KR100358646B1 - A New Damping Circuit With a Constant Damping Rate for RFID Applications - Google Patents
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Abstract
본 발명은 비접촉식 RFID(Radio Frequency Identification) 시스템에서 프론트-앤드(front-end) 임피던스 변조 방식으로 트랜스폰더에서 리더로 데이터를 전송시 사용되는 감폭회로의 성능 향상에 관한 것이다. 저항과 스위치로 구성된 간단한 감폭회로와 과전압 리미터를 별개로 사용하는 기존의 방식의 경우는 리더와 트랜스폰더 사이의 거리에 따라 리더 코일과 트랜스폰더 코일 사이의 결합 정도가 달라지고, 따라서, 트랜스폰더 코일 전압의 감폭율이 변하게 된다. 이러한 감폭율의 변화는 트랜스폰더 IC에 공급되는 전원 전압의 변화율을 증가시키며, 결국에 가서는 RFID 시스템의 리딩 디스턴스(reading distance)를 감소시키게 된다.The present invention relates to an improvement in the performance of a damping circuit used in transmitting data from a transponder to a reader in a front-end impedance modulation scheme in a contactless radio frequency identification (RFID) system. In the conventional method of using a simple damping circuit composed of a resistor and a switch and an overvoltage limiter separately, the coupling degree between the reader coil and the transponder coil varies according to the distance between the reader and the transponder, and thus, the transponder coil The damping rate of the voltage changes. This change in damping rate increases the rate of change of the supply voltage supplied to the transponder IC, which in turn reduces the reading distance of the RFID system.
본 발명에서는 위와 같은 기존의 감폭회로가 가지고 있는 문제점을 해결하기 위해 리더와 트랜스폰더 사이의 거리가 변하더라도, 일정한 감폭율을 갖는 새로운 감폭회로를 개발하였다. 개발한 새로운 감폭회로는 과전압 리미터와 함께 사용되며, 리더와 트랜스폰더와의 거리가 변해도 한계거리 내에서는 거의 일정한 감폭율을 보인다. 따라서, 트랜스폰더 IC에 공급되는 전원전압이 일정해지며, RFID 시스템의 리딩 디스턴스가 향상된다. 또한, 제안된 감폭회로에서는 다이오드로 사용되는 트랜지스터의 개수를 조정함으로써 감폭율을 원하는 값으로 쉽게 조절할 수 있다.In the present invention, in order to solve the problems of the conventional damping circuit, a new damping circuit having a constant damping rate has been developed even if the distance between the reader and the transponder is changed. The new damping circuit developed is used with an overvoltage limiter and shows a nearly constant damping rate even when the distance between the reader and the transponder changes. Therefore, the power supply voltage supplied to the transponder IC becomes constant, and the leading distance of the RFID system is improved. In addition, in the proposed damping circuit, the damping ratio can be easily adjusted to a desired value by adjusting the number of transistors used as diodes.
Description
자동 인식(automatic identification)은 사람, 옷, 차량, 동물 등등, 다양한 물체를 확인하는 기술로서 크게 접촉식 방법과 비접촉식 방법으로 분류할 수 있다. 비접촉식 인식 방법인 RFID(Radio Frequency Identification) 방식에서는 트랜스폰더(transponder)가 리더(reader)에서 발생하는 자기장(magnetic field)으로부터 전력을 공급받아 동작하며, 리더와 트랜스폰더 사이에 데이터 전송이 이루어진다. RFID는 기존의 마그네틱 스트라이프(magnetic stripe) 방식이나 접촉식 ID방식에 비해 주변환경에 거의 영향을 받지 않으며 RFID 시스템의 유지관리가 수월하며, 가격이 저렴하고, 복제가 어렵고, 속도가 빠르다는 장점이 있다. 이러한 장점으로 인하여, 비접촉식 RFID 시스템은 현재 간단한 출입 통제와 같은 근거리, 저속용 시스템을 비롯하여 고속도로 통행료 자동 수납과 같은 장거리 고속의 시스템에 적용되고 있으며, 향후 화폐 수단을 대체하고, 더 나아가서는 전화카드, 현금카드, 신분증 등등이 하나로 통합되는 새로운 시스템에 적용될 것으로 기대된다.Automatic identification is a technique for identifying various objects such as people, clothes, vehicles, animals, etc. It can be classified into a contact method and a contactless method. In the RFID (Radio Frequency Identification) method, which is a non-contact recognition method, a transponder operates by receiving power from a magnetic field generated by a reader, and data is transmitted between the reader and the transponder. Compared to the existing magnetic stripe or contact ID method, RFID has little influence on the surrounding environment, and it is easy to maintain the RFID system, and it is inexpensive, difficult to duplicate, and fast. have. Due to these advantages, contactless RFID systems are now being applied to short-range, low-speed systems such as simple access control, and long-distance high-speed systems such as automatic toll storage. It is expected that cash cards, ID cards, etc. will be applied to a new system that is integrated into one.
RFID 시스템은 기본적으로 도 1에서와 같이 리더와 트랜스폰더로 구성된다. 리더는 안테나 코일을 통해 트랜스폰더에 자기장을 공급하고 트랜스폰더와 데이터를 주고받는다. 트랜스폰더는 오프 칩(off-chip)의 LC 탱크(tank)부와 온 칩(on-chip)의 트랜스폰더 IC로 구성되며, 리더에서 공급되는 자기장으로부터 트랜스폰더 IC의 회로를 구동시키기 위한 전원을 발생시키며 리더와 데이터를 송·수신한다.The RFID system basically consists of a reader and a transponder as shown in FIG. The reader supplies the magnetic field to the transponder through the antenna coil and exchanges data with the transponder. The transponder is composed of an off-chip LC tank and an on-chip transponder IC. The transponder supplies power to drive the circuit of the transponder IC from the magnetic field supplied by the reader. It sends and receives data with reader.
트랜스폰더에서 리더로 데이터를 전송하기 위해 가장 많이 사용하고 있는 방법은 프론트-앤드(front-end) 임피던스 변조 방법이다. 이 변조 방법은 감폭(damping)회로를 사용하여 전송하고자하는 데이터에 따라 트랜스폰더 코일 양단의 임피던스를 변조시킨다. 따라서 트랜스폰더 코일 양단의 전압이 변하게 되고, 이는 리더부의 임피던스 변화를 유도한다. 이에 따른 리더 코일 양단의 전압 변화를 리더부에서 검출하게 된다.The most commonly used method of transmitting data from the transponder to the reader is the front-end impedance modulation method. This modulation method uses a damping circuit to modulate the impedance across the transponder coil in accordance with the data to be transmitted. Therefore, the voltage across the transponder coil changes, which induces a change in the impedance of the reader. Accordingly, the change in voltage across the reader coil is detected by the reader.
기존의 감폭회로로는 도 2a와 같이 저항과 스위치로 구성된 간단한 switchable load 회로가 많이 사용되고 있다. 스위치로는 보통 MOS 트랜지스터가 사용되며, 전송하고자하는 데이터에 따라 MOS 트랜지스터가 온(on) 또는 오프(off) 되어 트랜스폰더 코일 양단의 임피던스가 변하게 된다.As a conventional damping circuit, a simple switchable load circuit composed of a resistor and a switch is widely used as shown in FIG. 2A. Usually, a MOS transistor is used as a switch, and the impedance of both ends of the transponder coil is changed by turning on or off the MOS transistor according to the data to be transmitted.
이 감폭회로를 사용하는 경우는 리더와 트랜스폰더 사이의 거리에 따라 리더 코일과 트랜스폰더 코일 사이의 결합 정도가 달라지고, 따라서, 트랜스폰더 코일 전압의 감폭율(damping rate)이 변하게 된다. 이러한 감폭율의 변화는 트랜스폰더 IC에 공급되는 전원 전압의 변화율을 증가시키며, 결국에 가서는 RFID 시스템의 리딩 디스턴스(reading distance)를 감소시키게 된다.In the case of using this damping circuit, the degree of coupling between the reader coil and the transponder coil varies depending on the distance between the reader and the transponder, and thus the damping rate of the transponder coil voltage changes. This change in damping rate increases the rate of change of the supply voltage supplied to the transponder IC, which in turn reduces the reading distance of the RFID system.
본 발명에서는 위와 같은 기존의 감폭회로가 가지고 있는 문제점을 해결하기 위해 리더와 트랜스폰더 사이의 거리가 변하더라도, 일정한 감폭율을 갖는 새로운 감폭회로를 개발하고자 한다. 리더와 트랜스폰더와의 거리가 가까워지면 트랜스폰더 코일에 과전압(크게는 수백 볼트)이 유도되고, 이 과전압이 트랜스폰더 IC의 회로들을 손상시키게 된다. 따라서 트랜스폰더 코일에 유도되는 전압을 원하는 값으로 제한하기 위해 도 2b와 같은 과전압 리미터(overvoltage limiter)의 사용이 필수적이다. 본 발명에서는 리미터와 유사한 구조를 갖도록 감폭회로를 설계하여 리미터와 함께 동작시킴으로써 일정한 감폭율을 얻고자 한다.In the present invention, to solve the problems of the conventional damping circuit as described above, even if the distance between the reader and the transponder changes, a new damping circuit having a constant damping ratio. As the distance between the reader and the transponder gets closer, an overvoltage (large hundreds of volts) is induced in the transponder coil, which damages the circuits of the transponder IC. Therefore, in order to limit the voltage induced in the transponder coil to a desired value, the use of an overvoltage limiter as shown in FIG. 2B is essential. In the present invention, a damping circuit is designed to have a structure similar to that of a limiter, and thus a constant damping ratio is obtained by operating together with the limiter.
도 1은 RFID 시스템의 구성도이다.1 is a configuration diagram of an RFID system.
도 2는 기존의 감폭회로 및 과전압 리미터이다.2 is a conventional damping circuit and an overvoltage limiter.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 감폭회로이다.3 is a damping circuit according to an embodiment of the present invention.
도 4는 HSPCIE 모의실험을 위한 테스트 회로이다.4 is a test circuit for HSPCIE simulation.
도 5는 결합계수에 따른 감폭율 변화 특성을 나타낸 도이다.5 is a view showing the characteristics of the damping rate change according to the coupling coefficient.
도 6은 결함계수에 따른 유도된 전원전압의 변화 특성을 나타낸 도이다.6 is a diagram illustrating a change characteristic of induced power supply voltage according to a defect coefficient.
본 발명에서 개발한 리미터와 함께 동작하는 감폭회로를 도 3에 나타내었다.본 발명의 실시예에 따른 감폭 회로는 트랜스 폰더 코일(Tcoil), 리미터, 신호 감폭부를 포함한다.구체적으로, 도 3에 도시되어 있듯이, 리미터는 트랜스폰더 코일(Tcoil)의 일측에 연결되어 있으며 서로 직렬로 연결된 n개의 제1 트랜지스터(ML1∼MLn)를 포함한다.신호 감폭부는, 트랜스폰더 코일(Tcoil)의 일측에 연결되어 있으며 서로 직렬로 연결된 m개의 제2 트랜지스터(MP1∼MPm), 인가되는 데이터 신호를 인버팅하는 인버터(I), 인버터(I)에서 출력되는 신호에 따라 동작하여 상기 제2 트랜지스터를 구동시키는 구동 트랜지스터(M3)를 포함한다.이외에도 감폭 회로는 리미터 및 신호 감폭부의 출력측에 연결되어 있으며, 트랜스폰더 코일(Tcoil)에서 발생되어 리미터 또는 신호 감폭부를 통하여 출력되는 전압이 걸리는 저항(R), 저항(R)에 걸리는 전압에 따라 동작하는 제1 제어 트랜지스터(M2), 및 트랜스폰더 코일(Tcoil)의 일측에 연결되어 있으며 제1 제어 트랜지스터(M2)와 연동하여 트랜스폰더 코일(Tcoil)에 걸리는 전압을 안정시키는 제2 제어 트랜지스터(M1)를 더 포함한다.감폭을 위해서는 리미터에 직렬로 연결된 PMOS 트랜지스터의 개수 n 보다 감폭회로에 직렬로 연결된 트랜지스터의 개수 m이 더 작아야 한다.A damping circuit operating in conjunction with the limiter developed in the present invention is shown in FIG. 3. A damping circuit according to an embodiment of the present invention includes a transponder coil (Tcoil), a limiter, and a signal damping part. As shown in FIG. 5, the limiter includes n first transistors ML1 to MLn connected to one side of the transponder coil Tcoil and connected in series with each other. M second transistors MP1 to MPm connected to each other in series and connected to each other, an inverter I for inverting an applied data signal, and an operation performed according to a signal output from the inverter I to drive the second transistor. In addition, a damping circuit is connected to the output side of the limiter and the signal damping portion, and is generated by a transponder coil (Tcoil) to pass through the limiter or signal damping portion. The first control transistor M2 is connected to one side of the resistor R that is applied to the output voltage, the first control transistor M2 that operates according to the voltage applied to the resistor R, and the transponder coil Tcoil. And a second control transistor (M1) for stabilizing the voltage across the transponder coil (Tcoil). For the damping, the number of transistors connected in series to the damper circuit is greater than the number of PMOS transistors in series with the limiter. m must be smaller.
감폭회로가 동작하지 않는 경우는 인버터(I)의 입력이 'high′가 되며, 따라서 구동 트랜지스터(M3)가 off가 되고, 제2 트랜지스터(MP1∼MPm)로 구성된 전류 패스(path)는 동작하지 않는다. 이 때는 리미터만 동작하게 된다. 만약 코일의 전압이 다이오드로 사용되고 있는 PMOS 트랜지스터인 제1 트랜지스터(ML1∼MLn)의 문턱전압(threshold voltage)의 합보다 커지면, 저항(R)에 전류가 흐르게 된다. 저항 (R)에 걸리는 전압이 제1 제어 트랜지스터(M2)의 문턱전압보다 커지면 제1 제어 트랜지스터(M2)가 온(on) 되고 대부분의 코일 전류는 제2 제어 트랜지스터(M1)와 제1 제어 트랜지스터(M2)를 통해 흐르게 된다. 따라서 코일의 전압은When the damping circuit does not operate, the input of the inverter I becomes 'high', and thus the driving transistor M3 is turned off, and the current path composed of the second transistors MP1 to MPm does not operate. Do not. In this case, only the limiter will operate. If the voltage of the coil is greater than the sum of the threshold voltages of the first transistors ML1 to MLn, which are PMOS transistors used as diodes, current flows in the resistor R. When the voltage across the resistor R is greater than the threshold voltage of the first control transistor M2, the first control transistor M2 is turned on and most of the coil currents are the second control transistor M1 and the first control transistor. It flows through M2. Therefore, the voltage of the coil
으로 제한된다. 여기서는 PMOS 트랜지스터의 문턱전압이고V R-L 은 리미터만 동작할 때 저항(R)에 걸리는 전압이다. 제1 및 제2 제어 트랜지스터(M2,M1)는 충분한 전류를 소화할 수 있도록 충분히 크게 설계해야 한다.Limited to here Is the threshold voltage of the PMOS transistor and V RL is the voltage across the resistor R when only the limiter is operated. The first and second control transistors M2 and M1 should be designed large enough to extinguish sufficient current.
감폭회로가 동작하는 경우는 인버터(I)의 입력이 'low′가 되며 구동 트랜지스터(M3)가 온 된다. 제2 트랜지스터의 개수 m이 제1 트랜지스터의 개수 n보다 작기 때문에, 제2 트랜지스터(MP1∼MPm)로 구성된 전류 패스는 온 되고 제1 트랜지스터(ML1∼MLn)로 구성된 전류 패스는 오프(off) 된다. 따라서 감폭회로가 동작시 코일의 전압은When the damping circuit operates, the input of the inverter I becomes 'low' and the driving transistor M3 is turned on. Since the number m of the second transistors is smaller than the number n of the first transistors, the current path composed of the second transistors MP1 to MPm is turned on and the current path composed of the first transistors ML1 to MLn is turned off. . Therefore, when the damping circuit is operating, the voltage of the coil
이 된다. 여기서V R-D 는 감폭회로가 동작할 때 저항(R)에 걸리는 전압이다. 따라서, 트랜스폰더 코일 전압의 감폭율(DR: Damping Rate)은Becomes Where V RD is the voltage across the resistor R when the damping circuit is operating. Therefore, the damping rate (DR) of the transponder coil voltage is
이 된다.Becomes
트랜스폰더와 리더 사이의 거리 변화는 두 코일간의 결합계수에 직접적인 영향을 주며,가 변하면 트랜스폰더 코일에 유도되는 전류 양도 변하게 된다. 그러나, 위 식에서 알 수 있듯이, 코일 전류의 변화에 의한 저항 R에 걸리는 전압의 변화량이 코일 전압에 비해 상당히 작은 편이므로, 제안된 감폭회로에서는가 변해도 상당히 일정한 감폭율을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 또한, 리미터와 감폭회로에서 직렬로 연결된 트랜지스터들의 개수 m과 n을 조정함으로써, 감폭율을 자유자재로 변화시킬 수 있다.The change in distance between the transponder and reader depends on the coupling factor between the two coils. Has a direct impact on When is changed, the amount of current induced in the transponder coil is also changed. However, as can be seen from the above equation, since the amount of change in the voltage applied to the resistance R due to the change in the coil current is considerably smaller than the coil voltage, the proposed damping circuit There is an advantage that a fairly constant damping rate can be obtained even if Also, by adjusting the number m and n of the transistors connected in series in the limiter and the damping circuit, the damping ratio can be freely changed.
개발된 감폭회로의 성능을 검증하기 위해 도 4의 테스트 회로를 사용하여 HSPICE 모의실험을 하였다. 리더부는 리더 안테나 코일에 작은 전압으로도 충분한 에너지를 공급할 수 있도록 RLC 공진회로로 구성하였으며, 공진주파수는 125kHz를 사용하였다. 공진회로의 Q factor는 11.6이고, 리더 코일 Rcoil과 트랜스폰더 코일 Tcoil의 Q factor는 약 30이다. 트랜스폰더부는 Tcoil과 커패시터로 구성된 LC 공진회로, 트랜스폰더 IC에 전원을 공급하기 위한 전파정류기(FWR: Full Wave Rectifier)와 전원 커패시터(power capacitor) Cpower, 그리고 트랜스폰더 IC 내의 회로를 등가적으로 나타낸 부하저항 RL등으로 구성되어 있다. 이 테스트 회로의 트랜스폰더 코일의 두 단자 Tcoil1과 Tcoil2에 제안된 도 3의 리미터(n=5)와 감폭회로(m=3)를 연결하고 시뮬레이션한 결과를 도 2와 같은 기존의 리미터(n=5)와 감폭회로를 연결하고 시뮬레이션한 결과와 비교하였다. 리더 코일과 트랜스폰더 코일간의 결합 정도를 나타내는 지수인 결합계수를 변화시켜가면서 시뮬레이션한 결과를 도 5와 6에 보였다.In order to verify the performance of the developed damping circuit, the HSPICE simulation was performed using the test circuit of FIG. 4. The reader part is composed of an RLC resonant circuit to supply sufficient energy even at a small voltage to the reader antenna coil. The resonant frequency is 125 kHz. The Q factor of the resonant circuit is 11.6, and the Q factor of the reader coil Rcoil and the transponder coil Tcoil is about 30. The transponder unit is equivalent to an LC resonant circuit consisting of a coil and a capacitor, a full wave rectifier (FWR) and a power capacitor (C power ) for supplying power to the transponder IC, and a circuit in the transponder IC. It consists of the load resistance R L shown. The limiter (n = 5) and damping circuit (m = 3) proposed in FIG. 5) and the damping circuit are connected and compared with the simulation results. Coupling factor, an index of the degree of coupling between the reader coil and the transponder coil 5 and 6 show simulation results while varying.
도 5에서 보듯이 기존의 회로를 사용한 경우는 트랜스폰더 코일 전압의 감폭율 변화가 상당히 심한 반면, 제안된 감폭회로를 사용한 경우는 0.003보다 큰범위에서 감폭율이 거의 일정함을 알 수 있다. 감폭이 있는 경우와 없는 경우에 대해서값에 따라 트랜스폰더 IC에 공급되는 전원전압의 변화를 도 6에 보였다. 기존의 회로를 사용한 경우(도 6a) 전원전압의 변화가 감폭이 있는 경우 상당히 심하며, 0.005보나 작은값에서는 유도된 전원전압이 1.5V보다 작아지며, 따라서 충분한 전원 전압을 얻을 수가 없다. 그러나 제안된 회로를 사용한 경우(도 6b)는 0.003의값까지 2.5V보다 큰 충분한 전원전압을 얻을 수 있으며, 따라서 RFID 시스템의 reading distance가 향상됨을 알 수 있다.As shown in FIG. 5, in the case of using the conventional circuit, the change in the damping ratio of the transponder coil voltage is quite severe, whereas in the case of using the proposed damping circuit, the damping ratio is greater than 0.003. It can be seen that the damping rate is almost constant in the range. About and when there is no damping The change in the power supply voltage supplied to the transponder IC according to the value is shown in FIG. 6. In the case of using the conventional circuit (Fig. 6a), the change in the supply voltage is considerably severe when there is a damping, which is less than 0.005 In the value, the induced power supply voltage is less than 1.5V, and thus a sufficient power supply voltage cannot be obtained. However, using the proposed circuit (FIG. 6b) is 0.003 It can be seen that a sufficient supply voltage greater than 2.5V can be obtained, thus improving the reading distance of the RFID system.
본 발명에서 개발한 새로운 감폭회로는 과전압 리미터와 함께 사용되어, 리더와 트랜스폰더와의 거리가 변해도 한계거리 내에서는 거의 일정한 감폭율을 보인다. 그러므로, 트랜스폰더 IC에 공급되는 전원전압이 일정해지며, RFID 시스템의 리딩 디스턴스(reading distance)가 향상된다. 또한, 제안된 감폭회로에서는 다이오드로 사용되는 트랜지스터의 개수를 조정함으로써 감폭율을 원하는 값으로 쉽게 조절할 수 있다.The new damping circuit developed in the present invention is used together with the overvoltage limiter, so that even if the distance between the reader and the transponder changes, the damping ratio is almost constant within the limit distance. Therefore, the power supply voltage supplied to the transponder IC becomes constant, and the reading distance of the RFID system is improved. In addition, in the proposed damping circuit, the damping ratio can be easily adjusted to a desired value by adjusting the number of transistors used as diodes.
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| JPH0456526A (en) * | 1990-06-25 | 1992-02-24 | Texas Instr Deutschland Gmbh | Control circuit for antenna resonance circuit of radio transmitter-receiver |
| JPH07167942A (en) * | 1993-09-07 | 1995-07-04 | Ford Motor Co | Method and device for attenuating residual radio frequency electric power in transmitting/receiving antenna |
| US5479172A (en) * | 1994-02-10 | 1995-12-26 | Racom Systems, Inc. | Power supply and power enable circuit for an RF/ID transponder |
| JPH1063353A (en) * | 1996-06-26 | 1998-03-06 | Philips Electron Nv | Voltage adjusting device |
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2000
- 2000-01-22 KR KR1020000003816A patent/KR100358646B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (4)
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| KR20010075991A (en) | 2001-08-11 |
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