¿En qué se basa el chip de la etiqueta pasiva UHF RFID para suministrar energía?

Como la parte más básica de la tecnología pasiva de Internet de las cosas, las etiquetas pasivas UHF RFID se han utilizado ampliamente en una gran cantidad de aplicaciones, como supermercados minoristas, logística y almacenamiento, archivos de libros, trazabilidad contra la falsificación, etc. Solo en 2021, global La cantidad de envío es más de 20 mil millones. En aplicaciones prácticas, ¿en qué se basa exactamente el chip de la etiqueta pasiva UHF RFID para suministrar energía?

Las características de la fuente de alimentación de la etiqueta pasiva UHF RFID

1. Alimentado por energía inalámbrica

La transmisión inalámbrica de energía utiliza radiación electromagnética inalámbrica para transferir energía eléctrica de un lugar a otro. El proceso de trabajo consiste en convertir la energía eléctrica en energía de radiofrecuencia a través de la oscilación de radiofrecuencia, y la energía de radiofrecuencia se convierte en energía de campo electromagnético de radio a través de la antena transmisora. La energía del campo electromagnético de radio se propaga a través del espacio y llega a la antena receptora, luego la antena receptora la convierte nuevamente en energía de radiofrecuencia y la onda de detección se convierte en energía de CC.

En 1896, el italiano Guglielmo Marchese Marconi inventó la radio, que realizó la transmisión de señales de radio a través del espacio. En 1899, el estadounidense Nikola Tesla propuso la idea de utilizar la transmisión de energía inalámbrica y estableció una antena de 60 m de altura, con inductancia cargada en la parte inferior y capacitancia cargada en la parte superior en Colorado, utilizando una frecuencia de 150 kHz para generar 300 kW de potencia. Transmite a una distancia de hasta 42 km y obtiene 10 kW de potencia de recepción inalámbrica en el extremo receptor.

La fuente de alimentación de la etiqueta pasiva UHF RFID sigue esta idea, y el lector suministra energía a la etiqueta a través de la radiofrecuencia. Sin embargo, existe una gran diferencia entre la fuente de alimentación de la etiqueta pasiva UHF RFID y la prueba de Tesla: la frecuencia es casi diez mil veces mayor y el tamaño de la antena se reduce mil veces. Dado que la pérdida de transmisión inalámbrica es proporcional al cuadrado de la frecuencia y al cuadrado de la distancia, está claro que el aumento de la pérdida de transmisión es enorme. El modo de propagación inalámbrica más simple es la propagación en el espacio libre. La pérdida de propagación es inversamente proporcional al cuadrado de la longitud de onda de propagación y proporcional al cuadrado de la distancia. La pérdida de propagación en el espacio libre es LS=20lg(4πd/λ). Si la unidad de distancia d es my la unidad de frecuencia f es MHz, entonces LS= -27.56+20lgd+20lgf.

El sistema RFID UHF se basa en el mecanismo de transmisión de energía inalámbrica. La etiqueta pasiva no tiene su propia fuente de alimentación. Necesita recibir la energía de radiofrecuencia emitida por el lector y establecer una fuente de alimentación de CC a través de la rectificación de duplicación de voltaje, lo que significa establecer una fuente de alimentación de CC a través de la bomba de carga Dickson.

La distancia de comunicación aplicable de la interfaz aérea RFID UHF está determinada principalmente por la potencia de transmisión del lector y la pérdida de propagación básica en el espacio. La potencia de transmisión del lector RFID de banda UHF generalmente está limitada a 33dBm. A partir de la fórmula básica de pérdida de propagación, ignorando cualquier otra pérdida posible, se puede calcular la potencia de RF que llega a la etiqueta a través de la transmisión de energía inalámbrica. En la tabla se muestra la relación entre la distancia de comunicación de la interfaz aérea RFID UHF y la pérdida de propagación básica y la potencia de RF que llega a la etiqueta:

En la tabla se puede ver que la transmisión de energía inalámbrica UHF RFID tiene las características de una gran pérdida de transmisión. Dado que RFID cumple con las normas nacionales de comunicación de corta distancia, la potencia de transmisión del lector es limitada, por lo que la etiqueta puede suministrar poca potencia. A medida que aumenta la distancia de comunicación, la energía de radiofrecuencia recibida por la etiqueta pasiva disminuye según la frecuencia y la capacidad de suministro de energía disminuye rápidamente.

2. Implemente la fuente de alimentación cargando y descargando condensadores de almacenamiento de energía en el chip

(1) Características de carga y descarga del capacitor

Las etiquetas pasivas utilizan la transmisión de energía inalámbrica para obtener energía, convertirla en voltaje de CC, cargar y almacenar los capacitores en el chip y luego suministrar energía a la carga a través de la descarga. Por lo tanto, el proceso de suministro de energía de las etiquetas pasivas es el proceso de carga y descarga de capacitores. El proceso de establecimiento es un proceso de carga pura, y el proceso de suministro de energía es un proceso de descarga y carga suplementaria. La carga suplementaria debe comenzar antes de que la tensión de descarga alcance la tensión de alimentación mínima del chip.

(2) Parámetros de carga y descarga del capacitor

1) Parámetros de carga

Duración del tiempo de carga: τC=RC×C

Voltaje de carga:

corriente de recarga:

donde RC es la resistencia de carga y C es el capacitor de almacenamiento de energía.

2) Parámetros de descarga

Duración del tiempo de descarga: τD=RD×C

Voltaje de descarga:

Corriente de descarga:

En la fórmula, RD es la resistencia de descarga y C es el condensador de almacenamiento de energía.

Lo anterior muestra las características de la fuente de alimentación de las etiquetas pasivas. No es una fuente de voltaje constante ni una fuente de corriente constante, sino la carga y descarga del capacitor de almacenamiento de energía. Cuando el capacitor de almacenamiento de energía en el chip se carga por encima del voltaje de trabajo V0 del circuito del chip, puede suministrar energía a la etiqueta. Cuando el capacitor de almacenamiento de energía comienza a suministrar energía, su voltaje de suministro de energía comienza a caer. Cuando cae por debajo del voltaje operativo del chip V0, el capacitor de almacenamiento de energía pierde su capacidad de suministro de energía y el chip no puede continuar funcionando. Por lo tanto, la etiqueta de interfaz aérea debe tener suficiente capacidad para recargar la etiqueta.

Se puede ver que el modo de fuente de alimentación de las etiquetas pasivas es adecuado para las características de la comunicación en ráfaga, y la fuente de alimentación de las etiquetas pasivas también necesita el soporte de carga continua.

3 Equilibrio de oferta y demanda

La fuente de alimentación de carga flotante es otro método de suministro de energía, y la capacidad de la fuente de alimentación de carga flotante se adapta a la capacidad de descarga. Pero todos tienen un problema común, es decir, la fuente de alimentación de las etiquetas pasivas UHF RFID necesita equilibrar la oferta y la demanda.

(1) Modo de fuente de alimentación de equilibrio de oferta y demanda para comunicación en ráfaga

El estándar actual ISO/IEC18000-6 de etiquetas pasivas UHF RFID pertenece al sistema de comunicación de ráfaga. Para las etiquetas pasivas, no se transmite ninguna señal durante el período de recepción. Aunque el periodo de respuesta recibe la onda portadora, es equivalente a adquirir la fuente de oscilación, por lo que puede considerarse como trabajo símplex. Camino. Para esta aplicación, si el período de recepción se usa como el período de carga del capacitor de almacenamiento de energía, y el período de respuesta es el período de descarga del capacitor de almacenamiento de energía, la misma cantidad de carga y descarga para mantener el equilibrio de oferta y demanda se convierte en una condición necesaria para mantener el funcionamiento normal del sistema. Se puede saber por el mecanismo de suministro de energía de la etiqueta pasiva UHF RFID mencionada anteriormente que el suministro de energía de la etiqueta pasiva UHF RFID no es ni una fuente de corriente constante ni una fuente de voltaje constante. Cuando el condensador de almacenamiento de energía de la etiqueta se carga a un voltaje superior al voltaje de funcionamiento normal del circuito, se inicia la fuente de alimentación; cuando el condensador de almacenamiento de energía de la etiqueta se descarga a un voltaje inferior al voltaje de funcionamiento normal del circuito, se detiene la fuente de alimentación.

Para la comunicación en ráfaga, como la interfaz aérea RFID UHF de etiqueta pasiva, la carga se puede cargar antes de que la etiqueta envíe una ráfaga de respuesta, lo suficiente para garantizar que se pueda mantener suficiente voltaje hasta que se complete la respuesta. Por lo tanto, además de la radiación de radiofrecuencia lo suficientemente fuerte que puede recibir la etiqueta, también se requiere que el chip tenga una capacitancia en el chip lo suficientemente grande y un tiempo de carga lo suficientemente largo. El consumo de energía de respuesta de la etiqueta y el tiempo de respuesta también deben adaptarse. Debido a la distancia entre la etiqueta y el lector, el tiempo de respuesta es diferente, el área del capacitor de almacenamiento de energía es limitada y otros factores pueden dificultar el equilibrio entre la oferta y la demanda en la división del tiempo.

(2) Modo de fuente de alimentación flotante para comunicación continua

Para la comunicación continua, para mantener la fuente de alimentación ininterrumpida del condensador de almacenamiento de energía, debe descargarse y cargarse al mismo tiempo, y la velocidad de carga es similar a la velocidad de descarga, es decir, la capacidad de la fuente de alimentación se mantiene antes se termina la comunicación.

La identificación por radiofrecuencia de división de código de etiqueta pasiva y el estándar actual de etiqueta pasiva RFID UHF ISO/IEC18000-6 tienen características comunes. El estado de recepción de la etiqueta debe demodularse y decodificarse, y el estado de respuesta debe modularse y enviarse. Por lo tanto, debe diseñarse de acuerdo con la comunicación continua. Sistema de suministro de energía con chip de etiqueta. Para que la tasa de carga sea similar a la tasa de descarga, la mayor parte de la energía recibida por la etiqueta debe usarse para cargar.

Recursos de RF compartidos

1. Front-end RF para etiquetas pasivas

Las etiquetas pasivas no solo se utilizan como fuente de energía de las etiquetas y tarjetas postales para la energía de radiofrecuencia de los lectores, sino que, lo que es más importante, la transmisión de la señal de instrucción del lector a la etiqueta y la transmisión de la señal de respuesta de la etiqueta al lector son realizado a través de la transmisión inalámbrica de datos. La energía de radiofrecuencia recibida por la etiqueta debe dividirse en tres partes, que se utilizan respectivamente para que el chip establezca la fuente de alimentación, demodule la señal (incluida la señal de comando y el reloj de sincronización) y proporcione la portadora de respuesta.

El modo de trabajo del estándar UHF RFID actual tiene las siguientes características: el canal de enlace descendente adopta el modo de transmisión y el canal de enlace ascendente adopta el modo de respuesta de secuencia de un solo canal para compartir etiquetas múltiples. Por lo tanto, en términos de transmisión de información, pertenece al modo de operación simplex. Sin embargo, dado que la etiqueta en sí misma no puede proporcionar el portador de transmisión, la respuesta de la etiqueta debe proporcionar el portador con la ayuda del lector. Por lo tanto, cuando la etiqueta responde, en lo que respecta al estado de envío, ambos extremos de la comunicación están en un estado de trabajo dúplex.

En diferentes estados de trabajo, las unidades de circuito puestas en funcionamiento por la etiqueta son diferentes, y la potencia requerida para que funcionen las diferentes unidades de circuito también es diferente. Todo el poder proviene de la energía de radiofrecuencia recibida por la etiqueta. Por lo tanto, es necesario controlar la distribución de energía de RF de manera razonable y cuando sea apropiado.

2. Aplicación de energía RF en diferentes horas de trabajo

Cuando la etiqueta ingresa al campo de RF del lector y comienza a acumular energía, sin importar qué señal envíe el lector en ese momento, la etiqueta suministrará toda la energía de RF recibida al circuito rectificador de duplicación de voltaje para cargar el capacitor de almacenamiento de energía en el chip. , estableciendo así la fuente de alimentación del chip.

Cuando el lector transmite la señal de comando, la señal de transmisión del lector es una señal codificada por los datos de comando y modulada en amplitud por la secuencia de espectro ensanchado. Hay componentes portadores y componentes de banda lateral que representan datos de comando y secuencias de espectro ensanchado en la señal recibida por la etiqueta. La energía total, la energía de la portadora y los componentes de banda lateral de la señal recibida están relacionados con la modulación. En este momento, el componente de modulación se usa para transmitir la información de sincronización del comando y la secuencia de espectro ensanchado, y la energía total se usa para cargar el capacitor de almacenamiento de energía en el chip, que simultáneamente comienza a suministrar energía al chip. circuito de extracción de sincronización y la unidad de circuito de demodulación de señal de comando. Por lo tanto, durante el período en que el lector envía una instrucción, la energía de radiofrecuencia recibida por la etiqueta se utiliza para que la etiqueta continúe cargándose, extraiga la señal de sincronización, demodule e identifique la señal de instrucción. El capacitor de almacenamiento de energía de la etiqueta está en un estado de fuente de alimentación de carga flotante.

Cuando la etiqueta responde al lector, la señal transmitida por el lector es una señal que está modulada por la amplitud del reloj de subvelocidad de chip de espectro ensanchado de espectro ensanchado. En la señal recibida por la etiqueta, hay componentes portadores y componentes de banda lateral que representan el reloj de subtasa de tasa de chip de espectro ensanchado. En este momento, el componente de modulación se utiliza para transmitir la información de tasa de chip y reloj de tasa de la secuencia de espectro ensanchado, y la energía total se utiliza para cargar el condensador de almacenamiento de energía en el chip y modular los datos recibidos y enviar una respuesta al lector. El circuito de extracción de sincronización de chip y la unidad de circuito de modulación de señal de respuesta suministran energía. Por lo tanto, durante el período en que el lector recibe la respuesta, la etiqueta recibe la energía de radiofrecuencia y se utiliza para que la etiqueta continúe cargándose, se extrae la señal de sincronización del chip y se modulan los datos de respuesta y se envía la respuesta. El capacitor de almacenamiento de energía de la etiqueta está en un estado de fuente de alimentación de carga flotante.

En resumen, además de que la etiqueta ingrese al campo de RF del lector y comience a establecer un período de suministro de energía, la etiqueta suministrará toda la energía de RF recibida a un circuito rectificador de duplicación de voltaje para cargar el capacitor de almacenamiento de energía en el chip, estableciendo así una fuente de alimentación de chip. Posteriormente, la etiqueta extrae la sincronización de la señal de radiofrecuencia recibida, implementa la demodulación de comandos o modula y transmite datos de respuesta, todo lo cual utiliza la energía de radiofrecuencia recibida.

3. Requisitos de energía de RF para diferentes aplicaciones

(1) Requisitos de energía de RF para la transmisión de energía inalámbrica

La transferencia de energía inalámbrica establece la fuente de alimentación para la etiqueta, por lo que requiere suficiente voltaje para impulsar el circuito del chip y suficiente potencia y capacidad de fuente de alimentación continua.

La fuente de alimentación de la transmisión de energía inalámbrica es establecer la fuente de alimentación al recibir la energía del campo de RF del lector y la rectificación de duplicación de voltaje cuando la etiqueta no tiene fuente de alimentación. Por lo tanto, su sensibilidad de recepción está limitada por la caída de voltaje del extremo frontal. tubo de diodo de detección Para chips CMOS, la sensibilidad de recepción de la rectificación de duplicación de voltaje está entre -11 y -0.7dBm, es el cuello de botella de las etiquetas pasivas.

(2) Requisitos de energía de RF para la detección de señales recibidas

Si bien la rectificación de duplicación de voltaje establece la fuente de alimentación del chip, la etiqueta debe dividir una parte de la energía de radiofrecuencia recibida para proporcionar un circuito de detección de señal, incluida la detección de señal de comando y la detección de reloj síncrono. Se ha establecido la fuente de alimentación de la etiqueta, la sensibilidad de demodulación no está limitada por la caída de voltaje del tubo de diodo de detección frontal, por lo que la sensibilidad de recepción es mucho mayor que la sensibilidad de recepción de transmisión de energía inalámbrica, y pertenece a la señal Detección de amplitud, y no hay requisito de fuerza de potencia.

(3) Requisitos de energía de RF para la respuesta de la etiqueta

Cuando la etiqueta responde al envío, además de detectar el reloj síncrono, también necesita realizar una modulación pseudo-PSK en la portadora recibida (que contiene la envolvente de modulación del reloj) y realizar una transmisión inversa. En este momento, se requiere un cierto nivel de potencia. , y su valor depende de la distancia del lector a la etiqueta y la sensibilidad del lector para recibir. Dado que el entorno de trabajo del lector permite el uso de diseños más complejos, el receptor puede implementar un diseño frontal de bajo ruido , y la identificación por radiofrecuencia de división de código utiliza modulación de espectro ensanchado, así como ganancia de espectro ensanchado y ganancia del sistema PSK, la sensibilidad del lector puede diseñarse para que sea lo suficientemente alta, de modo que se reduzcan los requisitos para la señal de retorno de la etiqueta suficiente.

En resumen, la potencia de radiofrecuencia recibida por la etiqueta se asigna principalmente como la energía de rectificación del duplicador de voltaje de transmisión de energía inalámbrica, y luego se asigna la cantidad adecuada de nivel de detección de señal de etiqueta y la cantidad adecuada de energía de modulación de retorno para lograr una energía razonable distribución y garantizar la carga continua del condensador de almacenamiento de energía es un diseño posible y razonable.

Se puede ver que la energía de radiofrecuencia recibida por las etiquetas pasivas tiene varios requisitos de aplicación, por lo que se requiere un diseño de distribución de energía de radiofrecuencia; los requisitos de aplicación de la energía de radiofrecuencia en diferentes períodos de trabajo son diferentes, por lo que es necesario tener una radio diseño de distribución de energía de frecuencia de acuerdo con las necesidades de diferentes períodos de trabajo; Las diferentes aplicaciones tienen diferentes requisitos para la energía de RF, entre los cuales la transmisión de energía inalámbrica requiere la mayor cantidad de energía, por lo que la asignación de energía de RF debe centrarse en las necesidades de la transmisión de energía inalámbrica.

Las etiquetas pasivas UHF RFID utilizan transmisión de energía inalámbrica para establecer una fuente de alimentación de etiquetas. Por lo tanto, la eficiencia de la fuente de alimentación es extremadamente baja y la capacidad de la fuente de alimentación es muy débil. El chip de la etiqueta debe diseñarse con bajo consumo de energía. El circuito del chip se alimenta cargando y descargando el capacitor de almacenamiento de energía en el chip. Por lo tanto, para garantizar el funcionamiento continuo de la etiqueta, el capacitor de almacenamiento de energía debe cargarse continuamente. La energía de radiofrecuencia recibida por la etiqueta tiene tres aplicaciones diferentes: rectificación de duplicación de voltaje para suministro de energía, recepción y demodulación de señales de comando y modulación y transmisión de señales de respuesta. Entre ellos, la sensibilidad de recepción de la rectificación de duplicación de voltaje está restringida por la caída de voltaje del diodo rectificador, que se convierte en una interfaz de aire. embotellamiento. Por este motivo, la recepción y demodulación de la señal y la modulación y transmisión de la señal de respuesta son las funciones básicas que debe garantizar el sistema RFID. Cuanto más fuerte sea la capacidad de suministro de energía de la etiqueta del rectificador duplicador de voltaje, más competitivo será el producto. Por lo tanto, el criterio para distribuir racionalmente la energía de RF recibida en el diseño del sistema de etiquetas es aumentar el suministro de energía de RF por rectificación del doblador de voltaje tanto como sea posible con la premisa de asegurar la demodulación de la señal recibida y la transmisión de la respuesta.