Energieübertragung für passive Sensor-Transponder mit hoher Reichweite

Duisburg, Essen (2010), XV, 148 S.
Dissertation / Fach: Elektrotechnik
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Elektrotechnik und Informationstechnik
Kokozinski, Rainer (Doktorvater, Betreuerin)
Hosticka, Bedrich J. (GutachterIn)
Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2010
Abstract:
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.