孔令荣
（深圳市远望谷信息技术股份有限公司，广东 深圳518057）
提出集成两个频段的双频RFID电子标签芯片设计方案，两个频段共享电源和存储器，解决了集成的双频电子标签芯片的电源冲突问题和双频段同时读写存储器的冲突问题，设计了集成符合ISO 18000-6C协议的 UHF频段和符合ISO 11784/11785协议的LF频段的双频RFID电子标签芯片，并给出了电源管理电路。经流片后测试，该双频RFID标签的两个频段的功能正确，灵敏度和识读距离与目前同类型单频段的电子标签相近。
双频；RFID；状态检测；电源管理
中图分类号：TN492
文献识别码：A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.07.010
中文引用格式：孔令荣. 一种双频电子标签芯片及电源管理电路[J].电子技术应用，2017，43(7)：40-42，46.
英文引用格式：Kong Lingrong. A dual-frequency RFID transponder and power management circuits[J].Application of Electronic Technique，2017，43(7)：40-42，46.
0 引言
近年来物联网是人们普遍关注的一项新技术，射频识别技术作为物联网的一个关键技术，得到迅速的发展。目前在实际应用中的电子标签大多基于单频段的RFID技术，不能满足远近系统精准化的管理以及其他业务需求[1]。有些公司提出把两个单频的电子标签复合在一起组成一个双频的电子标签，虽然在一定程度上满足了业务需求，但两个单频的标签相互独立，使用起来不方便。本文提出一种集成的双频RFID电子标签芯片，可以把两个或多个频段的电子标签集成在一颗芯片里，使两个频段共用芯片的电源、中央控制逻辑电路和存储器，实现两个频段的相互协调工作，避免两个频段同时工作产生电源冲突和读写存储器的冲突问题。
1 现有的双频RFID标签解决方案
针对现有的单频段RFID电子标签不能同时满足远近距离、高速识别、高穿透力的应用需求，行业提出一种复合的双频RFID电子标签，如图1所示，复合的电子标签包括两个部分：第一频段的电子标签和第二频段的电子标签，两个频段的标签相互独立，它们有各自的芯片和天线，它们组合在一起封装在一个装配体（标签外壳）中形成一个双频段电子标签[2]。虽然两个频段的标签相互独立，但在实际应用中它们的数据需要相互关联或共享，就需要在两个标签芯片中写入相同的数据，比如TID和UID数据，即相同的数据需要写两遍。
2 本文提出的双频RFID标签芯片
2.1 本文提出的双频标签芯片系统方案
图2是本文提出的无源双频RFID电子标签芯片系统方案。包括第一频段的射频前端电路模块和第二频段的射频前端电路模块、状态检测电路模块、中央控制逻辑电路模块、电源电路模块、存储器电路等。两个射频模块分别处理两个频段射频信号的接收、解调和发送。电源模块把两个射频模块接收的电能转换成电压稳定的直流电源，为芯片的各模块供电。状态检测模块检测两个频段射频端口的激活状态，识别出哪个频段被激活，并把该频段的激活状态信息传递给中央控制逻辑电路模块。中央控制逻辑电路模块根据相关的RFID通信协议标准解析两个射频前端接收的指令并响应指令、读写存储器以及返回相关的数据，并依据两个射频端口的激活状态指示信号确定两个频段读写存储器的优先次序。两个频段共用电源、存储器、中央控制逻辑电路，可以使两个频段相互协调工作，实现存储数据的共享，避免两个频段同时工作时出现电源电压相互冲突问题和两个频段同时读写存储器的冲突问题。
2.2 本文设计的LF UHF双频标签芯片
依据图2所述的系统方案，本文设计了一款集成低频段（LF）和超高频段(UHF)的无源双频RFID标签芯片电路。低频段遵守ISO 11784和ISO 11785协议标准，超高频段遵守ISO 18000-6C协议标准。芯片有低频端口和超高频端口，分别接低频标签天线和超高频标签天线，接收低频和超高频射频信号。两个射频端口可单独连接低频或超高频天线制成低频或超高频单频段电子标签，也可以同时连接一个低频天线和一个超高频天线制成双频电子标签。当该芯片制成双频电子标签时，在低频和超高频同时激活时，低频工作优先，芯片会自动切换到低频工作模式；在只有一种低频或超高频单独激活时，该电子标签芯片自动选择相对应频段的工作模式。
芯片的低频段和超高频段共用存储器，有相同的TID号，相同的数据只需写一次即可，并且存储用户区的数据共享。
2.3 电源管理模块
在本文提出的双频RFID标签芯片方案中，解决两个频段同时工作时产生电源冲突和读写存储器冲突问题的关键在于电源管理模块。使用统一的电源供电和状态检测，使各种冲突问题迎刃而解。因此下面重点阐述双频RFID标签芯片的电源管理电路，对于单个频段的射频前端电路，在很多文献中都有详细描述，本文不再赘述。
双频RFID标签芯片中，两个频段既可以单独工作，也可以同时工作，因此芯片既可以由低频端口的磁场供电，也可以由超高频端口的电磁场供电，并且两边的供电压都有较大的变化范围。芯片电源管理电路的功能就是管理低频和超高频的供电电源，使它们对系统供电时不产生冲突。当标签处于低频磁场中，LF状态检测电路检测低频段的电压，当其达到设定的电压阈值时就输出低频激活状态信号，使数字电路切换到低频工作模式，实现低频工作优先，解决两个频段同时读存储器的冲突问题。
2.3.1 UHF端的整流电路
超高频端的电源恢复电路采用电荷泵整流电路，如图3所示。将从天线接收下来的UHF射频信号恢复出直流电源VDU，为芯片的后续电路提供原始的电源。图3中采用Dickson倍压电路结构[3-4]，MOS管采用二极管接法。输出电压与输入电压的关系如式(1)：
式(1)中的N为倍压电路的级数，Vth为MOS管的阈值电压。电源转换效率公式如式(2)：
式(2)中Iin为输入端的射频信号瞬态电流，Vin为输入端的射频信号瞬态电压，Iout为输出端的直流电流，Vout为输出端的直流电压。
式(1)中可以看出，随着N的增大，输出电压会不断增大，但在实际中由于MOS管存在寄生效应和衬底效应，电源的转换效率随着级数的增加会不断降低，同时转换效率与MOS管的宽度也存在一定的关系，所以需要在输出电压以及电源效率转换间进行折中。通过对电路的优化，最后采用6级倍压结构。
2.3.2 LF端的整流电路
图4是低频端的整流电路，采用NMOS栅交叉连接全波桥式整流电路[5]，把低频射频信号变成直流电源VDL，为芯片的后续电路提供原始的电源。此电路有一对二极管连接的NMOS管，电路从天线到负载电容有阈值电压Vth的压降，因此NMOS管应选用低阈值的MOS管。
2.3.3 双频标签芯片的电源整合及电压调节电路
经过超高频整流电路和低频整流电路输出的两个电源VDU和VDL需要整合成一个电源为芯片供电，并且由于整流电路提供的输出电压随环境因素变化，它还不能满足为后续电路供电的要求，因此还需要一个电压调节电路，提供一个较为稳定的电压，作为整个芯片电路的工作电压。
电源整合及电压调节电路如图5所示。Pmos晶体管MP3作为电源整合开关，当它截止时，由VDU为芯片供电，当它导通时，把VDL连接到VDU，由VDL为芯片供电。为了防止MP3露电，需要把MP3的衬底连接VDU和VDL两者中电压较高的一个，因此MP1和MP2作为MP3的衬底电压选择开关，当MP1导通MP2截止时，选择VDU作为MP3的衬底电压，反之则选择VDL作为MP3的衬底电压。反相器inv1、MN1、MN2、MP4、MP5作为电平转换电路，对输入信号LF_flag进行电平转换。当超高频端被激活而低频端没有被激活时，LF_flag为低电平，节点V1为高电平，V2为低电平，MP1导通，MP2和MP3截止，由VDU为芯片供电；当超高频端没有被激活而低频端被激活时，LF_flag为高电平，节点V1为低电平，V2为高电平，MP1截止，MP2和MP3导通，由VDL为芯片供电；当超高频端和低频端同时被激活时，LF_flag为高电平，节点V1为低电平，V2为高电平，MP1截止，MP2和MP3导通，此时VDU和VDL同时为芯片供电，由于芯片设计成低频工作优先，因此此时的芯片工作在低频优先工作状态。通过开关管MP3使VDU和VDL断开，避免了低频端的整流电源与超高频端的整流电流直接连接在一起，有效地避免了因为低频端口的低频天线产生的干扰信号通过电源线流窜到超高频端而导致超高频端灵敏度下降的问题。
经过电源整合后的电源电压还有很大的波动，为了防止电压太高而损坏芯片，需要增加一个起电压保护作用的泄流电路[6]，当电压超过设定电压时就泄放掉部分电荷，使电源电压降。
图5中，基准电压源、运算放大器AMP1、PMOS晶体管MP6、R1和R2、电容CL构成电压调节电路，其工作原理详见文献[7-8]。基准电压源是一个与电源电压无关的参考源。输出电源VDD电压经电阻R1和R2分压后与基准电压相比较，通过运算放大器AMP1放大其差值来控制MP6晶体管的栅极电压，使得输出电压VDD与基准电压源的输出电压保持相对稳定的状态。
3 芯片测试结果
本文提出的双频RFID电子标签芯片电路基于某代工厂 0.18 μm的标准CMOS工艺设计并流片。芯片的电源整合及电压调节电路的仿真结果如图6所示，在500 μs之前电路由超高频端供电，此时VDU供电电压为2.2 V，VDD输出电压为1.18 V，LF_flag为低电平，VDL为低电压，虽然VDL上有很大的干扰信号，但由于此时图5中MP3晶体管处于截止状态，VDL与VDU断开，VDL上的干扰信号对VDU没有产生影响；在500 μs之后VDL电压为2.7 V，LF_flag为高电平，此时由低频端供电或者由低频端和超高端同时供电，VDU的电压取两个输入电压的较高者。不管是由低频端供电还是由超高频端供电，VDD输出稳定的电压为整个芯片电路供电。
芯片的版图如图7所示，版图面积为750×1 020 μm2，芯片设有4个PAD,分别是UHF的两个射频PAD和LF端的两个射频PAD。为了降低两个频段相互干扰，把两个频段的射频电路分开，图中左边为低频射频电路，右边为超高频射频电路和电源管理电路。中间的上部是存储器，中间的下部是数字逻辑电路。
图8是由封装后的芯片制成的双频标签测试样品，UHF端连接半波偶极子天线，工作频率为920~960 MHz；LF端连接低频电感线圈天线，工作频率为134.2 kHz。UHF端的灵敏度为-16 dBm，低频端的读标签距离为10 cm。标签在两个频段的灵敏度和识读距离与业界的同类标签相近似。
4 结语
本文提出的双频RFID电子标签芯片系统方案和电路结构，解决了多频段电子标签集成在一个芯片上相互冲突的问题，并且设计和流片了集成超高频和低频的双频电子标签芯片，通过测试验证了芯片的各项功能和性能与业界的同类标签相近。
参考文献
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