一种恒流源供电新型电路的制作方法

本发明为磁场耦合无线通讯中的射频前端电路中一种新型的电源系统电路。适合rfid标签电路、以及非接触智能卡、充电器等领域。

背景技术：

非接触卡属于无电源供电的soc芯片。非接触卡利用线圈电感从外部磁场耦合获取交变能量，经过整流滤波等方式形成芯片内部的较为稳定的电源。非接触无源芯片的电源具有以下特点：(1)读卡器和卡片两个线圈通过耦合，利用交变磁场传递能量，也利用变化的磁场相互发送数据信息；(2)从卡片到读卡器数据传递是通过负载调制的方式进行，通过调节线圈两端的负载电阻大小，影响耦合场的变化发送数据；(3)如果芯片正常运行时功耗波动较大，就会等价为负载调制，从而在不需要给阅读器做应答的时候，反倒给阅读器发送了数据，此时会造成读卡器和卡片主从设备之间的命令与数据交互错误。

针对这种卡片正常工作期间功耗波动可能造成发送数据的错误，为了避免这种错误的发生，用恒流源给工作电路供电，是解决读卡器和卡片之间错误通讯的根本方法之一。

技术实现要素：

恒流源供电的最大优点就是供电电流几乎没有波动，即便电源电压变化，其输出的电流也几乎没有变化，理论上可以认为恒流源的输出阻抗非常大。如图1所示，在非接触无线通讯系统中，非接触的磁场耦合可以近似认为次级线圈的负载阻抗非常大，使得次级线圈对主线圈的瞬态响应非常稳定，从而不会发生负载功耗变化使得主线圈耦合发生变化。

恒流源供电电路输出的恒流源，不同的负载电路需要不同的电流大小，因此恒流源大小应该具有可调整功能。恒流源为负载电路供电，应该工作在一个合适的工作电压，因此需要稳压电路来实现稳定可靠的输出电压。如图2所示，恒流源供电电路包括了四个主要模块：可调电流源、电流精确复制电路、泄流稳压与电流检测、负载电路。可调电流源具有数字配置调整输出的电流源大小的能力；电流精确复制电路能够大比例精确复制参考电流；泄流稳压电路使得恒流源供电输出合适的工作电压，并且可以评估泄流电流的大小；工作在合适电压的恒流源电源用来驱动负载电路。

恒流源供电电路工作原理为：(1)根据负载电路的功耗电流评估需要的恒流源供电能力，(2)根据负载电路需要的工作电源电压，确定泄流稳压vpp的电压值；(3)根据需要的供电能力，确定配置输出的恒流源大小；(4)根据泄流稳压电路中泄露的电流的大小动态的调整负载电路的功耗电流。可调电流源有输入参考电流iref、数字配置信号iset，可调电流源输出可调整的电流源iadjust给电流精确复制电路，iadjust电流的大小随数字配置信号iset的改变而改变；电流精确复制电路模块对iadjust电流进行大比例镜像，并实现精确镜像输出恒流源isource；isource驱动负载的同时，驱动泄流稳压电流检测电路，使得输出电源vpp稳定在某一个电压点。

附图说明

图1磁场耦合与电源系统

图2恒流源供电电路

图3直接镜像电流源

图4折叠共源共栅电流源

图5电流精确复制电路

图6可调电流源电路

图7泄流稳压电路

具体实施方式

能够实现的恒流源供电电路核心包括：101模块具有可调电流源的功能、或者可编程电流源的功能；102模块具有精确电流复制的功能；103具有泄流稳压功能和泄流电流检测功能。为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于理解，下面重点就这部分电路做实现说明。

电流精确复制电路

恒流源供电的方法很多，但是，在rfid或者非接触智能卡应用中，电路实现的方法却存在差异。有的采用电流镜像方法，有的采用共源共栅恒流源。但是，直接采用如图3所示的电流镜像供电，由于沟道调制效应的影响，供电电流精度没有保障。采用如图4所示共源共栅恒流源供电，镜像管的面积会非常大，虽然克服了沟道调制效应，但是不利于节省面积。本专利将阐述一种新结构的电流精确复制电路(102)设计准则以及电路实现技巧，并将这些作为权利声明项予以保护。

本发明设计出了一种创新的电路结构，电路原理如图5所示，可以实现电流精确复制。图5中，iadjust是可调电流源输入、isource是大比例镜像复制iadjust后输出电流。该电路设计要点为：

(1)输入电流iadjust、晶体管m7、m8、m9、m14、m13(m11导通)构成了负反馈。当节点b电压升高，m9的漏极电流增大，m13镜像m14的电流增大，m8的导通电流增大、m8的栅极电压增大造成m7的漏极电流增大，m7的漏极电流与iadjust比较使得节点b的电压减小。分析整个反馈回路可知是负反馈。由于晶体管m8和m9具有对称性，最终使得节点b的电压约等于m8的栅极电压。m7管和m8管的栅极电压相同、负反馈也使得两者的漏极电压近似相同，因此m8的漏极电流能够精确复制iadjust电流。

(2)晶体管m10、m11和m12构成了源跟随电路，使得节点a的电压近似等于vpp。因此，当晶体管m13和m15的栅极电压相同、源极电压相同、漏极电压近似相等，m15的电流严格镜像m13的电流。

(3)m8的漏极电流精确镜像iadjust，m13的漏极电流等于m8的漏极电流，m15精确镜像m13的电流，最终实现了m15精确镜像iadjust电流的功能。

电流精确复制电路的最大特点就是从原理上彻底克服了沟道调制效应对镜像电流的影响，从而也消除了工艺corner、温度等因素对镜像电流精度的影响。因此，相比较图2和图3所示的电流镜像结构，图4中镜像管m15可以采用工艺允许的最小沟道长度，大大减小了电路设计的面积代价。

可调电流源

可调电流源(101)作为恒流源供电电路的必不可少的一部分，可以最终调整恒流源供电电流大小。与图5所示的电流精确复制模块最为匹配的可调电流源电路如图6所示。图6中可调电流源输入参考电流iref被pmos晶体管m0复制，pmos晶体管m1、m2、m3分别镜像晶体管m0的漏极电流。输入数字信号iset分别控制开关m4、m5、m6是否打开，从而决定了输出电流iadjust的大小。输入数字信号iset的位宽根据电路性能要求而定，通常iset的位宽大于等于两位，在本专利文本中以三位位宽为例。

采用图6所示的可调电流源电路(101)结构有利于提高输出电流iadjust的电源抑制性能。

泄流稳压电流检测电路

如图7所示的泄流稳压电流检测(103)电路通过泄露掉多余的电流达到稳定图2中vpp电压功能，同时，对泄露电流进行采样输出isample电流。其中，参考电压vref连接pmos晶体管m16的栅极，偏置电压vb连接nmos晶体管m17构成电流源负载。电路设计的要点包括：

(1)晶体管m16和m17构成共源放大器，当输入vpp电压发生变化，共源放大器输出节点c的电压发生变化。

(2)晶体管m16、m17和m18构成了负反馈：当vpp电压升高、节点c增益放大vpp的电压，m18的栅极电压升高造成m18的漏极泄露电流增大，因为精确电路复制电路提供的恒流源电流有限，所以随着m18泄露电流的增大会造成vpp电压的减小，因此负反馈建立使得vpp电压稳定。

(3)参考电压vref的输出电压与温度成正比，当温度越高，vref电压越大。用来补偿pmos晶体管m16的栅源电压vgs的负温度系数。从而使得vpp的稳压不随温度变化而变化。

(4)电阻r0和电容c0串联连接在vpp和和m18的栅极之间，用作稳定性补偿。

(5)晶体管m19的栅极与m18电压相同，用来采用m18泄露的电流输出采样电流isample。该采样电流可以被用来评估泄露电流的大小，从而为调整恒流源大小或者负载电路功耗电流大小提供依据。

以上详细描述了本发明的基本原理、电路特征及实现的详细思路。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，结构。在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所述的权利要求书及其等效物界定。