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非接觸式TYPE A卡設(shè)計(jì)探討

文章出處:http://srpd123.com 作者:上海華虹 謝文錄 張金弟&nbsp;&nbsp; 人氣: 發(fā)表時(shí)間:2011年09月26日

[文章內(nèi)容簡(jiǎn)介]:非接觸式卡從工作頻率上,非接卡的產(chǎn)品可以分為低頻卡、高頻卡、超高頻卡和微波卡。非接觸式TYPE A卡是遵循ISO14443標(biāo)準(zhǔn)的高頻卡,由于其較好地平衡了功能、性能與成本,是國(guó)內(nèi)眾多應(yīng)用行業(yè)采用非接觸技術(shù)的首選。

    非接觸式卡從工作頻率上,非接卡的產(chǎn)品可以分為低頻卡、高頻卡、超高頻卡和微波卡。非接觸式TYPE A卡是遵循ISO14443標(biāo)準(zhǔn)的高頻卡,由于其較好地平衡了功能、性能與成本,是國(guó)內(nèi)眾多應(yīng)用行業(yè)采用非接觸技術(shù)的首選。目前主要應(yīng)用于公交系統(tǒng)、高速公路等項(xiàng)目市場(chǎng),以及門禁、網(wǎng)吧、校園、停車場(chǎng)、會(huì)員卡等通用市場(chǎng)。每年的市場(chǎng)容量超過一億張,并且還有較大的增長(zhǎng)潛力。 

    由于非接觸式卡的市場(chǎng)前景看好,國(guó)內(nèi)外廠商紛紛推出非接觸式TYPE A卡。上海華虹集成電路有限責(zé)任公司憑借其在非接卡多年的開發(fā)經(jīng)驗(yàn),認(rèn)真總結(jié)了芯片設(shè)計(jì)和應(yīng)用中存在的問題,一一加以解決,為客戶提供一流的產(chǎn)品。 

    一、非接TYPE A產(chǎn)品的簡(jiǎn)單介紹 

    1 典型的應(yīng)用系統(tǒng)
 

非接觸式TYPE A卡設(shè)計(jì)探討

    上圖是典型的非接卡應(yīng)用系統(tǒng)。芯片嵌入在模塊中,外接3~5圈的線圈作為天線,封裝成卡片就形成了一張標(biāo)準(zhǔn)的非接IC卡。讀卡機(jī)通過磁場(chǎng)發(fā)出能量和數(shù)據(jù),卡片通過天線耦合接收到能量后開始工作,并與讀卡機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,從而可以完成各種應(yīng)用。

    2 非接TYPE A卡的應(yīng)用流程 

非接TYPE A卡的應(yīng)用流程

    非接TYPE A卡的典型應(yīng)用流程如上圖。在進(jìn)入場(chǎng)強(qiáng)上電后,先進(jìn)行詢卡,然后通過抗沖突完成選卡。如果在場(chǎng)強(qiáng)內(nèi)只有一張卡,將跳過抗沖突的過程,直接進(jìn)行選卡。選中卡片后,由于卡片還提供了安全功能,必須先通過三重認(rèn)證后,才能對(duì)卡片進(jìn)行讀、寫、加、減、恢復(fù)、暫停等操作。

    3 非接TYPE A卡芯片的電路模塊圖 

非接TYPE A卡芯片的電路模塊圖

    整個(gè)非接卡芯片可分為三個(gè)模塊:EEPROM用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù);RF-interface外接天線用來產(chǎn)生能量和數(shù)據(jù)交換等;數(shù)字控制部分包括了抗沖突電路,認(rèn)證電路,加密電路和其它控制接口電路。

    二、非接TYPE A卡芯片的設(shè)計(jì)優(yōu)化

    近幾年,各種非接TYPE A卡芯片競(jìng)相涌現(xiàn),逐漸建立起優(yōu)質(zhì)的國(guó)產(chǎn)品牌。但在實(shí)際應(yīng)用中或多或少還存在一些問題,通過客戶反饋、調(diào)查、樣品測(cè)試等分析方法,我們把這些問題分為三類:邏輯功能、RF射頻、生產(chǎn)良率問題。本章節(jié)詳細(xì)說明了這些問題的相關(guān)現(xiàn)象、原因及解決方法。 

    1 邏輯功能問題 

    這部分的錯(cuò)誤比較簡(jiǎn)單,可分為以下兩類: 

    1) 卡片死鎖 

    卡片死鎖多發(fā)生在慢慢進(jìn)入場(chǎng)強(qiáng)時(shí),卡片很容易發(fā)生死鎖:讀卡機(jī)發(fā)送任何命令,卡片都無法正確反應(yīng)。發(fā)生這類問題時(shí),使用者必須把卡片拿出場(chǎng)強(qiáng)后重新進(jìn)入場(chǎng)強(qiáng),卡片才能恢復(fù)工作。 

    這類問題的根本原因是芯片處在某一狀態(tài)時(shí),突然收到一個(gè)錯(cuò)誤或異常指令,比如一個(gè)異常工作流程發(fā)出的指令,芯片內(nèi)部邏輯控制的狀態(tài)機(jī)就停在某個(gè)地方,沒有正確返回到相應(yīng)狀態(tài),這時(shí)再收到正常的指令,芯片無法正確做出判斷,內(nèi)部邏輯控制狀態(tài)機(jī)就一直停在某個(gè)地方,造成死鎖。當(dāng)卡片處在工作距離的臨界點(diǎn),容易把收到的指令當(dāng)作異常指令,或者當(dāng)卡正確返回指令后,讀卡機(jī)沒能解調(diào)出來,讀卡機(jī)認(rèn)為卡已經(jīng)移出場(chǎng)強(qiáng),將重新發(fā)送詢卡指令,但卡片一直不認(rèn)該詢卡指令。這時(shí)卡片就處于死鎖狀態(tài)。舉例如下圖: 

    解決方案是針對(duì)各種異常指令或狀態(tài),在芯片狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到應(yīng)該跳到哪個(gè)狀態(tài)、如何恢復(fù)等。如果芯片的邏輯電路設(shè)計(jì)僅僅滿足正常功能的狀態(tài)流程是不夠的,必須考慮好各種錯(cuò)誤情況。

    2)指令返回超時(shí) 

    這要求芯片對(duì)各種指令的處理要有時(shí)間限制。由于目前的應(yīng)用系統(tǒng)都以現(xiàn)有的非接卡產(chǎn)品為標(biāo)準(zhǔn),它針對(duì)卡的返回時(shí)間設(shè)置超時(shí)和保護(hù)時(shí)間。如果國(guó)產(chǎn)芯片返回太快或太慢都有可能造成通信錯(cuò)誤。從目前的實(shí)際情況看來,指令返回超時(shí)的問題比較突出,主要原因是芯片對(duì)EEPROM擦寫的時(shí)間過長(zhǎng)。 

    從上圖可以看出,卡應(yīng)該在T1~T2期間返回,在其它時(shí)間返回就可能被讀卡機(jī)判錯(cuò)。 

    解決方案是調(diào)查讀卡機(jī)設(shè)置的超時(shí)和保護(hù)時(shí)間,以此決定設(shè)計(jì)時(shí)的指標(biāo)。通常情況下保護(hù)時(shí)間是很短的,所以真正的解決方法是盡量提高芯片的處理速度,特別是減少EEPROM的擦寫時(shí)間,卡片盡快返回,避免超時(shí)的問題發(fā)生。 

    2 RF射頻問題 

    1) 芯片對(duì)不同天線的適應(yīng)性差
 

    這主要指芯片匹配不同型號(hào)的天線時(shí),其最小工作場(chǎng)強(qiáng)不同。直觀表現(xiàn)是對(duì)于同一臺(tái)讀卡機(jī),配不同天線的非接卡的工作距離不同。目前國(guó)內(nèi)卡廠采用的天線基本都是人工繞制,天線的一致性無法控制,因此即使同一批生產(chǎn)出來的卡片,有的工作距離較遠(yuǎn),有的工作距離較近。 

    不同型號(hào)的天線有不同的電感、電容和電阻,和芯片組成非接卡后,卡就有不同的諧振頻率。當(dāng)卡的諧振頻率和讀卡機(jī)系統(tǒng)工作頻率一致時(shí),諧振的振幅最大,卡耦合到的能量最多,卡可工作的距離越遠(yuǎn)。所以從理論上講,配不同天線的卡,工作距離會(huì)不一樣。然而,國(guó)際先進(jìn)廠商的芯片匹配不同天線時(shí),工作距離的差異不大,而國(guó)產(chǎn)的非接卡芯片使用不同天線時(shí),工作距離差異顯著,甚至在某些天線下,工作距離太短,無法正常應(yīng)用。 

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    該問題的根源是品質(zhì)因數(shù)Q的問題,Q是振蕩回路處于諧振頻率時(shí)電壓和電流增大的量度,其倒數(shù)1/Q是回路的阻尼d。為了增加工作距離,國(guó)產(chǎn)芯片一般使Q值較高,以便在工作頻率和卡片的諧振頻率相等時(shí)取得較高的耦合電壓(這要求卡片的天線必須和芯片很好地配合,才能使工作頻率和卡片的諧振頻率相等);如果工作頻率和卡片的諧振頻率相差較大時(shí)(卡片的天線沒有和芯片匹配)耦合到的電壓迅速下降,所以卡的工作距離變近。簡(jiǎn)單的示意圖如下: 

    上面第一張圖描述了卡和讀卡機(jī)的一個(gè)簡(jiǎn)單等效模型,可以把卡看作一個(gè)并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)。第二張圖描述了在不同的工作頻率下電感線圈能耦合到的電壓,上面畫了高Q和低Q的兩條曲線。我們可以清楚看到無論高Q還是低Q的振蕩回路,在工作頻率和諧振頻率相等時(shí),電感線圈耦合到的電壓最高。所以一般情況下,我們都希望卡的諧振頻率和工作頻率一致,以便耦合到最高電壓,這樣工作距離最遠(yuǎn)。另外我們還看到高Q值的曲線隨著頻率迅速下降,它的通頻帶只有w1~w2;而低Q值的曲線隨著頻率平緩下降,它的通頻帶是w0~w1。所以當(dāng)天線匹配性較差時(shí),如果工作頻率在w1~w2范圍內(nèi)時(shí),高Q值和低Q值的卡片都還能工作;如果工作頻率在w0~w3時(shí),高Q的卡就可能不工作,但低Q值的卡片還能工作。 

    總之,為了適應(yīng)更多天線,必須使Q值下降;但是為了使耦合到的能量越大,必須要提高Q值,因此需在降低Q值的同時(shí),降低芯片的最小工作能量,才能使芯片既能適應(yīng)各種天線,而且工作距離較遠(yuǎn)。 

    對(duì)于該問題,設(shè)計(jì)者需要了解市場(chǎng)上各種天線的參數(shù),在對(duì)芯片匹配時(shí)考慮天線的誤差冗余量;同時(shí)盡量減少芯片的最低工作能量,確定最佳Q值。

    2)有盲區(qū) 

    盲區(qū)指在距讀卡機(jī)的某個(gè)空間段卡片不能工作,但比這更近或更遠(yuǎn)的地方都能工作。這就可能造成消費(fèi)者在刷卡時(shí),在某一位置無法完成交易,一定要把卡上下移動(dòng)某段距離才能正常工作。盲區(qū)的問題有兩種類型: 

    a)負(fù)載調(diào)制引起的發(fā)送盲區(qū) 

    這種盲區(qū)發(fā)生在卡片返回?cái)?shù)據(jù)時(shí),讀卡機(jī)解調(diào)出錯(cuò),交易不能完成。原因是卡片和讀卡機(jī)的距離從近到遠(yuǎn)或從遠(yuǎn)到近的變化過程中,負(fù)載調(diào)制的波形可能會(huì)從凹變?yōu)橥梗虚g區(qū)域有個(gè)未被調(diào)制的平坦?fàn)顟B(tài),此時(shí)讀卡機(jī)根本無法解調(diào),該區(qū)域就形成了盲區(qū)。波形請(qǐng)參考下圖。主要原因是芯片使用了負(fù)載調(diào)制,從理論上可以推出芯片的負(fù)載可等效為讀卡機(jī)內(nèi)的負(fù)載ZT。如果卡片在與讀卡機(jī)的距離變化過程中,ZT不為實(shí)數(shù)時(shí)(只要工作頻率不等于諧振頻率,ZT就可能是感抗或是容抗的),就可能發(fā)生從感抗到容抗或從容抗到感抗的轉(zhuǎn)換,那么ZT的模值在負(fù)載調(diào)制時(shí),可能比未調(diào)制時(shí)更小,直觀表現(xiàn)是負(fù)載調(diào)制時(shí)波形凸起。 

    上圖表示卡片從盲區(qū)下方逐漸上移,經(jīng)過盲區(qū),再到正常返回區(qū)域的波形??梢钥吹椒祷刎?fù)載調(diào)制信號(hào)從凸起形狀,到凸起變淺,到?jīng)]有返回,到變成凹陷形狀。從圖中可以明顯看到在中間區(qū)域時(shí),卡片沒有任何返回,讀卡機(jī)也就不能得到任何返回了,這就是盲區(qū)。 

    針對(duì)此類問題,理想情況是芯片設(shè)計(jì)時(shí)要保證卡片在整個(gè)工作距離范圍內(nèi),工作頻率等于諧振頻率,ZT保持為實(shí)數(shù)。但是由于天線變化、寄生電容等影響,ZT不可能為實(shí)數(shù)。實(shí)際做法是增加負(fù)載調(diào)制幅度,讓ZT在整個(gè)可工作范圍內(nèi)一直處于感抗或容抗區(qū),不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)換。這個(gè)思路從最新的ISO14443標(biāo)準(zhǔn)上得到了驗(yàn)證:負(fù)載調(diào)制幅度從30/ H1.2變?yōu)?2/ H0.5。

    b) 解調(diào)引起的接收盲區(qū)

    這種盲區(qū)問題發(fā)生時(shí),發(fā)現(xiàn)讀卡機(jī)發(fā)出信號(hào)后,卡片不能返回。主要原因是卡片振蕩回路的Q值較大時(shí),振蕩回路的阻尼系數(shù)變小,就可能在讀卡機(jī)發(fā)出的NPAUSE上產(chǎn)生較大的振蕩信號(hào),該NPAUSE就不能被芯片解調(diào)出來。具體波形如下: 

    對(duì)于這個(gè)問題,最直接的方法是降低卡片振蕩回路的Q值,但前提是保證芯片的工作距離。另外在設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮NPAUSE寬度和深度變化時(shí)的設(shè)計(jì)冗余。

    3)最小工作場(chǎng)強(qiáng)偏大 

    ISO14443標(biāo)準(zhǔn)要求卡片可工作在1.5 A/m~7.5 A/m,而實(shí)際測(cè)試國(guó)外廠商芯片的最小工作場(chǎng)強(qiáng)約為0.2A/m,國(guó)產(chǎn)芯片約為0.5A/m,不同廠商的芯片有所不同。雖然國(guó)產(chǎn)芯片也是符合ISO標(biāo)準(zhǔn)的,但在實(shí)際應(yīng)用中常常為客戶詬病。主要原因是國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的讀卡機(jī)不是標(biāo)準(zhǔn)的,發(fā)出的場(chǎng)強(qiáng)可能不符合ISO標(biāo)準(zhǔn),在這個(gè)場(chǎng)強(qiáng)下,國(guó)外廠商的非接卡工作良好,但國(guó)產(chǎn)非接卡就可能產(chǎn)生問題。 

    對(duì)于這個(gè)問題,必須優(yōu)化芯片各電路模塊的能量消耗,盡量平衡各模塊的最低工作電壓。芯片的功能邏輯并不復(fù)雜,主要消耗能量的是EEPROM,所以必須優(yōu)化EEPROM設(shè)計(jì),降低其工作功耗(<50uA)。同時(shí)還需優(yōu)化RF電路,提高整流電路的效率,在小工作場(chǎng)強(qiáng)下能耦合到盡可能多的能量并降低自身的功耗。

    3生產(chǎn)良率問題 

    從卡廠反饋非接卡芯片封成卡,影響良率的原因主要有以下三點(diǎn): 

    1)芯片面積偏大??◤S為了節(jié)約成本,基本都采用COB的模塊,在壓制成卡時(shí)芯片面積偏大容易造成芯片碎裂的問題,芯片越大,越容易發(fā)生。
    2)ESD的問題。好的廠商芯片的PAD對(duì)PAD的ESD超過4000V,PAD對(duì)襯底的ESD超過2000V,而有些芯片基本上沒有達(dá)到該水平,所以在比較惡劣的制卡環(huán)境,經(jīng)常會(huì)有因ESD問題而造成失效。
    3)另外flip-chip封裝對(duì)芯片設(shè)計(jì)也有特殊的考慮。芯片在封裝時(shí)只用到了兩個(gè)天線PAD,但芯片為了測(cè)試必須有VDD和GND PAD。在此PAD作了特殊處理:在完成wafer測(cè)試后,劃片時(shí)切斷了這兩個(gè)PAD與芯片內(nèi)部的聯(lián)系。這樣在芯片封裝時(shí),即使焊接連線不小心接觸到VDD和GND PAD,也不會(huì)影響卡片的正常工作。這又提高了生產(chǎn)上的良率。 

    因此,在優(yōu)化電路設(shè)計(jì),同時(shí)使用更小的工藝,使芯片面積縮??;提高PAD的ESD能力;設(shè)計(jì)帶劃片槽的PAD。

    三、總結(jié) 

    經(jīng)過近十年的非接觸IC卡芯片設(shè)計(jì)、測(cè)試、應(yīng)用等的不斷摸索,華虹集成電路有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)出了一系列非接觸式產(chǎn)品,比如符合ISO/IEC 14443 TYPE A標(biāo)準(zhǔn)的芯片:512 bits/1k bytes/4k bytes EEPROM;符合ISO/IEC 14443 TYPE B標(biāo)準(zhǔn)的芯片:4k bytes EEPROM;和符合ISO 18000-3-1標(biāo)準(zhǔn)的芯片: 2k bits EEPROM。這些產(chǎn)品在上海/無錫公交卡、廣州暫住證和中國(guó)第二代身份證等項(xiàng)目中均實(shí)現(xiàn)了規(guī)模應(yīng)用。今后,華虹希望繼往開來,和上下游的卡廠、用戶等合力協(xié)作,共創(chuàng)非接應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的美好未來。

    (上文轉(zhuǎn)載自《卡市場(chǎng)》作者:上海華虹集成電路有限責(zé)任公司市場(chǎng)總監(jiān)謝文錄,張金弟)

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