TW201735559A - 近場通訊之電力節約技術 - Google Patents

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馬琍Ｚ 都哈巴堤
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Abstract

一種電子裝置，包括：一磁場強度偵測器14，其係連接一天線8，該磁場強度偵測器14係經配置以判定該天線8中被誘發的一磁場的強度，且若經判定的強度超過一閾值時產生一第一喚醒訊號30；一磁場頻率偵測器，其係經配置以：於接收到該第一喚醒訊號時判定被誘發的磁場頻率是否在一預定範圍內；且若該頻率在該預定範圍內時，產生一第二喚醒訊號；以及一近場通訊模組，其係經配置以於接收到該第二喚醒訊號時傳送及/或接收一近場通訊信息。

Description

近場通訊之電力節約技術
本發明係有關電子通訊中的節約電力方法，其中不需要連續的通信，尤其是在近場通訊(NFC)系統之中。
近場通訊(NFC)是一種在兩個電子裝置之間傳送資料的技術，其中該等裝置中之至少一者通常為可攜式裝置，諸如智慧型手機、平板電腦、穿戴式裝置等。NFC使用兩個環形或「線圈」天線之間的電磁感應(各個裝置具有自己的天線)而將資料從一個傳送裝置轉移到一個接收裝置。這些裝置可以是(例如)一個NFC標籤與一個NFC讀取器，或者可以是一對可攜式裝置(諸如智慧型手機)。一般而言，該等通訊本身使用了ISO/IEC 18000-3空氣介面通訊標準之無執照的13.56MHz工業、科技與醫學(ISM)無線電頻帶來執行。
NFC提供了使用沒有自己的內部電力供應之「被動式」標籤的可能性，而藉由將從NFC讀取器產生之用於NFC通訊的電磁場所獲得的一些能量轉換為可接著用來驅動標籤本身之電流，而利用其所需的全部電力。然而，在某些情況下該二個裝置係可為帶有電力(例如藉由一內部電池)的電子裝置，該等裝置之其中一者做為標籤，而另一者做為NFC讀取器。當然，NFC通訊係可為雙向的，例如使用半雙工或全雙工通訊方法。
帶有電力的NFC設備通常具有兩種操作模式：感測模式及 主動模式。當未存有電磁NFC磁場時，該裝置係處於感測模式且一磁場偵測電路被供電。一旦偵測到一NFC磁場，該磁場偵測電路產生一喚醒訊號並開啟該NFC裝置的其餘部分，且接著該裝置進入主動模式而執行NFC。相對來說，感測模式需要很少的電力，而主動模式具有較大的電力消耗要求。
簡單的磁場偵測方法可以使用封包檢測器或峰值振幅檢測器來嘗試並判定NFC磁場的存在。裝置的天線與相關的調諧電容器係做為一個具有13.56MHz的理論中心頻率之粗帶通濾波器，其可讓頻率約1MHz至100MHz的訊號通過，但是當然應當理解到這將取決於磁場強度及天線電路的品質因數(或「Q因子」)。不幸地這導致磁場偵測器產生錯誤的喚醒訊號，造成該主動模式電路響應於非NFC磁場而啟用，導致電力消耗的不必要增加。
當從本發明第一態樣查看時，本發明提供了一種電子裝置，包括：一磁場強度偵測器，其係連接一天線，該磁場強度偵測器係經配置以判定該天線中被誘發的一磁場的強度，且若經判定的強度超過一閾值時產生一第一喚醒訊號；一磁場頻率偵測器，其係經配置以：於接收到該第一喚醒訊號時判定被誘發的磁場頻率是否在一預定範圍內；且若該頻率在該預定範圍內時，產生一第二喚醒訊號；以及一近場通訊模組，其係經配置以於接收到該第二喚醒訊號時傳送及/或接收一近場通訊信息。
本發明及於一種操作電子裝置的方法，包括：判定該裝置之一天線中被誘發的一磁場的強度；若經判定的強度超過一閾值，產生一第一喚醒訊號；於接收到該第一喚醒訊號時，判定被誘發的磁場頻率是否在一預定範圍內；若該頻率在該預定範圍內時，產生一第二喚醒訊號；以及於接收到該第二喚醒訊號時，傳送及/或接收一近場通訊信息。
因此，所屬技術領域中具有通常知識者將理解到，本發明提供了一種電子裝置及一種操作該電子裝置的方法，若判定確實存在有足夠強的磁場，則藉由只操作該頻率偵測器而提供與習用手段方法相比低減的電力消耗。再者，藉由只有在磁場隨著合適的頻率變化時才進入近場通訊模組的主動模式而實現進一步的電力節約。
申請人已理解到該裝置可處於更為被動的感測模式一段相對較長的時間(例如幾天或幾周)。藉由只有在需要時才喚醒更多的電力密集型電路，而可實現顯著降低的電力消耗。
應理解到在本領域本身中已知有許多種用以判定磁場是否存在的電力配置。然而，於一些實施例中該磁場強度偵測器係包括一封包檢測器。額外地或替代性地，於至少一些的實施例中該磁場強度偵測器係包括一振幅位準檢測器。
申請人已理解到有許多種不同的頻率偵測電路可根據本文所述之發明而很容易地實現。然而，申請人已想出一種特別有利的頻率偵測器配置，且於一組實施例中該磁場頻率偵測器包括：一斜坡發生器、一電壓比較器及一計數器，該計數器係受到一源自該天線中被誘發的磁場之訊號的時脈控制，所述磁場頻率偵測器係經配置而使得： 於接收到該第一喚醒訊號時，該斜坡發生器開始產生一電壓斜坡且該計數器開始計數；該電壓比較器對該電壓斜坡的一電壓與一閾值電壓進行比較，若該電壓斜坡的電壓達到該閾值電壓時則停止該計數器；並且若計數值落入一預定範圍內時，其產生該第二喚醒訊號。
所屬技術領域中具有通常知識者可理解到此配置可提供一種簡單、低功耗之判定被誘發磁場的頻率是否在預定範圍內之方法。該預定頻率範圍可對應一個較低的計數閾值及一個較高的計數閾值。若計數值介於所述較低與較高計數閾值之間，該第二喚醒訊號可因而產生。若斜坡發生器達到閾值電壓所花費的時間是已知的，則在已知的一段時間中計數達到的數字即表示該磁場的頻率。
可提供至少一計數比較器來比較到達所述較低與較高計數閾值的計數值。
於至少一些的實施例中，該斜坡發生器包括至少一電阻-電容(RC)網路。於一些替代實施例中，該斜坡發生器包括一電容器及一電流源。於這類實施例中，電容值及(在適當的情況下)電阻值係經選擇以設定達到閾值電壓所花費的時間(其與電阻值和電容值的乘積成反比)而至一特定值。例如，若延遲時間設定為10μs，計數值135(從135.6截斷)會對應約13.56MHz的頻率。此例示性系統因而可接受128與143之間的計數值(即若頻率介於12.19MHz與15.05MHz之間，該頻率偵測器將產生第二喚醒訊號，這將避免主動模式電路響應於(例如)6.78MHz Rezence®無線充電磁場而被錯誤喚醒)。隨後可藉由充分精確校正(例如，校正以抵消任何溫度依存性效應)來縮小該例示性計數值範圍。
於一組特定的實施例中，該斜坡發生器開始產生一隨著時 間(例如，線性地)增加(即，其「上升」)的電壓。當然，應理解到所述電壓斜坡不一定需要是線性的，電壓也不需要增加，實際上，本發明的原理實際上同樣適用於一旦觸發時電壓會隨著時間減少之實施例。
同樣地，計數值可以遞增或遞減，且可從任何選定值開始，而該較高與較低的計數閾值係相應地界定。
為了從該磁場產生一時脈訊號，至少在一些實施例中該頻率偵測器係包括一第一AND閘(第一「和」閘)，所述第一AND閘具有一連接該天線之第一輸入端、一經配置以自該磁場強度偵測器接收該第一喚醒訊號之第二輸入端、以及一經配置以輸出該時脈訊號之輸出端。如上所述，13.56MHz的NFC磁場每10μs將會有約135-136個週期。藉由使用被誘發的磁場的週期做為該計時器的時脈，該計時器將以時變場的頻率來遞增計數值。
儘管前述時脈訊號可直接連接到該計數器而使得該時脈訊號做為該計數器的時脈訊號，然而在一組實施例中，該頻率偵測器係包括一第二AND閘，所述第二AND閘具有一經配置以自該第一AND閘的輸出端接收該時脈訊號之第一輸入端、一經配置以獲取該電壓比較器輸出端的邏輯反向之第二輸入端、以及一經配置以提供該計數器時脈訊號之輸出端。這假定該電壓斜坡發生器隨著時間而增加電壓。若其隨著時間降低電壓，則不需要反轉該電壓比較器的輸出。
應理解到，根據上文於該磁場強度偵測器已判定一鄰近天線的磁場的強度夠高時，可啟用該磁場頻率偵測器且該時變場本身可使用為一個觸發該計時器的時脈，但若該磁場強度偵測器判定沒有足夠強的磁場出現，則停用該計數器。
於一些實施例中，該頻率偵測器進一步包括一個AND閘 (即第三AND閘，若提供上述第一與第二AND閘時)所述AND閘具有一連接至該計數比較器的輸出端之第一輸入端、一連接該電壓比較器的輸出端之第二輸入端、以及一經配置以提供該第二喚醒訊號之輸出端。這確保該磁場強度與磁場頻率於喚醒該近場通訊模組之前皆為合適的。
一般而言，該天線為線圈天線或環形天線。在至少一些的實施例中一調諧元件係連接該天線。在一些這類的實施例中，該調諧元件包括一調諧電容器。該調諧電容器係可為可變式，或者可設置多個調諧電容器讓該裝置於需要時被調諧到不同的頻率值。於一些實施例中，該磁場頻率偵測器係經配置以於接收到該第一喚醒訊號時(例如)使用複數個計數比較器來判定被誘發的磁場的頻率是否在複數個預定範圍中之一者內。於一些這類的實施例中，於判定被誘發的磁場的頻率是否一選定範圍內時，該調諧元件係經調諧至一與該選定範圍相關的選定頻率。這藉由使用一種能接收具有多種頻率或頻率範圍的磁場之寬頻天線且能隨後調諧到其偵測到的頻率，而為根據上文之這類裝置提供了支援多個頻率的能力(且乃至於不同的通訊標準)。
2‧‧‧電子裝置
4‧‧‧NFC電路
6‧‧‧頻率偵測電路
8‧‧‧線圈天線
10‧‧‧調諧電容器
12a、12b‧‧‧NFC輸入接腳
14‧‧‧磁場強度偵測電路
16‧‧‧斜坡發生器
18‧‧‧電壓比較器
20‧‧‧第一AND閘(布林AND閘)
22‧‧‧第二AND閘(布林AND閘)
28‧‧‧第三AND閘(布林AND閘)
24‧‧‧計數器
26‧‧‧計數比較器
30‧‧‧第一喚醒訊號
32‧‧‧輸出斜坡電壓
33‧‧‧致能輸入端
34‧‧‧參考電壓/閾值電壓
36‧‧‧停止訊號
38‧‧‧時脈訊號
40‧‧‧閘控時脈訊號
42、48‧‧‧輸出
44‧‧‧較低閾值輸入端
46‧‧‧較高閾值輸入端
50‧‧‧輸出
52‧‧‧脈波
T、t 0、t 1、t 2‧‧‧時間
現將僅以例示方式、參照附圖來描述本發明的某些實施例，其中：圖1為一根據本發明之一實施例之電子裝置的電路圖；且圖2為顯示圖1之裝置之典型運作時序圖。
圖1為一根據本發明之一實施例之電子裝置2的電路圖。該裝置包括一與一調諧電容器10並聯的線圈天線8，所述調諧電容器10連接在一NFC電路4的兩個NFC輸入接腳12a、12b上。該NFC電路4本身 係包括一磁場強度偵測電路14，其輸入端連接該NFC輸入接腳12a、12b，且其輸出端連接一頻率偵測電路6。
該頻率偵測電路6包括：一斜坡發生器16；一電壓比較器18；三個雙輸入布林AND閘20、22、28；一計數器24及一計數比較器26。該磁場強度偵測電路14的輸出端係連接該斜坡發生器16的致能輸入端，其又以其輸出端連接該電壓比較器18的正極輸入端。該電壓比較器18亦於其負極輸入端獲取一參考電壓34，且具有一連接該磁場強度偵測電路14的輸出端之致能輸入端33(EN)。
該磁場強度偵測電路14的輸出端係進一步連接至該第一AND閘20的其中一輸入端，而該第一AND閘20從該NFC輸入接腳12a中之一者獲取其另一輸入端。該第一AND閘20的輸出端係連接該第二AND閘22。該電壓比較器18的輸出端被無效並連接至該第二AND閘22的另一輸入端。
該第二AND閘22的輸出端係連接至該計數器24的時脈輸入端(CLK)，而該計數器24係以其致能輸入端(EN)連接該磁場強度偵測電路14的輸出端。該計數器24的輸出端係連接該計數比較器26的輸入端，而該計數比較器26的輸出端係連接該第三AND閘28，而該第三AND閘28從該電壓比較器18的輸出端獲取其第二輸入端。該第三AND閘28產生一輸出50而可提供給另外用於發送及接收功能之NFC電路。該計數比較器26亦具有二個另外的輸入端：一較低閾值輸入端44及一較高閾值輸入端46。
圖2為顯示圖1之裝置2之典型運作時序圖。在初始時間t 0處，沒有NFC磁場出現且因此該磁場強度偵測器14不會偵測該天線8中被誘發的磁場。於是該磁場強度偵測器14的輸出(即該第一喚醒訊號30) 被設定為邏輯低電平。
然而，稍後在t 1處，該裝置2係已經被帶入一正在產生NFC磁場之NFC讀取器的附近。當然，於此階段，該裝置2不確定地知道該天線8中被誘發的磁場確實是NFC磁場，同時其因低電平的第一喚醒訊號30讓頻率偵測電路6仍被停用所以還不知道頻率。一旦磁場強度偵測電路14判定有足夠強的磁場出現(例如藉由觀察該天線8中被誘發的電壓的振幅或封包)，該第一喚醒訊號30則被設定為邏輯高電平。
一旦該第一喚醒訊號30變為高電平，該斜坡發生器16係被啟用，且開始增加其輸出斜坡電壓32。儘管圖2將該斜坡電壓32顯示為線性增加的，在實際施行時可能會有一些非線性的斜坡，例如若使用電阻-電容(RC)斜坡發生器，電容器則不會線性充電。
由於該第一喚醒訊號30為高電平，每次天線8中(即在該第一NFC輸入接腳12a處)被誘發的電壓變高時，該第一AND閘20的輸出會變高，產生一依循該天線8中被誘發的時變電壓之「時脈」訊號38。於該斜坡電壓32小於一閾值電壓34時，該斜坡比較器18的輸出(即停止訊號36)會變低。被無效的輸出因而變高，表示每次該「時脈」訊號38變高時連接至該第二AND閘22的輸入是高電平的，並產生一閘控時脈訊號40(以一系列的脈波52顯示)來驅動該計數器24。
這表示在斜坡發生器啟用且其輸出32低於該閾值電壓34時，該計數器24被啟用(因為其致能輸入端連接高電平的第一喚醒信號30)並在其輸出42上增加計數，例如在該閘控時脈信號40之傳遞到該計數比較器26的每一個時脈上升邊緣處(雖然應理解到這當然可以使用時脈下降邊緣代為施行)。
在一段時間T之後，該斜坡電壓32達到該閾值電壓34。這 導致該停止訊號36變高，將該第二AND閘22設定為邏輯低電平，而與來自該第一AND閘20的時脈訊號38的數值無關，因此防止該計數器24任何進一步的計數。
該計數比較器26接著比較來自該計數器輸出端42的計數值與該較低及較高閾值44、46。如果計數器值42介於閥值44、46，該計數比較器26的輸出48被設定為邏輯高電平。這表示所達到的計數值係對應該天線8之被誘發的電壓的頻率(NFC頻率)。在該停止訊號36及該計數比較器輸出48皆為高電平的條件下，該第三AND閘28於其輸出50上產生一邏輯高電平，表示具有適當強度及頻率的NFC磁場已被該天線8所挑選到，且現可實施NFC通訊。
該段時間T係於設計期間藉由組件的選擇來設定，例如使用在RC斜坡發生器建置中的電阻值與電容值，以及該閾值電壓值。例如，該RC電路的時間常數係由下面的等式1給出：τ=RC等式1：RC電路的時間常數其中：τ為RC電路的時間常數；R為RC電路的電阻值；而C為RC電路的電容值。由於T必須是讓該裝置正確運作的固定值，故R和C必須經校正讓τ約等於T。此校正係可在頻率偵測器的生產期間、使用中(例如週期性地)或者該二者中進行。然而，應理解到T不需要正好等於τ，因為斜坡電壓32在該點之前與附近是相對線性的，即該閾值電壓34不需要正好是斜坡電壓32在經過單個時間常數τ之後達到的電壓。
因此，應理解到本發明所述之該等實施例提供了一種具有NFC功能的電子裝置，且其在感測模式中係比習用裝置具有更低的電力消 耗需求。儘管已詳細描述特定的實施例，所屬技術領域中具有通常知識者將理解到可使用本文中所提出的原理做出許多變化及修改。
2‧‧‧電子裝置
4‧‧‧NFC電路
6‧‧‧頻率偵測電路
8‧‧‧線圈天線
10‧‧‧調諧電容器
12a、12b‧‧‧NFC輸入接腳
14‧‧‧磁場強度偵測電路
16‧‧‧斜坡發生器
18‧‧‧電壓比較器
20‧‧‧第一AND閘(布林AND閘)
22‧‧‧第二AND閘(布林AND閘)
28‧‧‧第三AND閘(布林AND閘)
24‧‧‧計數器
26‧‧‧計數比較器
30‧‧‧第一喚醒訊號
32‧‧‧輸出斜坡電壓
33‧‧‧致能輸入端
34‧‧‧參考電壓/閾值電壓
36‧‧‧停止訊號
38‧‧‧時脈訊號
40‧‧‧閘控時脈訊號
42、48‧‧‧輸出
44‧‧‧較低閾值輸入端
46‧‧‧較高閾值輸入端
50‧‧‧輸出

Claims (22)

  1. 一種電子裝置，包括：一磁場強度偵測器，其係連接一天線，該磁場強度偵測器係經配置以判定該天線中被誘發的一磁場的強度，且若經判定的強度超過一閾值時產生一第一喚醒訊號；一磁場頻率偵測器，其係經配置以：於接收到該第一喚醒訊號時判定被誘發的磁場頻率是否在一預定範圍內；且若該頻率在該預定範圍內時，產生一第二喚醒訊號；以及一近場通訊模組，其係經配置以於接收到該第二喚醒訊號時傳送及/或接收一近場通訊信息。
  2. 如請求項1所述的裝置，其中該磁場強度偵測器包括一封包檢測器。
  3. 如請求項1或2所述的裝置，其中該磁場強度偵測器包括一振幅位準檢測器。
  4. 如前述任一請求項所述的裝置，其中該磁場頻率偵測器包括：一斜坡發生器、一電壓比較器及一計數器，該計數器係受到一源自該天線中被誘發的磁場之訊號的時脈控制，所述磁場頻率偵測器係經配置而使得：於接收到該第一喚醒訊號時，該斜坡發生器開始產生一電壓斜坡且該計數器開始計數；該電壓比較器對該電壓斜坡的一電壓與一閾值電壓進行比較，若該電壓斜坡的電壓達到該閾值電壓時則停止該計數器；並且若計數值落入一預定範圍內時，其產生該第二喚醒訊號。
  5. 如請求項4所述的裝置，其中該斜坡發生器包括至少一電阻-電容網路。
  6. 如請求項4所述的裝置，其中該斜坡發生器包括一電容器及一電流源。
  7. 如請求項4、5或6所述的裝置，其中該斜坡發生器係經配置以開始產生一隨著時間增加或減少之電壓。
  8. 如請求項4至7中之任一項所述的裝置，其中該磁場頻率偵測器包括一第一AND閘，所述第一AND閘具有一連接該天線之第一輸入端、一經配置以自該磁場強度偵測器接收該第一喚醒訊號之第二輸入端、以及一經配置以輸出該時脈訊號之輸出端。
  9. 如請求項8所述的裝置，其中該磁場頻率偵測器包括一第二AND閘，所述第二AND閘具有一經配置以自該第一AND閘的輸出端接收該時脈訊號之第一輸入端、一經配置以獲取該電壓比較器輸出端的邏輯反向之第二輸入端、以及一經配置以提供該計數器時脈訊號之輸出端。
  10. 如請求項4至9中之任一項所述的裝置，其中該磁場頻率偵測器進一步包括一AND閘，所述AND閘具有一連接至該計數比較器的輸出端之第一輸入端、一連接該電壓比較器的輸出端之第二輸入端、以及一經配置以提供該第二喚醒訊號之輸出端。
  11. 如前述任一請求項所述的裝置，其中一調諧元件係連接該天線。
  12. 如請求項11所述的裝置，其中該調諧元件包括一調諧電容器。
  13. 如前述任一請求項所述的裝置，其中該磁場頻率偵測器係經配置以於接收到第一喚醒訊號時，判定被誘發的磁場頻率是否落入複數個預定範圍中之一者內。
  14. 如請求項13所述的裝置，其係經配置以使得在判定被誘發的磁場頻率是否落入一選定範圍內時，該調諧元件係經調諧至一與所述選定範圍相關之選定頻率。
  15. 一種操作電子裝置的方法，包括：判定該裝置之一天線中被誘發的一磁場的強度； 若經判定的強度超過一閾值，產生一第一喚醒訊號；於接收到該第一喚醒訊號時，判定被誘發的磁場頻率是否在一預定範圍內；且若該頻率在該預定範圍內時，產生一第二喚醒訊號；以及於接收到該第二喚醒訊號時，傳送及/或接收一近場通訊信息。
  16. 如請求項15所述的方法，其中該磁場頻率偵測器包括：一斜坡發生器、一電壓比較器及一計數器，該計數器係受到一源自該天線中被誘發的磁場之訊號的時脈控制，所述方法包括：於接收到該第一喚醒訊號時，該斜坡發生器開始產生一電壓斜坡且該計數器開始計數；該電壓比較器對該電壓斜坡的一電壓與一閾值電壓進行比較，若該電壓斜坡的電壓達到該閾值電壓時則停止該計數器；並且若計數值落入一預定範圍內時，產生該第二喚醒訊號。
  17. 如請求項16所述的方法，其中該斜坡發生器開始產生一隨著時間增加或減少之電壓。
  18. 如請求項16或17所述的方法，其中該磁場頻率偵測器包括一第一AND閘，所述第一AND閘具有一連接該天線之第一輸入端、一經配置以自該磁場強度偵測器接收該第一喚醒訊號之第二輸入端、以及一經配置以輸出該時脈訊號之輸出端。
  19. 如請求項18所述的方法，其中該磁場頻率偵測器包括一第二AND閘，所述第二AND閘具有一自該第一AND閘的輸出端接收該時脈訊號之第一輸入端、一獲取該電壓比較器輸出端的邏輯反向之第二輸入端、以及一提供該計數器時脈訊號之輸出端。
  20. 如請求項16至19中之任一項所述的方法，其中該磁場頻率偵測器進一步包括一AND閘，所述AND閘具有一連接至該計數比較器的輸出端之第一輸入端、一連接該電壓比較器的輸出端之第二輸入端、以及一經配置以提供該第二喚醒訊號之輸出端。
  21. 如請求項15至20中之任一項所述的方法，其包括：該磁場頻率偵測器係於接收到第一喚醒訊號時，判定被誘發的磁場頻率是否落入複數個預定範圍中之一者內。
  22. 如請求項21所述的方法，其包括：在判定被誘發的磁場頻率是否落入一選定範圍內時，該調諧元件係經調諧至一與所述選定範圍相關之選定頻率。
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