無源超高頻RFID低壓高效電荷泵的設計與實現

靳 釗，莊奕琪，王江安，杜永乾，喬麗萍，張 超

(1. 西安電子科技大學微電子學院 西安 710071; 2. 西藏民族學院信息工程學院 陜西 咸陽 712082)

無源超高頻RFID低壓高效電荷泵的設計與實現

靳 釗1，莊奕琪1，王江安1，杜永乾1，喬麗萍2，張 超1

(1. 西安電子科技大學微電子學院 西安 710071; 2. 西藏民族學院信息工程學院 陜西 咸陽 712082)

提出了一種適用于無源超高頻射頻識別(RFID)標簽的低壓高效電荷泵電路的設計方案，用以最大化標簽的識別距離。該方案利用偏置電路為主電荷泵提供偏置電壓，通過二極管連接的MOSFET抑制偏置電路的負載電流來提高偏置電壓，大大減小了傳統電荷泵中的閾值損失，有效抑制了反向漏電流，提高了電荷泵的靈敏度和能量轉換效率。該結構使用chartered 0.35 μm CMOS工藝進行流片驗證，實測結果表明，在輸入275 mV負載電阻200 k?情況下，電荷泵輸出可達1.47 V，能量轉換效率最高可達26.2%；采用該電荷泵的RFID標簽識別距離最遠可達4.2 m。該設計為RFID芯片的良好性能提供了可靠保證。

電荷泵電路; 低壓; 能量轉換效率; 射頻識別

RFID (radio frequency identification)是近年來興起的一種發展迅速的自動識別技術[1]。射頻識別技術利用射頻方式進行非接觸雙向通信，以達到識別的目的并交換數據，以其非接觸式、存儲容量大、識別速度快、可多卡識別等優點而備受關注，在生產、零售、物流、交通等各個行業有著廣闊的應用前景。

無源RFID標簽利用電荷泵將射頻電壓轉化為直流電壓，并升高到標簽芯片正常工作所需要的電壓幅度。RFID芯片遠距離工作時，輸入功率很低，一方面需要采用各種設計方法降低芯片的模擬前端和數字基帶功耗[2]；另一方面需要優化芯片的能量轉換電路，以獲取盡可能多的能量。高效率正逐漸成為近年來芯片研究的熱點[3,4]，電荷泵作為芯片獲取工作能量的唯一來源，其效率更是直接影響后級電路所能獲得的能量大小和芯片的識別距離等關鍵性能指標。因此，提高電荷泵電路的能量轉換效率對無源RFID應用具有非常重要的意義。

常見的電荷泵包括Dickson電荷泵[5]、全波整流器、電荷傳輸開關(charge transfer switches，CTS)電荷泵[6]等。Dickson電荷泵結構簡單，但其能量轉換效率隨著級數的增加顯著下降，直接應用于無源RFID芯片效果并不好；全波整流器雖具有較高的整流效率，但是低壓工作性能較差；CTS電荷泵利用內部Dickson電荷泵產生的增強電壓控制CTS中的傳輸開關，適用于低壓操作，但是其CTS MOS管的偏置電壓由電荷泵的后級結構提供，電壓值受到限制且隨負載變化而變化，因此效率不高。

本文提出了一種用于無源UHF RFID的新型電荷泵結構。該結構包含兩個電荷泵：主電荷泵基于CTS結構設計；Dickson電荷泵作為副電荷泵，為主電荷泵提供偏置電壓，并利用二極管連接的MOS管有效抑制偏置電路的負載提高偏置電壓。該結構設計減少了傳統結構中整流器件的閾值損失對能量轉換效率的影響，提供了良好的低壓工作性能，實測結果表明，該電荷泵為RFID標簽的遠距離識別提供了可靠保證。

1 傳統電荷泵分析

1.1 基本電荷泵結構

基本的Dickson電荷泵結構如圖1所示，二極管D1和D2、耦合電容C1和C2組成的電路構成了電荷泵的第一級，其中Vin是輸入交流電壓的幅度。假設輸入信號為方波以簡化計算，最終的輸出直流電壓可由式(1)計算[5]：

式中 N、Iload、C、Cs、f 和Vth分別是級數、負載電流、耦合電容、節點寄生電容、輸入信號頻率和二極管閾值電壓。

由式(1)可以看出，Vth是使電壓增益降低的最主要因素，當Vin小于或等于Vth時，二極管無法導通，輸出電壓接近于0。

圖1 基本的電荷泵結構

Dickson電荷泵還可用二極管連接的MOS管作為整流器件，由于體效應的存在，MOS管的閾值電壓為

式中 VSB為襯偏電壓；Vth為襯偏電壓等于零時的閾值電壓，φFB為費米勢；γ為體效應系數。隨著每一級輸出電壓的增加，Vth也隨之增加。由式(1)知閾值電壓的增高使得輸出電壓的幅度降低，對無源RFID芯片的遠距離識別帶來了消極影響。

1.2 導通角分析

對圖1所示的電荷泵結構進行直流分析，所有C和Cs開路，2N個二極管串聯，則二極管直流偏置為：

進行交流分析時，所有C和Cs短路，2N個二極管并聯，交流電壓Vin直接作用于這些二極管兩端，則二極管的偏置可表示為：

式中 n為二極管的個數。

為便于分析電荷泵的工作情況，引入導通角的概念。電荷泵的導通角定義為整流器件在射頻信號一個周期內導通的角度。導通角越大，整流器件工作的時間越長，負載獲得的能量也就越多?？梢?，增大導通角可提高電荷泵的能量轉換效率。對于圖1所示的電荷泵結構，只有當Vd>Vth時，二極管才能導通并整流，導通角很小。另外，反向漏電流在Vd<0時會經由二極管的結電容反向漏電，導致電荷泵的電壓增益降低。

文獻[7-9]中提出了一些電荷泵結構，但仍然存在整流MOS管偏置電壓較低，反向漏電流抑制不夠等問題。

2 本文提出的電荷泵結構

本文提出的電荷泵結構包含主電荷泵和偏置電路，如圖2所示。

圖2 提出的電荷泵結構

偏置電路采用與主電荷泵相同的級數，為主電荷泵各級提供偏置電壓。主電荷泵對射頻信號整流之后輸出直流電平Vout驅動后級負載。RL為負載電阻，電容Ce的作用是減小Vout的紋波，并儲存能量，以供讀寫器發送低幅度射頻能量時標簽使用。

2.1 主電荷泵

主電荷泵采用CTS結構，電路如圖3所示。由于肖特基二極管啟動電壓低，串聯電阻和結電容小，所以流片采用兼容肖特基二極管的Chartered 0.35 μm CMOS工藝，肖特基二極管的閾值電壓為270 mV。如果輸入電壓僅比閾值略高，則二極管正向導通電阻較大。因此若采用圖1所示的電路結構，則效率較低，無法驅動后級電路。為了使電路在輸入電壓接近二極管閾值電壓時也能夠正常工作，主電荷泵中使用該工藝提供的低閾值NMOS作為CTS MOS管。CTS MOS管柵極加偏置電壓后，與肖特基二極管并聯，共同完成電荷泵整流的作用。

圖3 主電荷泵電路

主電荷泵的工作過程分為以下兩個階段：偏置電壓建立前，肖特基二極管作為電流主通路；偏置電壓建立后，主要由CTS MOS管完成傳輸電流的功能。MOS管傳輸電流IMD的大小是由VGS?Vth決定的，可表示為：

式中 μn為載流子遷移率；COX為單位面積的柵氧化層電容；VDS為MOS管漏源電壓；IS為一電流常值，q為單位電荷；k為玻爾茲曼常數；T為溫度。由式(5)可知，為增大CTS MOS管的導通角，增加其正向傳輸電流的大小，減小漏電流，管子導通時，應適當增大VG-Vth；管子截止時，應盡可能減小VGS-Vth[10]。

電路實現時，CTS MOS管均采用大尺寸設計，以減小其導通電阻，提高電流驅動能力，并且將其版圖設計成叉指結構，以減少寄生電容。

從上述分析中可以看出，為CTS MOS管提供滿足需要的偏置電壓成為關鍵。在傳統的CTS電荷泵中，CTS MOS管的柵極電壓是由下一級電荷泵結構提供的，由于主電荷泵本身需要驅動負載，輸出電壓低，因此偏置電壓不會太高，而且隨負載變化而變化，難以調整。CTS MOS管存在正向導通電流不足或反向漏電流過大的情況，使得能量轉換效率很難提高。為了給主電荷泵提供滿足其工作要求的偏置電壓，本文提出了一種新的偏置電路。

2.2 偏置電路

設計中采用一個由肖特基二極管整流的副電荷泵作為偏置電路，單獨為CTS MOS管提供偏置電壓，如圖4所示。偏置電路中第n+1個肖特基二極管右端的節點與主電荷泵中第n個CTS MOS管的柵極相連，即采用節點電壓Bias_i為CTS MOS管Mi提供偏置。

圖4 提出的偏置電路

式中 IMb是偏置電路的負載電流。從式(6)可以看出，減小IMb是增大副電荷泵輸出電壓的有效方法。為了抑制IMb，在偏置電路輸出端引入一個二極管連接的MOS管Mb。由于偏置電路的負載很小，所以只要Vrf略高于肖特基二極管的閾值，偏置電路就可以產生較高的電壓，其電壓增益要比主電荷泵的高。由電荷泵直流分析可知，串聯結構的各級輸出的偏置電壓均得以提高。而且，由于流經偏置電路的電流很小，其功耗也維持在較低水平。電路實現時，Mb采用小尺寸設計。

2.3 性能分析

由式(5)可將Mb源漏兩端的電壓降表示為

式中 VMb即為圖3中的節點Bias_2N-1和Bias_in上電壓之差，可表示為CTS MOS管M2N-1的柵源電壓和肖特基二極管D2N-1的直流偏置之和，即：

M2N-1的柵極電壓為直流電壓，源極疊加上輸入的射頻信號后，柵源電壓表示為：

而柵極和漏極電壓之差為恒定直流電壓，為便于說明，將M2N-1正向導通時的柵漏電壓記作VGD，用同樣的方法計算，可得：

由式(5)可分析M2N-1的工作狀態，用vrf表示輸入射頻電壓的瞬時值，則vrfVBias_DC時，管子處于截止狀態。當管子工作在飽和區時，其串聯電阻小，正向傳輸電流大，更有利于電容充放電，提高電壓增益。

對關鍵電平值分析如下：在無源RFID標簽的實際應用中，天線端感應的射頻電壓幅度Vrf較小，但其在芯片標簽正常工作時高于肖特基二極管的閾值，一般在300 mV以上；芯片工作所需直流電壓較低，典型范圍為1～1.5 V，當N取較大值時，|VBias_DC|很小，遠低于肖特基二極管閾值。據此分析，該結構大大減少了CTS MOS管的閾值損失，增加了其導通角，如圖5所示。其中輸入射頻信號相位θ=2πft。滿足2.1節中的分析結果，管子的導通時間長，且VGS?Vth的幅值大；截止時間短，且VGS-Vth的幅值小。進一步比較式(11)中的VGD和式(10)中的VGS的值，可以發現CTS MOS管僅會有少量反向漏電流，而正向導通電流很大。

對該結構的幾個要點加以說明：

(1)由主、副電荷泵結構的一致性及直流分析時電荷泵的串聯形式依次向電荷泵前級類推，則每一級CTS MOS管均可有與M2N?1相同的分析和結果；

(2)由于Mn的柵源電壓是偏置電路中第n+1個肖特基二極管右端電壓VBias_n與主電荷泵中第n個肖特基二極管右端電壓VMain_n之差，而偏置電路的輸出電壓VBias_2N?1又高于主電荷泵的輸出電壓Vout，由各級的串聯形式可知，隨著級數的增高，=VBias_n?VMain_n會隨之增大，巧妙補償了由體效應帶來的隨級數增高而增大的MOS管閾值，確保導通角不隨級數增高而減小。

圖5 兩種電荷泵的導通角對比

電路實現過程中，為保證電荷泵在低壓輸入時具有足夠高的電壓增益，減小|VBias_DC|以增大導通角，主電荷泵和偏置電路均設計成10級。

通常的MOS管電容器的非線性C-V特性會造成電容值隨輸入電壓變化而變化，從而增大電荷泵輸出電壓紋波。因此本文結構流片時采用的是MIM電容，其電容值穩定，且寄生電容和串聯電阻小，有利于穩定輸出電壓，降低電荷泵自身的功耗。

3 測試結果

包含本文設計電荷泵結構的RFID芯片使用兼容肖特基二極管的chartered 0.35 μm CMOS工藝流片，圖6為芯片的顯微照片，芯片面積為2 148×1 545 μm2，其中電荷泵部分面積為402×393 μm2，占整個芯片面積的4.8 %。芯片周圍為模擬和數字的測試焊盤。

圖6 實現電荷泵的RFID芯片的顯微照片

使用Impinj公司的speedway讀寫器，設置發射功率為4W EIRP，工作頻段920～925 MHz，匹配的標簽天線增益1.5 dBi，在室內空間中進行測試。在距離讀寫器4.2 m處，標簽仍可被讀寫器識別；保持該標簽位置不變，在片外斷開電荷泵和芯片后級電路的連接，并在電荷泵的直流輸出端外接100 k?的負載電阻，測得電荷泵輸出直流電壓達到1.5 V，輸出功率可達22.5 μW，滿足標簽芯片工作所需能量的要求。

圖7 不同負載下電荷泵的性能曲線

通過射頻信號發生器和電荷泵相連，調節輸入功率及匹配電路，測得外接不同負載情況下的輸出電壓，如圖7a所示?？梢钥吹剑恳环N負載情況下，輸出電壓曲線隨輸入功率增大而上升，隨著負載電阻的減小，電荷泵輸出電流增大，消耗在電荷泵內阻上的功率隨之增大，導致輸出電壓下降。在輸入功率為?15 dBm、負載電阻200 k?情況下，輸出電壓高達1.47 V。測得此時的輸入射頻電壓峰值為275 mV，僅比肖特基二極管的閾值電壓略高。而同樣的輸入電壓和負載電阻情況下，采用肖特基二極管的10級Dickson電荷泵輸出電壓僅為400 mV。可見本文設計的電荷泵的低壓工作性能遠優于傳統的電荷泵結構。

圖7b為不同負載情況下能量轉換效率隨輸入功率變化的曲線。每條曲線都有一個先上升后下降的過程，這是因為在輸入功率較小時，輸出電流較小，電荷泵的輸出電壓上升較快，效率可以很快達到峰值；而隨著輸入功率的增加，輸出電壓的增大使輸出電流不斷增大，因此電荷泵自身的功耗增大，導致效率下降。從圖中可以看出，在負載電阻為為200 k?情況下，能量轉換效率最高可達26.2 %。

表1給出了本文設計的電荷泵與傳統電荷泵[3,11-12]的性能比較。給定的輸入功率為RFID標簽遠距離工作時的典型值。從表中可以看出，采用相同尺寸的肖特基二極管、相同負載、相同級數的Dickson電荷泵[5]的電壓增益很低，難以為后級電路提供正常的工作電壓。文獻[11]通過對MOS管的柵漏間加入參考電壓進行閾值補償，提高了電壓增益，但是反向電流的引入使得效率很低；文獻[12]的設計中加入了壓控振蕩器(voltage controlled oscillator VCO)，VCO靠一級整流器驅動，并為后級電荷泵提供時鐘信號，雖在一定程度上提高了效率，但表1給出的是其在較輕負載(負載電阻400 k?)下的測試數據。本文提出的電荷泵在負載電阻為100 k?情況下進行測試，從表中可以看出，其能量轉換效率隨輸入的增大而增大，且均大于其他幾種結構。輸入功率越低，這種優勢越明顯；即使輸入功率增大，該電荷泵驅動負載的能力依然較其他幾種結構強，對無源RFID標簽的遠距離識別來說具有重要的意義。

表1 提出的電荷泵與傳統電荷泵的性能比較

4 結 束 語

本文提出了一種用于無源超高頻RFID標簽的電荷泵結構，并使用兼容肖特基二極管的chartered 0.35 μm CMOS工藝進行流片驗證。與傳統電荷泵相比，該結構提高了芯片工作的靈敏度，大大減少了閾值損失，增大了射頻信號通過整流器件的導通角，抑制了反向漏電，從而提高了電荷泵的能量轉換效率。實測結果表明，該電荷泵結構為RFID標簽的高性能提供了可靠保證。

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編 輯 蔣 曉

Design and Implementation of a Low Voltage High Efficiency Charge Pump for Passive UHF RFID

JIN Zhao1, ZHUANG Yi-qi1, WANG Jiang-an1, DU Yong-qian1, QIAO Li-ping2, and ZHANG Chao1

(1. School of Microelectronics, Xidian University Xi'an 710071;
2. School of Information Technology, Tibet Nationalities Institute Xianyang Shanxi 712082)

A low voltage high efficiency charge pump circuit for passive UHF RFID is presented to increase the operating range of tags. The bias voltage supplied to the main charge pump by the bias circuit is raised by suppressing its load current using a diode connected MOSFET, which greatly reduces the threshold voltage drop in traditional charge pumps, suppresses the reverse leakage current and improves the sensitivity and power conversion efficiency. The charge pump has been fabricated in chartered 0.35 μm CMOS process. Measurement results show that a 275 mV minimum input level is required to generate 1.47 V power supply for 200 k? load and efficiency up to 26.2% is achieved. The maximum operating range of the RFID tag with this charge pump is 4.2 m. This design effectively contributes to the good performance of RFID chips.

charge pump circuits; low voltage; power conversion efficiency; RFID

TN402

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2010.06.027

2009- 07- 10；

2010- 04- 13

國家自然科學基金(60276028)

靳 釗(1982- )，男，博士生，主要從事RFID設計以及高性能射頻集成電路設計方面的研究.

·生物電子學·