具有温度调节的用于无线数据传输的电路和方法与流程

本说明书涉及用于无线数据传输的电子器件的领域，如nfc收发器、rfid等。

背景技术：

近场通信(nearfieldcommunication,nfc)是基于rfid技术的国际传输标准，用于借助于电磁耦合的线圈越过相对短的间距(例如几厘米)和当前最大为424kbit/s的数据传输率无接触地交换数据。迄今，所述技术主要在“微支付”(小额非现金支付)领域中和在访问控制中使用。其他应用例如是例如经由例如蓝牙或wlan连接传输用于建立通信的认证数据，以及当在nfc芯片中存储有网页的url(uniformresourcelocator，统一资源定位符)时调用网页连接。nfc在iso/iec18092(nearfieldcommunicationinterfaceandprotocol-1，近场通信接口和协议-1)和iso/iec21481(nearfieldcommunicationinterfaceandprotocol-2，近场通信接口和协议-2)中标准化。

关于提到的支付功能，许多现代移动设备、如智能电话配备有nfc收发器(nfcreader/writer)。这种设备称作为具有nfc功能的移动设备(nfc-enabledmobiledevice)。nfc芯片——通常也称作为nfc标签或nfc收发器——通常不具有自己的能量供应装置而是从电磁场中供应能量，所述电磁场由具有nfc功能的移动设备产生。这就是说，将能量从具有nfc功能的移动设备传输给nfc芯片，而沿两个方向的数据传输是可能的。当前可用的具有nfc功能的设备通常以固定设定的发送功率工作并且不允许功率调节。所设定的发送功率能够根据具有nfc功能的设备的制造商和类型大幅度改变。例如，存在如下具有nfc功能的智能电话，其以为其他智能电话十倍的nfc发送功率工作。

具有nfc功能的设备和nfc芯片(nfc应答器)的天线严格来说是简单的线匝。在相应的天线电路中，所述线匝为电感，所述电感连同配合的电容一起形成并联振荡回路。对于从具有nfc功能的设备到nfc芯片的有效的能量传输，天线电路通常在相同的谐振频率下运行，由此使电感耦合和感生电压最大化。在标准应用中，所述谐振频率通常为13.56mhz。

在nfc芯片的天线与具有nfc功能的设备良好电感耦合时(例如当nfc芯片非常靠近移动设备时)，会出现如下情形，其中将与在nfc芯片中需要的能量相比更多能量传输给nfc芯片。在这种情形下，过剩的能量必须在nfc芯片中消散，例如在分流晶体管中。过剩的能量的消散会引起nfc芯片中相对高的温度。

技术实现要素：

下面，描述一种用于nfc芯片的电路。根据一个实施例，电路具有：用于近场通信的天线；天线振荡回路，所述天线振荡回路具有可设定的谐振频率；温度传感器以及与温度传感器耦合的调节器电路。调节器电路构成用于，根据由温度传感器提供的温度传感器信号改变天线振荡回路的谐振频率。

根据另一实施例，电路具有用于近场通信(nfc)的天线，所述天线构成用于，从外部的具有nfc功能的设备接收hf信号。电路还具有与天线连接的带有nfc收发器的hf前端以及温度传感器，所述温度传感器提供温度传感器信号。与温度传感器耦合有控制器，所述控制器构成用于，利用nfc收发器并且基于温度传感器信号，将数据传输给具有nfc功能的设备，这些数据引发具有nfc功能的设备改变hf信号的功率。

此外，描述一种用于稳定nfc芯片中的温度的方法。根据一个实施例，方法包括：借助于温度传感器测量芯片温度，和改变天线振荡回路的谐振频率，所述天线振荡回路具有天线，所述天线与在nfc芯片中设置的nfc收发器耦合。

根据一个实施例，方法包括：借助于用于近场通信的收发器接收hf信号、借助于温度传感器测量芯片温度、基于温度传感器信号将数据传输给具有nfc功能的设备，以及作为对所传输的数据的反应通过具有nfc功能的设备改变hf信号的功率。

附图说明

下面根据附图详细阐述不同的实施例。这些视图并不一定符合比例并且这些实施例并不只限于示出的方面。相反重点的是示出实施例所基于的原理。在附图中示出：

图1图解说明nfc芯片与具有nfc功能的设备如例如智能电话等的耦合。

图2图解说明具有电化学电池、nfc芯片和具有nfc功能的设备的测量装置。

图3图解说明具有用于近场通信的hf前端和用于处理传感器信号的模拟前端的nfc芯片的一个实施例。

图4图解说明在图3中的实例中使用的用于调节或稳定nfc芯片的温度的调节回路。

图5图解说明nfc芯片的天线振荡回路的谐振峰值(resonancepeak)的移动的示例性图表。

图6图解说明芯片温度与天线振荡回路的谐振频率相关的改变的示例性图表。

图7图解说明具有用于近场通信的hf前端和用于处理传感器信号的模拟前端的nfc芯片的另一实施例。

图8图解说明在图5中的实例中使用的用于调节或稳定nfc芯片的温度的调节回路。

图9是用于图解说明用于稳定nfc芯片的温度的方法的实例的流程图。

图10是用于图解说明用于稳定nfc芯片的温度的方法的另一实例的流程图。

具体实施方式

如开始提到的那样，近场通信(nfc)是用于在具有nfc功能的设备2(nfc-enableddevice)例如平板计算机或智能电话与nfc芯片1之间传输能量和数据的标准。所述情形在图1中示出。通常，nfc不仅用于(双向的)数据传输，而且也用于nfc芯片1通过具有nfc功能的设备2的(单向的)能量供应。nfc芯片1的天线和具有nfc功能的设备2通常构成为线匝(即扁平线圈)，并且数据和能量传输基于两个天线的电感耦合。

nfc芯片能够在不同应用中使用。主要地，nfc用于认证，例如结合支付系统(例如微支付)或用于访问控制的系统。相对新的应用是传感器借助于近场通信耦合到具有nfc功能的设备如例如智能电话上。在此，传感器电子装置包括用于与移动设备进行近场通信的rfid前端(高频(hf)前端电路)。移动设备例如能够在测量应用中用于将借助于nfc从传感器电子装置传输到移动设备上的测量数据继续处理并且在移动设备的屏幕上显示。此外，移动设备能够接受用户输入并且借助于nfc传输给传感器电子装置。以所述方式，移动设备能够用作为用于传感器电子装置的人机界面(human-machineinterface)。在图2中示出具有传感器的设备的实例，所述传感器借助于nfc与移动设备耦合。

图2图解说明具有生物化学传感器和集成的传感器电子装置的设备的实例，所述设备包括用于近场通信(nfc)的接口，以便能够将测量数据传输至具有nfc功能的移动设备2。在图2中示出的实例中，nfc芯片1包含提到的传感器电子装置和nfc接口。nfc芯片的能量供应也能够经由nfc进行。根据图2的传感器设备包括电路板4，在所述电路板上行设置有nfc芯片1和天线10。如提到的那样，天线10能够基本上是借助于条状导体在电路板上形成的线匝(即扁平线圈)。在电路板4上，根据图2设置有插接连接器3，所述插接连接器能够实现，将在测试条5上设置的电化学电池6与电路板连接。电化学电池6的在图2中用we、re和ce表示的电极经由插接连接器3和设置在电路板上的条状导线与nfc芯片1连接。如提到的那样，nfc芯片1包含用于检测和处理传感器信号的传感器电子装置和近场通信所需要的电路。电化学电池6例如能够用于伏安法或类似的技术，以便定量地确定一种或多种在电化学电池的电解质中包含的物质(分析物)。对此所需要的对电极we、re和ce的操控由在nfc芯片1中包含的传感器电子装置实现。当电化学电池6直接设置在电路板4上时，能够放弃测试条5和插接连接器3。

如在图2中示出的实例中本身已知的传感器设备，例如用于测量血液中的钾浓度(例如参见kollegger,c.,greiner,p.,siegl,i.等人的intelligentnfcpotassiummeasurementstripwithhemolysischeckincapillaryblood,在elektrotech.inftech.(2018)135/1中,第83-88页,https://doi.org/10.1007/s00502-017-0572-5)。在此，血滴形成电化学电池的电解质，所述电化学电池作为稳压器运行，以便确定血液中的钾的浓度。稳压器例如能够用于循环伏安法(cyclicvoltammetry，cv)，借助于所述循环伏安法能够根据电化学电池中的电压相关的电流变化曲线来确定物质混合物的化学组成。伏安法是电解质的如下形式，其中求取电极电流与在电化学电池上施加的电压的相关性。试样的其他检查包括：评估测量出的电流-电压曲线，例如以便求取在试样中包含的分析物(例如特定的金属离子)的浓度。测量结果的所述评估和显示能够至少部分地通过移动设备2完成。尤其地，在移动设备中包含的cpu(未示出)能够用于，执行软件应用程序，所述软件应用程序构成用于，对(数字化的)测量数据进行提到的评估并且示出结果。

如提到的那样，nfc芯片1也能够借助于nfc被供应能量。然而，当前的具有nfc功能的设备不允许控制传输的功率(单位时间的能量)，并且在两方的nfc接口(具有nfc功能的设备1，nfc芯片1)通常设计成，实现尽可能好的电感耦合。nfc芯片1不需要的功率以热量的形式消散，例如在电阻中消散，这在nfc芯片1中造成温度升高。在许多应用中，升高的温度不是特别重要的，然而在传感器应用中温度波动会负面地影响测量的精度。下面的实施例提供用于调节器电路或稳定nfc芯片中的温度(在一定的范围之内)的解决方案。

图3图解说明nfc芯片1的一个实施例，所述nfc芯片具有用于近场通信的hf前端11、数字控制器15(例如微控制器)、用于传感器电极we、re、ce的接口电路16和用于模拟预处理传感器信号的模拟前端14。接口电路16例如能够包含放大器，所述放大器提供电池电压。模拟前端14此外能够包含一个或多个信号源，所述信号源用于操控电化学电池，以及用于将传感器信号数字化的模/数转换器。数字化的信号能够由控制器15以数字的方式继续处理并且以串行数据流的形式无线地借助于nfc传输给移动设备2。所述数据传输能够由rfid前端实现，所述rfid前端包含用于数据传输的全部高频电路部件。nfc芯片1能够具有一个或多个可控制的电容器cr，所述电容器连同与nfc芯片连接的天线(在图3中作为电感lr示出)形成谐振电路(天线振荡回路r)，所述谐振电路具有特定的谐振频率fr。rfid前端11、控制器15、模拟前端14和接口电路16的构造和工作原理是本身已知的并因此在此不再阐述。尤其地，hf前端11具有nfc收发器，以及整流器电路，所述整流器电路构成用于，基于接收到的hf信号(载波信号)产生用于包含在nfc芯片1中的电路部件的供应电压。

即使在图3中这没有详细示出，rfid前端11也将供应电压提供给nfc芯片1的其余部件。用于产生供应电压的能量经由天线lr由具有nfc功能的移动设备2(在图3中未示出)接收。为了确保尽可能好的数据和能量传输，谐振频率fr能够设定成，使得所述谐振频率与由具有nfc功能的移动设备2使用的载波频率一致。如所提到的那样，通常使用13.56mhz的载波频率。

如在上文中提到的那样，当过多的功率经由nfc传输信道传输给rfid前端11时，nfc芯片1中的温度会升高。为了对抗所述温度升高，nfc芯片1能够具有温度传感器12，所述温度传感器提供温度测量信号，所述温度测量信号输送给调节器电路13。所述调节器电路13构成用于，改变天线振荡回路r的谐振频率fr，使得谐振频率fr不再匹配于载波频率，所述载波频率用于近场通信(nfc)。谐振频率fr的这种失调(detuning)造成，rfid前端11的功率吸收下降，并从而必须消散更少的功率，并且nfc芯片中的温度能够再次降低。天线振荡回路r的谐振频率fr的失调例如能够通过改变电容器cr的电容来实现。对此，电容器例如能够构成为数字可调电容器(digitallytunablecapacitor，dtc)或变抗器。

温度调节器13能够实现闭合的调节回路，所述调节回路示意地在图4中示出。如阐述的那样，nfc芯片1中的温度tchip与由天线接收的功率pr相关，所述功率又与天线振荡回路r的谐振频率fr相关。为了调节温度的目的，nfc芯片因此能够视为如下系统，所述系统的输入变量是谐振频率fr并且所述系统的输出变量是温度tchip。所述温度tchip由温度传感器12测量，所述温度传感器提供代表温度tchip的温度信号stemp。所述温度信号stemp输送给调节器电路13，所述调节器电路构成用于，根据温度信号stemp(并且可选地也根据参考信号sref)设定谐振频率fr。

例如，谐振频率fr能够根据差值stmp-sref(在测量到的温度与期望温度之间的差值)来调整。如果温度信号stemp的水平高于参考信号sref的(例如恒定的)水平，那么能够提高谐振频率fr，直至由具有nfc功能的设备2使用的(恒定的)载波频率fc(例如fc＝13.56mhz)不再处于天线振荡回路r的谐振峰值(resonancepeak)之内(或处于边缘处)。如果温度信号stemp的水平小于参考信号sref的水平，那么能够将谐振频率fr朝向由具有nfc功能的设备2使用的载波频率移动，使得载波频率处于谐振峰值的中部区域中。在图5中示出天线振荡回路r的谐振频率fr和进而谐振峰值的移动。实线表示在例如为40mhz的谐振频率下天线振荡回路r的谐振峰值。在该情况下，距载波频率fc的间距δf为大约δf＝fr-fc＝26.44mhz并且载波频率fc处于谐振峰值的边缘处。虚线表示在谐振频率fr明显小于40mhz(例如为19mhz)时天线振荡回路r的谐振峰值。在该情况下，载波频率fc位于谐振峰值的中部区域中。在天线振荡回路r完美匹配(matching)的情况下，谐振频率fr等于载波频率fc。图6在示意图表中示出芯片温度tchip的升高，同时近场通信(nfc)激活并且谐振频率从例如40mhz开始逐渐朝向载波频率fc移动。可见的是，差值δf越小，那么温度就越高，其中从特定的差值δf起，温度不再升高。

图7图解说明一个替选的实施例，其中在nfc芯片1中测量到的温度信息被传输给具有nfc功能的移动设备2。具有nfc功能的移动设备2于是具有如下可能性，降低发送功率，由此同样降低由nfc芯片1接收的功率，而不必改变天线振荡回路的谐振频率fr。在图7中的实例中，rfid前端11、控制器15、模拟前端14和接口电路16基本上与前面的在图3中的实例中相同。然而不同于前面的实施例，将由温度传感器12检测的温度信息数字化并且将其输送给控制器15。为了所述目的，控制器15或温度传感器12能够具有模数转换器(在图7中未示出)。控制器15构成用于，根据在nfc芯片1中测量到的温度，将改变发送功率的请求(request)发送给具有nfc功能的移动设备2。如果例如测量到的温度超过参考值，那么控制器14通过借助于nfc将相应的请求req传输给具有nfc功能的移动设备2引发所述移动设备降低发送功率。发送功率的所述降低能够根据具有nfc功能的设备2如何实现连续地或分级地进行。以所述方式形成温度调节回路，在所述温度调节回路中也包含具有nfc功能的移动设备2。当然，具有nfc功能的移动设备2必须支持发送功率的调整，这在大量当前市场上现存的设备中不是这种情况，然而未来会是这种情况。

图8示意地图解说明在根据图7的实施例中实现的调节回路。如阐述的那样，nfc芯片1中的温度tchip与由天线接收的功率prf相关。为了温度调节的目的，在当前的实例中，nfc芯片因此能够视为如下系统，所述系统的输入变量是在近场通信(nfc)中接收的功率prf并且所述系统的输出变量是温度tchip。所述温度tchip由温度传感器12测量，所述温度传感器提供代表温度tchip的温度信号stemp。所述温度信号stemp输送给控制器15，所述控制器构成用于，经由nfc传输信道要求具有nfc功能的设备2调整发送功率。所述调整能够与测量到的温度tchip相关并且可能与参考值相关。根据具有nfc功能的设备2的能力，所述具有nfc功能的设备也能够定期地经由nfc传输信道由控制器15查询(polling)测量到的温度(温度信号stemp)并且根据温度调整发送功率。

下面总结由上述实施例实现的用于调节/稳定nfc芯片中的温度的方法。图9以流程图图解说明方法的一个实例，所述方法例如借助于图3中的电路实现。根据图9，该方法包括：借助于温度传感器测量芯片温度(参见图9，步骤s10)，以及改变天线振荡回路的谐振频率(参见图9，步骤s11)，所述天线振荡回路具有天线，所述天线与在nfc芯片中设置的nfc收发器耦合。在一个实施例中，实现谐振频率改变，其方式为：改变包含在天线振荡回路中的电容器的电容。如上所述，天线振荡回路的失调引起由天线接收的功率的降低和从而引起在nfc芯片中必须消散的功率减小，这又引起温度的降低。

图10是用于图解说明其他实例的流程图，其中具有nfc功能的设备(例如智能电话)是温度调节回路的一部分。根据图10，该方法包括：借助于用于近场通信的收发器接收hf信号(参见图10，步骤s20)，借助于温度传感器测量芯片温度(参见图10，步骤s21)，基于温度传感器信号将数据传输给具有nfc功能的设备(参见图10，步骤s22)。作为对传输的数据的反应，具有nfc功能的设备改变hf信号的功率(参见图10，步骤s21)。所述方法例如能够借助于在图7中示出的系统(具有nfc功能的设备2，nfc芯片1)实现。