DuEPublico 2

Dies ist unser neues Repositorium, derzeit für E-Dissertationen und ausgewählte weitere Publikationen. Weitere Informationen...

Energieübertragung für passive Sensor-Transponder mit hoher Reichweite

Feldengut, Tobias

Drahtlose Energieübertragung ermöglicht den Betrieb von mikroelektronischen Transpondern (sog. „Tags“) ohne Batterie oder Solarzellen. Eine Basisstation sendet ein elektromagnetisches Feld zur Übertragung von Energie und Daten an einen oder mehrere Transponder. Diese bestehen in der Regel aus einer integrierten Schaltung und einer Antenne. Passive Sensor Transponder ermöglichen die Erfassung von physikalischen Umgebungsgrößen wie z.B. Druck oder Temperatur. Da induktive Systeme in ihrer Reichweite stark beschränkt sind, wird in dieser Arbeit der Ansatz der Energieübertragung über elektromagnetische Wellen im UHF Bereich betrachtet. Das Antennensignal wird im Chip in eine Gleichspannung zur Versorgung der integrierten Schaltungen umgewandelt. Die Effizienz des Systems wird im Wesentlichen von der unvermeidlichen Freiraumdämpfung und der Effizienz des Gleichrichters bestimmt. In großem Abstand zur Basisstation hat die Antennenspannung eine geringe Amplitude, und die Implementierung eines effizienten Gleichrichters stellt weiterhin eine Herausforderung dar. Die Modellierung und Analyse dieser Schaltung, sowie die Erarbeitung neuartiger Topologien, bilden den Kern dieser Arbeit. Das erste Ziel ist in diesem Zusammenhang die analytische Beschreibung des Gleichrichters unter Berücksichtigung der parasitären Eigenschaften realer Bauelemente in einem standard CMOS Prozess. In existierenden Arbeiten wurden Schaltungsmodelle für die Villard-Schaltung mit Schottky Dioden erstellt. Diese Arbeit erweitert diese Modelle um eine Berechnung des Gleichrichters mit Transistoren und Arbeitspunkt-Einstellung zur dynamischen Kompensation der Schwellenspannung. Speziell wird der komplexe Zusammenhang zwischen Eingangsleistung, Ausgangsspannung und Laststrom des Gleichrichters mathematisch beschrieben. Das aufgestellte Modell beschreibt den Einfluss der Parameter der verwendeten Bauelemente auf das eingangs- und ausgangsseitige Verhalten der Schaltung und erleichtert somit den systematischen Schaltungsentwurf. Es werden neue Schaltungstopologien erarbeitet. Diese Gleichrichter benötigen keine zusätzlichen Prozessschritte und erreichen dennoch eine hohe Ansprechempfindlichkeit. Im verwendeten 0,35µm Prozess wird die Sensitivität gegenüber der herkömmlichen Villard Schaltung um bis zu 5 dBm verbessert. Im Rahmen der Arbeit wurde ein ASIC (Application Specific Integrated Circuit) mit einem vollständigen analogen Front End für einen Sensor Transponder mit einer Reichweite von über 4 Metern entwickelt. Neben der Funktionalität zur Spannungsversorgung, Takterzeugung und Datenübertragung werden außerdem temperatur- und prozessstabile Referenzspannungen und eine temperaturabhängige Spannung erzeugt.

Wireless energy transmission is frequently used as a power supply for transponder systems without batteries or solar cells. A base station transmits an electromagnetic field to send data and energy to one or several transponders (“tags”). Each tag typically comprises an integrated circuit and an antenna. Passive sensor transponders detect physical values such as temperature or pressure. Inductive energy transmission systems achieve only a limited range of less than one meter. In this work, UHF (Ultra High Frequency) electromagnetic waves are used for energy- and data transmission. The antenna signal is rectified to serve as a voltage supply for the chip. The power efficiency of the system is mainly determined by the free-space transmission as well as rectification losses. The amplitude of the antenna signal is very low at a large distance from the base station. Therefore, the rectifier is the critical circuit block concerning power efficiency. This work focuses on the analysis and the modelling, as well as the design of novel topologies for this circuit block. The first goal is to derive a rectifier analysis that takes into account the properties and parasitics of CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) devices. The Villard circuit with Schottky diodes has been modelled in several previous works. These models and analyses are extended to include rectifier circuits with dynamic threshold-voltage cancellation techniques. The mathematical relation between input power, output voltage and load current is derived analytically. The resulting model predicts the influence of device parameters on the input and output behaviour of the circuit. This leads to a systematic circuit design approach. Two novel circuits are presented. These rectifiers achieve a high sensitivity and not require additional masks or process modifications. All circuits were fabricated in a 0.35µm CMOS process. The sensitivity is improved by 5 dBm compared to the conventional Villard Circuit. The complete analog front-end of a passive UHF sensor transponder with a range of more than 4 m was designed and fabricated. The ASIC (Application Specific Integrated Circuit) manages data transmission, supply voltage, and clock generation. In addition to this functionality, the chip also generates temperature- and process-independent supply and reference voltages, as well as a temperature dependent sensor signal.

Teilen und Zitieren

Zitierform:

Feldengut, Tobias: Energieübertragung für passive Sensor-Transponder mit hoher Reichweite. 2011.

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:
Alle Rechte vorbehalten

Export