一种用于无源900MHz UHF RFID的Inventoried Flag 以及Select Flag电路的设计

【摘要】本文针对ISO 18000-6及EPC Gen2协议要求，提出了一种实现Inventoried Flag 以及Select Flag的电路结构，经过仿真以及测试，能够实现协议要求的功能，且达到协议所要求的参数。

【关键词】RFID；Inventoried Flag；Select Flag；电子标签；物联网

一、引言

RFID是Radio Frequency Identification的简称，目前大量应用的公交卡、门禁卡以及电子收费卡等都属于RFID的范畴。本文所关注的RFID，属于UHF无源RFID的类型。UHF RFID的标准主要有两个，一个是ISO 18000-6，另一个是EPC Gen2。这两个标准在射频接口标准上基本一致。这两个标准中都定义了Inventoried Flag 和Select Flag。Inventoried Flag 及Select Flag的主要功能，是在进行大批量标签操作时，用来标定已完成操作的标签和未完成操作的标签，以及标定完成盘存和未完成盘存的标签。标准中一共定义了4个Inventoried Flag和一个Select Flag，其中，S0 Inventoried Flag没有断电时的保持需求，一般直接使用寄存器来实现，S1～S3 Inventoried Flag（以后简称S1～S3 Flag）以及 Select（SL）Flag（以后简称SL Flag）有断电保持的需求，本文将主要讨论这4个Flag的电路设计。

二、需求分析

根据EPC Gen2标准第44页的描述，S1～S3 Flag 以及SL Flag的功能都是，一旦上电后，就直接保持在状态A或者状态B，除非设置Flag的时间已经超过了保持时间。而在第45页表6.16中，描述了各个Flag的保持时间，其中，S1 Flag的在正常温度范围内（-25℃～40℃），在有电源供给和无电源供给的保持时间都为500mS至5S，而S2、S3、SL Flag在正常温度范围内，在有电源供给的保持时间为无限长，而无电源供给的保持时间为大于2S。

一般而言，电路在工作时都是有电源供给的，因而保持信号是非常简单的。而在本应用中，需要在断电状况下保持，因此设计方面需要特别注意。一般而言，实现类似功能需要使用非挥发性存储器的技术，通过对浮栅电子注入等方法来实现断电后信息的存储。不过在此应用中，并不能适用非挥发性存储器的设计，因为需要较快的写速度，且非挥发性存储器需要的电荷泵等面积开销较大。

三、电路设计

基础电路如图1所示，当需要写“1”时，PM0的栅极置“0”，NM0的栅极置“0”，此时，PM0打开，NM0关断，PM1为正向二极管形式，vp点将充电至vdd-Vthp的电压，dout输出为“1”。当需要写“0”时，PM0的栅极置“1”，NM0的栅极置“1”，此时PM0关断，NM0打开，vp点将放电至0电压，dout输出为“0”。当处于保持状态时，PM0的栅极置“1”，NM0的栅极置“0”，此时vp处于悬空状态，vp实现了保持。vp点电压的最终值，是由PM0以及NM0的反向漏电的大小决定。当处于断电状态时，vdd电位为0，存贮在C0中的电荷，通过PM1，NM0的漏电流，不断的释放到0电压上去，最终将释放到0。不过在vp尚未下降到vref以下时，如果重新上电，则dout将重新输出“1”。最终的保持时间，将由PM1，NM0的漏电流的大小以及C0的大小决定。

最终电路的实现如图2所示（使用SMIC0.18um工艺）。要实现标准所规定的性能需求，电路参数的设置十分重要。在本电路中，对性能主要影响为三个器件，PM1，NM0和C0。下面将计算这三个器件的参数。

当断电时，信号的存贮时间主要由C0的大小以及漏电通路的PM1，NM0的漏电电流决定。MOS管反向漏电电流为：

假如电源电压为Vdd，P管阈值电压为Vthp，则写入完成后，vp点的电压为：

最终，vp点下降到0所需的时间为：

根据标准的要求，保持时间主要有两种，一种是S1的500mS～5S，一种是S2，S3，SL的>2S，因而在实现时，为了简化版图的工作，我们采用了同样的PM1，NM0的参数，仅仅采取不同的电容取值。最终，PM1取值为0.22u/10u，NM0取值为0.22u/10u，针对S1的电容，采用了MOS电容和MIM电容并联的形式，采用了6个10u x 10u的MOS电容外加6个10u x 10u 的MIM电容；而针对S2，S3，SL的电容，则采用了15个MOS电容和15个MIM电容。

四、仿真结果

仿真工具为Hspice V2007.12，波形查看工具为WaveView V2008.09。仿真采用SIMC018EE工艺库，温度取25℃，电源电压为2.5V，起始测量时间从vdd下点开始，结束测量时间为vp下降至0.1V为止。

需要说明的是，由于保持时间完全依赖于器件特性，因而受到温度、电源、工艺等因素影响非常之大，我们目前只能保证在典型情况下能够符合标准的需求，在所有情况下，保持时间的变化幅度甚至会跨越数个数量级。

五、测试结果

我们对于SFlag电路，制作了专门的测试片来进行测试，处于成本考虑，我们只做了SL Flag电路的测试电路。测试电路主要是在原电路的基础上，增加了IO PAD，将内部电平转换到3.3V的电平进行测试。

测试条件为：室温20℃，VDD_IO电压3.3V，SFLAG_READ和SFLAG_INPUT接高，SFLAG_WRITE使用任意波发生器产生的方波信号，方波周期为10S，高电平时间1S。我们对VDD使用不同的电平来测试。

需要指出的，由于受到光电效应的影响，当芯片受到光线照射时的测试结果与在遮光条件下的测试结果有较大差距。

以下是我们的测试结果：

可见，当处于遮光条件下时，SL Flag的性能符合规范要求的>2S的要求。

六、结论

本文针对ISO 18000-6及EPC Gen2规范要求，提出了一种电路实现Inventoried Flag 以及Select Flag功能的方式，经过仿真以及实际流片测试，该模块能够符合ISO 18000-6及EPC Gen2规范要求，可以应用于无源900M UHF RFID标签电路中。

参考文献

[1]EPCTM Radio-Frequency Identity Protocols Class-1 Generation-2 UHF RFID Protocol for communications at 860 MHz-960MHz Version 1.2.0.

[2]ISO/IEC WD 18000-6REV1：Information technology-Radio frequency identification for item management-Part 6： Parameters for air interface communications at 860 MHz to 960 MHz.

[3]Jari-Pascal Curty， Michel Declercq，Catherine Dehollain， Norbert Joehl：DESIGN AND OPTIMIZATION OF PASSIVE UHF RFID SYSTEMS.

[4]Phillip E.Allen & Douglas R.Holberg：CMOS Analog Circuit Design.