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无源RFID标签芯片的低功耗电源管理系统

刘尧  
【摘要】:近几年来,物联网、生物医疗和物流管理等新的应用场合的出现对无源RFID标签的功耗和成本提出了更苛刻的要求,无源RFID标签芯片的低功耗和低成本设计是应对这种新的挑战的主要措施。现有的研究主要集中在能量消耗模块的低功耗设计上,但在电源管理系统的优化设计上还需要进一步结合RFID芯片的功耗和成本特点进行深入研究。本文以无源RFID标签芯片的低功耗电源管理系统设计为目标,对电源管理系统的功耗特点进行了分析,并得出了相应的低功耗措施。 首先,介绍了无源高频RFID标签芯片的系统结构,重点指出电源管理系统在整个标签芯片中的功能及其重要性。然后重点分析电源管理模块的内部架构,即能量的获取,电压的产生和电压的切换,指出其所面临的功耗和成本限制以及相应的设计准则。 其次,介绍了一种与标准CMOS高压兼容的高频整流电路,然后重点设计了一种多电压低功耗电压产生电路,该电压产生电路通过合理的分配和控制电源电压,能够减小40%的EEPROM功耗、59%的模拟前端功耗、27%的储能电容面积和7μA的不必要的功耗损失。然后介绍了一种能有效减小电压切换电路在切换瞬间瞬态大电流的优化方法。 最后,设计了一种分步式高压产生电路,重点讨论了时钟频率、幅度和步数的选择,以及其中核心模块:NCP-2电荷泵和时钟幅度控制电路的设计。NCP-2电荷泵的设计采用一种以功耗为中心的低功耗方法来确定其级数。驱动时钟分两步上升,幅度分别为1.8V和2.3V。经过优化设计的电荷泵的平均动态功耗为37.1μW,功耗-延迟积为5.6nJ。


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