pagkakaiba sa pagitan ng UHF RFID passive tag power supply at Tesla test: ang dalas ay halos sampung libong beses na mas mataas, at ang laki ng antena ay nababawasan ng isang libong beses.Dahil ang pagkawala ng wireless transmission ay proporsyonal sa square ng frequency at proportional sa square ng distansya, malinaw na ang pagtaas ng transmission loss ay malaki.Ang pinakasimpleng wireless propagation mode ay free-space propagation.Ang pagkawala ng pagpapalaganap ay inversely proportional sa square ng propagation wavelength at proportional sa square ng distansya.Ang pagkawala ng free-space propagation ay LS=20lg(4πd/λ).Kung ang yunit ng distansya d ay m at ang yunit ng frequency f ay MHz, kung gayon LS= -27.56+20lgd+20lgf.

Ang UHF RFID system ay batay sa wireless power transmission mechanism.Ang passive tag ay walang sariling power supply.Kailangan nitong matanggap ang radio frequency energy na ibinubuga ng reader at magtatag ng DC power supply sa pamamagitan ng pagdodoble ng boltahe sa pagwawasto, na nangangahulugang magtatag ng DC power supply sa pamamagitan ng Dickson charge pump.

Ang naaangkop na distansya ng komunikasyon ng UHF RFID air interface ay pangunahing tinutukoy ng kapangyarihan ng paghahatid ng mambabasa at ang pangunahing pagkawala ng pagpapalaganap sa espasyo.Karaniwang limitado sa 33dBm ang UHF band RFID reader na nagpapadala ng kapangyarihan.Mula sa pangunahing formula ng pagkawala ng pagpapalaganap, na binabalewala ang anumang iba pang posibleng pagkalugi, ang RF power na umaabot sa tag sa pamamagitan ng wireless power transmission ay maaaring kalkulahin.Ang ugnayan sa pagitan ng distansya ng komunikasyon ng UHF RFID air interface at ang pangunahing pagkawala ng propagation at ang RF power na umaabot sa tag ay ipinapakita sa talahanayan:

Makikita mula sa talahanayan na ang UHF RFID wireless power transmission ay may mga katangian ng malaking pagkawala ng transmission.Dahil ang RFID ay sumusunod sa mga pambansang patakaran ng komunikasyon sa maikling distansya, ang kapangyarihan ng paghahatid ng mambabasa ay limitado, kaya ang tag ay maaaring magbigay ng mababang kapangyarihan.Habang tumataas ang distansya ng komunikasyon, ang enerhiya ng dalas ng radyo na natatanggap ng passive tag ay bumababa ayon sa dalas, at ang kapasidad ng suplay ng kuryente ay mabilis na bumababa.

2. Ipatupad ang power supply sa pamamagitan ng pag-charge at pagdiskarga ng on-chip na mga capacitor ng imbakan ng enerhiya

(1) Mga katangian ng singil at paglabas ng kapasitor

Gumagamit ang mga passive tag ng wireless power transmission upang makakuha ng enerhiya, i-convert ito sa DC voltage, i-charge at iimbak ang mga on-chip capacitor, at pagkatapos ay magbigay ng kapangyarihan sa load sa pamamagitan ng discharge.Samakatuwid, ang proseso ng power supply ng mga passive tag ay ang proseso ng capacitor charging at discharging.Ang proseso ng pagtatatag ay isang purong proseso ng pagsingil, at ang proseso ng supply ng kuryente ay isang proseso ng paglabas at karagdagang pagsingil.Ang karagdagang pagsingil ay dapat magsimula bago maabot ng discharge boltahe ang pinakamababang supply ng boltahe ng chip.

(2) Mga parameter ng singil at paglabas ng kapasitor

1) Mga parameter ng pagsingil

Haba ng oras ng pag-charge: τC=RC×C

Nagcha-charge ng boltahe:

kasalukuyang nagre-charge:

kung saan ang RC ay ang risistor sa pagsingil at ang C ay ang kapasitor ng imbakan ng enerhiya.

2) Mga parameter ng paglabas

Haba ng oras ng paglabas: τD=RD×C

Boltahe sa paglabas:

Kasalukuyang naglalabas:

Sa formula, ang RD ay ang discharge resistance, at ang C ay ang energy storage capacitor.

Ipinapakita sa itaas ang mga katangian ng power supply ng mga passive tag.Ito ay hindi isang palaging pinagmumulan ng boltahe o isang palaging pinagmumulan ng kasalukuyang, ngunit ang pagsingil at paglabas ng kapasitor ng imbakan ng enerhiya.Kapag ang on-chip energy storage capacitor ay sinisingil sa itaas ng working voltage V0 ng chip circuit, maaari itong magbigay ng power sa tag.Kapag ang kapasitor ng imbakan ng enerhiya ay nagsimulang magbigay ng kapangyarihan, ang boltahe ng supply ng kuryente nito ay nagsisimulang bumaba.Kapag bumaba ito sa boltahe ng pagpapatakbo ng chip na V0, ang kapasitor ng pag-iimbak ng enerhiya ay mawawalan ng kakayahan sa suplay ng kuryente at ang chip ay hindi maaaring magpatuloy sa paggana.Samakatuwid, ang tag ng air interface ay dapat magkaroon ng sapat na kapasidad upang ma-recharge ang tag.

Makikita na ang power supply mode ng passive tags ay angkop para sa mga katangian ng burst communication, at ang power supply ng passive tags ay nangangailangan din ng suporta ng tuluy-tuloy na pagsingil.

3 Balanse ng supply at demand

Ang floating charging power supply ay isa pang paraan ng power supply, at ang floating charging power supply capacity ay iniangkop sa discharging capacity.Ngunit lahat sila ay may isang karaniwang problema, iyon ay, ang power supply ng UHF RFID passive tag ay kailangang balansehin ang supply at demand.

(1) Balanse ng supply at demand power supply mode para sa burst communication

Ang kasalukuyang pamantayang ISO/IEC18000-6 ng UHF RFID passive tag ay kabilang sa burst communication system.Para sa mga passive na tag, walang signal na ipinapadala sa panahon ng pagtanggap.Bagama't natatanggap ng panahon ng pagtugon ang carrier wave, ito ay katumbas ng pagkuha ng oscillation source, kaya maaari itong ituring bilang simplex work.Paraan.Para sa application na ito, kung ang panahon ng pagtanggap ay ginamit bilang panahon ng pagsingil ng kapasitor ng imbakan ng enerhiya, at ang panahon ng pagtugon ay ang panahon ng paglabas ng kapasitor ng imbakan ng enerhiya, ang pantay na halaga ng singil at paglabas upang mapanatili ang balanse ng supply at demand ay magiging isang kinakailangang kondisyon upang mapanatili ang normal na operasyon ng system.Malalaman mula sa mekanismo ng supply ng kuryente ng nabanggit na UHF RFID passive tag na ang power supply ng UHF RFID passive tag ay hindi pare-pareho ang kasalukuyang pinagmumulan o palaging pinagmumulan ng boltahe.Kapag ang tag energy storage capacitor ay sinisingil sa isang boltahe na mas mataas kaysa sa normal na gumaganang boltahe ng circuit, magsisimula ang power supply;kapag ang tag energy storage capacitor ay na-discharge sa isang boltahe na mas mababa kaysa sa normal na operating boltahe ng circuit, ang power supply ay huminto.

Para sa burst communication, gaya ng passive tag na UHF RFID air interface, maaaring singilin ang charge bago magpadala ang tag ng response burst, sapat na upang matiyak na sapat na boltahe ang mapapanatili hanggang sa makumpleto ang tugon.Samakatuwid, bilang karagdagan sa sapat na malakas na radio frequency radiation na maaaring matanggap ng tag, ang chip ay kinakailangan ding magkaroon ng sapat na on-chip capacitance at sapat na mahabang oras sa pag-charge.Dapat ding iakma ang pagkonsumo ng kuryente sa pagtugon sa tag at oras ng pagtugon.Dahil sa distansya sa pagitan ng tag at ng mambabasa, ang oras ng pagtugon ay naiiba, ang lugar ng kapasitor ng imbakan ng enerhiya ay limitado at iba pang mga kadahilanan, maaaring mahirap balansehin ang supply at demand sa time division.

(2) Floating power supply mode para sa tuluy-tuloy na komunikasyon

Para sa patuloy na komunikasyon, upang mapanatili ang tuluy-tuloy na supply ng kuryente ng kapasitor ng imbakan ng enerhiya, dapat itong i-discharge at singilin nang sabay, at ang bilis ng pagsingil ay katulad ng bilis ng paglabas, iyon ay, ang kapasidad ng supply ng kuryente ay pinananatili bago ang komunikasyon ay tinapos.

Ang passive tag code division radio frequency identification at UHF RFID passive tag na kasalukuyang standard na ISO/IEC18000-6 ay may mga karaniwang katangian.Kailangang i-demodulate at i-decode ang status ng pagtanggap ng tag, at kailangang i-modulate at ipadala ang status ng tugon.Samakatuwid, dapat itong idisenyo ayon sa patuloy na komunikasyon.Tag chip power supply system.Upang ang rate ng pagsingil ay maging katulad ng rate ng paglabas, ang karamihan sa enerhiya na natanggap ng tag ay dapat gamitin para sa pagsingil.

Ibinahaging mapagkukunan ng RF

1. RF front-end para sa mga passive na tag

Ang mga passive tag ay hindi lamang ginagamit bilang power source ng mga tag at postcard sa radio frequency energy mula sa mga mambabasa, ngunit higit sa lahat, ang instruction signal transmission mula sa reader papunta sa tag at ang response signal transmission mula sa tag sa reader ay natanto sa pamamagitan ng wireless data transmission.Ang enerhiya ng dalas ng radyo na natanggap ng tag ay dapat nahahati sa tatlong bahagi, na ayon sa pagkakabanggit ay ginagamit para sa chip upang maitatag ang power supply, demodulate ang signal (kabilang ang command signal at synchronization clock) at ibigay ang response carrier.

Ang working mode ng kasalukuyang standard na UHF RFID ay may mga sumusunod na katangian: ang downlink channel ay gumagamit ng broadcast mode, at ang uplink channel ay gumagamit ng mode ng multi-tag sharing single-channel sequence response.Samakatuwid, sa mga tuntunin ng paghahatid ng impormasyon, ito ay kabilang sa simplex mode ng operasyon.Gayunpaman, dahil hindi maibibigay ng tag mismo ang transmission carrier, kailangang ibigay ng tugon ng tag ang carrier sa tulong ng reader.Samakatuwid, kapag tumugon ang tag, hangga't ang estado ng pagpapadala ay nababahala, ang magkabilang dulo ng komunikasyon ay nasa isang duplex na gumaganang estado.

Sa iba't ibang gumaganang estado, ang mga circuit unit na pinapagana ng tag ay iba, at ang kapangyarihan na kinakailangan para gumana ang iba't ibang circuit unit ay iba rin.Ang lahat ng kapangyarihan ay nagmumula sa enerhiya ng dalas ng radyo na natanggap ng tag.Samakatuwid, kinakailangang kontrolin ang pamamahagi ng enerhiya ng RF nang makatwiran at kapag naaangkop.

2. RF energy application sa iba't ibang oras ng trabaho

Kapag ang tag ay pumasok sa RF field ng mambabasa at nagsimulang bumuo ng kapangyarihan, kahit na anong signal ang ipadala ng mambabasa sa oras na ito, ang tag ay magbibigay ng lahat ng natanggap na RF energy sa boltahe-doubling rectifier circuit upang singilin ang on-chip energy storage capacitor , sa gayon ay nagtatatag ng power supply ng chip.

Kapag ang reader ay nagpapadala ng command signal, ang transmission signal ng reader ay isang signal na naka-encode ng command data at amplitude na binago ng spread spectrum sequence.May mga bahagi ng carrier at bahagi ng sideband na kumakatawan sa data ng command at mga pagkakasunud-sunod ng spectrum ng spread sa signal na natanggap ng tag.Ang kabuuang enerhiya, enerhiya ng carrier, at mga bahagi ng sideband ng natanggap na signal ay nauugnay sa modulasyon.Sa oras na ito, ang modulation component ay ginagamit upang magpadala ng impormasyon sa pag-synchronize ng command at ang spread spectrum sequence, at ang kabuuang enerhiya ay ginagamit upang singilin ang on-chip energy storage capacitor, na sabay na nagsisimulang magbigay ng power sa on-chip. synchronization extraction circuit at ang command signal demodulation circuit unit.Samakatuwid, sa panahon kung kailan nagpapadala ng pagtuturo ang mambabasa, ang enerhiya ng dalas ng radyo na natanggap ng tag ay ginagamit para sa tag na patuloy na mag-charge, i-extract ang signal ng pag-synchronize, i-demodulate at tukuyin ang signal ng pagtuturo.Ang tag energy storage capacitor ay nasa floating charge power supply state.

Kapag tumugon ang tag sa mambabasa, ang ipinadalang signal ng mambabasa ay isang senyas na na-modulate ng amplitude ng spread spectrum spread spectrum chip rate sub-rate clock.Sa signal na natanggap ng tag, may mga bahagi ng carrier at bahagi ng sideband na kumakatawan sa spread spectrum chip rate sub-rate clock.Sa oras na ito, ang modulation component ay ginagamit upang magpadala ng chip rate at rate ng orasan ng impormasyon ng spread spectrum sequence, at ang kabuuang enerhiya ay ginagamit upang singilin ang on-chip energy storage capacitor at i-modulate ang natanggap na data at magpadala ng tugon sa mambabasa.Ang chip synchronization extraction circuit at ang response signal modulation circuit unit supply power.Samakatuwid, sa panahon kung kailan natanggap ng mambabasa ang tugon, natatanggap ng tag ang enerhiya ng dalas ng radyo at ginagamit para sa tag na magpatuloy sa pag-charge, ang signal ng pag-synchronize ng chip ay kinukuha at ang data ng tugon ay na-modulate at ipinapadala ang tugon.Ang tag energy storage capacitor ay nasa floating charge power supply state.

Sa madaling salita, bilang karagdagan sa tag na pumapasok sa field ng RF ng mambabasa at nagsisimulang magtatag ng panahon ng supply ng kuryente, ibibigay ng tag ang lahat ng natanggap na enerhiya ng RF sa isang circuit ng rectifier na nagdodoble ng boltahe upang singilin ang on-chip na energy storage capacitor, at sa gayon ay maitatag isang chip power supply.Kasunod nito, kinukuha ng tag ang pag-synchronize mula sa natanggap na radio frequency signal, nagpapatupad ng command demodulation, o nagmo-modulate at nagpapadala ng data ng tugon, na lahat ay gumagamit ng natanggap na radio frequency energy.

3. Mga kinakailangan sa enerhiya ng RF para sa iba't ibang mga aplikasyon

(1) Mga kinakailangan sa enerhiya ng RF para sa wireless power transmission

Ang wireless power transfer ay nagtatatag ng power supply para sa tag, kaya nangangailangan ito ng parehong sapat na boltahe upang himukin ang chip circuit, at sapat na kapangyarihan at tuluy-tuloy na power supply na kakayahan.

Ang power supply ng wireless power transmission ay ang pagtatatag ng power supply sa pamamagitan ng pagtanggap ng RF field energy ng reader at pagdodoble ng boltahe sa pagwawasto kapag ang tag ay walang power supply.Samakatuwid, ang sensitivity ng pagtanggap nito ay limitado sa pagbaba ng boltahe ng front-end detection diode tube.Para sa CMOS chips, ang receiving sensitivity ng pagdodoble ng boltahe sa pagwawasto ay Sa pagitan ng -11 at -0.7dBm, ito ang bottleneck ng mga passive na tag.

(2) Mga kinakailangan sa enerhiya ng RF para sa natanggap na pagtuklas ng signal

Habang ang pagwawasto ng pagdodoble ng boltahe ay nagtatatag ng suplay ng kuryente ng chip, kailangang hatiin ng tag ang isang bahagi ng natanggap na enerhiya ng dalas ng radyo upang magbigay ng circuit ng pagtukoy ng signal, kabilang ang pagtukoy ng signal ng command at pagtutugma ng orasan.Dahil ang pag-detect ng signal ay ginagawa sa ilalim ng kundisyong naitatag ang power supply ng tag, ang demodulation sensitivity ay hindi nalilimitahan ng pagbaba ng boltahe ng front-end detection diode tube, kaya ang receiving sensitivity ay mas mataas kaysa sa wireless power. transmission receiving sensitivity, at ito ay kabilang sa signal amplitude detection, at walang power strength requirement.

(3) Mga kinakailangan sa enerhiya ng RF para sa pagtugon sa tag

Kapag tumugon ang tag sa pagpapadala, bilang karagdagan sa pag-detect ng kasabay na orasan, kailangan din nitong magsagawa ng pseudo-PSK modulation sa natanggap na carrier (na naglalaman ng clock modulation envelope) at mapagtanto ang reverse transmission.Sa oras na ito, kinakailangan ang isang tiyak na antas ng kapangyarihan, at ang halaga nito ay nakasalalay sa distansya ng mambabasa sa tag at ang sensitivity ng mambabasa na makakatanggap.Dahil pinapayagan ng working environment ng reader ang paggamit ng mas kumplikadong mga disenyo, ang receiver ay maaaring magpatupad ng low-noise na front-end na disenyo, at ang code division radio frequency identification ay gumagamit ng spread spectrum modulation, pati na rin ang spread spectrum gain at PSK system gain. , ang sensitivity ng mambabasa ay maaaring idinisenyo upang maging sapat na mataas.Upang ang mga kinakailangan para sa return signal ng label ay sapat na nabawasan.

Sa kabuuan, ang radio frequency power na natanggap ng tag ay pangunahing inilalaan bilang ang wireless power transmission voltage doubler rectification energy, at pagkatapos ay ang naaangkop na halaga ng tag signal detection level at ang naaangkop na halaga ng return modulation energy ay inilalaan upang makamit ang isang makatwirang enerhiya pamamahagi at tiyakin ang patuloy na pagsingil ng kapasitor ng imbakan ng enerhiya.ay isang posible at makatwirang disenyo.

Makikita na ang enerhiya ng dalas ng radyo na natanggap ng mga passive na tag ay may iba't ibang mga kinakailangan sa aplikasyon, kaya kinakailangan ang disenyo ng pamamahagi ng kapangyarihan ng dalas ng radyo;ang mga kinakailangan sa aplikasyon ng enerhiya ng dalas ng radyo sa iba't ibang panahon ng pagtatrabaho ay magkakaiba, kaya kinakailangan na magkaroon ng disenyo ng pamamahagi ng kapangyarihan ng dalas ng radyo ayon sa mga pangangailangan ng iba't ibang panahon ng pagtatrabaho;Ang iba't ibang mga application ay may iba't ibang mga kinakailangan para sa RF energy, kung saan ang wireless power transmission ay nangangailangan ng pinakamaraming kapangyarihan, kaya ang RF power allocation ay dapat tumuon sa mga pangangailangan ng wireless power transmission.

Ang mga UHF RFID passive tag ay gumagamit ng wireless power transmission para magtatag ng tag power supply.Samakatuwid, ang kahusayan ng supply ng kuryente ay napakababa at ang kakayahan ng power supply ay napakahina.Ang tag chip ay dapat na dinisenyo na may mababang paggamit ng kuryente.Ang chip circuit ay pinapagana sa pamamagitan ng pag-charge at pagdiskarga ng on-chip energy storage capacitor.Samakatuwid, upang matiyak ang tuluy-tuloy na operasyon ng label, ang kapasitor ng imbakan ng enerhiya ay dapat na patuloy na singilin.Ang enerhiya ng dalas ng radyo na natanggap ng tag ay may tatlong magkakaibang mga aplikasyon: pagwawasto ng pagdodoble ng boltahe para sa supply ng kuryente, pagtanggap at demodulation ng command signal, at modulasyon at paghahatid ng signal ng tugon.Kabilang sa mga ito, ang pagtanggap ng sensitivity ng boltahe-double rectification ay pinaghihigpitan ng boltahe drop ng rectifier diode, na nagiging isang air interface.bottleneck.Para sa kadahilanang ito, ang pagtanggap ng signal at demodulation at response signal modulation at transmission ang mga pangunahing function na dapat tiyakin ng RFID system.Kung mas malakas ang kakayahan ng power supply ng boltahe doubler rectifier tag, mas mapagkumpitensya ang produkto.Samakatuwid, ang pamantayan para sa makatwirang pamamahagi ng natanggap na enerhiya ng RF sa disenyo ng sistema ng tag ay upang madagdagan ang supply ng enerhiya ng RF sa pamamagitan ng pagwawasto ng boltahe ng doubler hangga't maaari sa premise ng pagtiyak ng demodulation ng natanggap na signal at ang paghahatid ng tugon. hudyat.