一種應(yīng)用于射頻卡的集成穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)

1. 引言
近年來(lái)，隨著無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，微電子技術(shù)的發(fā)展，非接觸式IC卡（射頻卡）技術(shù)蓬勃發(fā)展，并在眾多領(lǐng)域里得到了迅速的普及和推廣，如公交自動(dòng)售票系統(tǒng)、居民身份證卡、電話(huà)卡、銀行卡等。無(wú)源供電技術(shù)是射頻卡的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前主要是通過(guò)電磁感應(yīng)原理和集成穩(wěn)壓電路來(lái)解決的。當(dāng)射頻卡進(jìn)入閱讀器磁場(chǎng)時(shí)，通過(guò)電磁感應(yīng)從磁場(chǎng)中獲得能量，即在卡的線(xiàn)圈兩端感應(yīng)出交流電流，經(jīng)過(guò)整流穩(wěn)壓后可得到直流電壓。本文討論一種采用0.35um CMOS工藝專(zhuān)為射頻卡設(shè)計(jì)的自反饋開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電路。
2. 穩(wěn)壓電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理
集成穩(wěn)壓電路也稱(chēng)集成電壓調(diào)整器，當(dāng)輸入電壓或輸出電流在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，其輸出電壓保持不變。它已被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，以取代分立器件組裝的穩(wěn)壓電源。
2.1 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
該集成穩(wěn)壓電路主要包括以下幾個(gè)部分：基準(zhǔn)源電路，電壓調(diào)節(jié)電路和電源開(kāi)關(guān)電路。
基準(zhǔn)源電路由二級(jí)CMOS差分放大電路和晶體管電路構(gòu)成的能隙基準(zhǔn)源組成。其結(jié)構(gòu)如圖1。


有源電阻P0和多晶電阻R7組成偏置電路，為電路提供偏置電流。二級(jí)差分放大器的兩個(gè)輸入連接在Q1端和Q2端，由基準(zhǔn)源原理可知只有放大電路的輸入失調(diào)電壓很小，并且不受溫度的影響時(shí)，基準(zhǔn)源的輸出才可以保持好的性能。根據(jù)放大器的作用和能隙基準(zhǔn)源原理可得：
I1R6=I2R4 （1）
由（1）式可知電路中放大器的輸入失調(diào)電壓接近為零。故穩(wěn)定后REF點(diǎn)的電壓值為下式：
VREF=VQ1+VR6=VQ1+R6I1= VQ1+R4I2 （2）
因PNP晶體管的基極和集電極相連，故VQ1值相當(dāng)于晶體管中BE結(jié)二極管的正向壓降VBE 值，VBE一般為0.6~0.8V。
晶體管中BE結(jié)二極管的溫度系數(shù)為負(fù)，而電阻的溫度系數(shù)為正，在（2）式中VQ1和VR6隨溫度的變化可以相互補(bǔ)償，故該基準(zhǔn)源的輸出VREF對(duì)溫度變化不敏感。
電壓調(diào)節(jié)電路是穩(wěn)壓電路中的核心部分，包括兩個(gè)一級(jí)CMOS差分放大電路COMP和電壓調(diào)節(jié)及反饋電路，如圖2。

 
兩個(gè)差分放大器的輸入由分壓電阻得到，比較放大后經(jīng)反饋調(diào)節(jié)和限流保護(hù)電路得到MA1和MB1以來(lái)控制電源開(kāi)關(guān)電路中開(kāi)關(guān)管的開(kāi)啟和截止。
電源開(kāi)關(guān)電路由儲(chǔ)能電容，NMOS管構(gòu)成的整流器及開(kāi)關(guān)電路組成，如圖3。P1，P2直接連到線(xiàn)圈L0的兩端，通過(guò)電磁耦合在P1，P2上感應(yīng)出交流電，經(jīng)整流后在儲(chǔ)能電容C0端產(chǎn)生直流電壓VDD。調(diào)壓電容C5在N2管導(dǎo)通后構(gòu)成放電回路使P1，P2上的電流開(kāi)始對(duì)C5充電而停止對(duì)C0充電，使C0兩端電壓保持穩(wěn)定，即為負(fù)載電路提供穩(wěn)定的電源電壓。


2.2 工作原理：
射頻卡進(jìn)入閱讀器的磁場(chǎng)時(shí)，經(jīng)線(xiàn)圈電磁耦合后在P1，P2上產(chǎn)生交流感應(yīng)電流，通過(guò)整流器轉(zhuǎn)換成直流電流，同時(shí)對(duì)儲(chǔ)能電容C0和電壓調(diào)節(jié)電容C5進(jìn)行充電。C5電容很小，通過(guò)整流器的電流瞬間可將其充滿(mǎn)，由于N2管截止在C5兩邊沒(méi)有放電回路，故P1，P2上的電流將只對(duì)電容C0充電，C0兩端產(chǎn)生電源電壓VDD，VDD隨著電容充電過(guò)程而不斷升高。整流器中有源電阻和二極管的作用使得P1，P2兩端的電壓幅值上升，導(dǎo)致a點(diǎn)的電位也隨之上升；同時(shí)，電壓采樣電路的輸出也隨著VDD的升高而升高。當(dāng)VDD電壓值達(dá)到V0時(shí)（見(jiàn)圖4），采樣輸出電壓都大于基準(zhǔn)電壓VREF，此時(shí)電壓調(diào)節(jié)電路中輸出MA1，MB1的電壓值能夠使N1，N2這兩個(gè)管子先后開(kāi)啟。因N2管源端接地，N2管導(dǎo)通后a上的電壓開(kāi)始降低，使得P1，P2再次對(duì)C5進(jìn)行充電。由于N2管一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，故C5也同時(shí)開(kāi)始放電，此后C5和N2管一直處于一邊充電一邊放電的狀態(tài)，且a點(diǎn)電壓在一定的范圍內(nèi)振蕩。C5的充放電通過(guò)反饋使得P1、P2上電壓峰值保持在一定的電位上，也不再對(duì)電容C0繼續(xù)充電，故C0兩端的電壓差保持穩(wěn)定。此時(shí)得到的VDD就是我們所需要的工作電壓。射頻卡正常工作時(shí)由于負(fù)載電路的消耗，儲(chǔ)能電容C0上的電壓會(huì)隨之下降，當(dāng)VDD值小于V0值時(shí)N2管將截止，C5電容沒(méi)放電回路，P1，P2對(duì)C5充電充滿(mǎn)后，將對(duì)C0繼續(xù)充電使C0兩端的壓差增大，即VDD上升。這樣電路中就形成了一個(gè)自反饋的穩(wěn)壓電源。
3. 模擬結(jié)果
在射頻卡正常工作環(huán)境中，卡和閱讀器的耦合系數(shù)很小一般為0.1~0.35左右，閱讀器信號(hào)電壓一般為12V。仿真驗(yàn)證中，加12V、13.56MHz的測(cè)試激勵(lì)以在電感L0上得到感應(yīng)電流。采用0.35um的SPICE模型，耦合系數(shù)設(shè)為0.25，得到VDD穩(wěn)定電壓為3.35V，Hspice仿真結(jié)果見(jiàn)圖4：


4. 結(jié)論
通過(guò)上述的設(shè)計(jì)和仿真分析，可知此穩(wěn)壓電路可在短時(shí)間內(nèi)獲得穩(wěn)定電壓，并可自動(dòng)調(diào)整；多目標(biāo)流片測(cè)試結(jié)果基本與仿真結(jié)果一致亦達(dá)到設(shè)計(jì)要求，故具有較好的實(shí)用性和參考價(jià)值