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非接触式TYPE A卡设计探讨

发布时间: 2010-10-9

非接触式TYPE A卡设计探讨

上海华虹集成电路有限责任公司 张金弟 梁少峰

 

非接触式卡从工作频率上,非接卡的产品可以分为低频卡、高频卡、超高频卡和微波卡。非接触式TYPE A卡是遵循ISO14443标准的高频卡,由于其较好地平衡了功能、性能与成本,是国内众多应用行业采用非接触技术的 。目前主要应用于公交系统、高速公路等项目市场,以及门禁、网吧、校园、停车场、会员卡等通用市场。每年的市场容量超过一亿张,并且还有较大的增长潜力。

由于非接触式卡的市场前景看好,国内外厂商纷纷推出非接触式TYPE A卡。上海华虹集成电路有限责任公司凭借其在非接卡多年的开发经验,认真总结了芯片设计和应用中存在的问题,一一加以解决,为客户提供 的产品。

非接TYPE A产品的简单介绍

1 典型的应用系统

 

 

上图是典型的非接卡应用系统。芯片嵌入在模块中,外接35圈的线圈作为天线,封装成卡片就形成了一张标准的非接IC卡。读卡机通过磁场发出能量和数据,卡片通过天线耦合接收到能量后开始工作,并与读卡机进行数据交换,从而可以完成各种应用。

 

 

 

 

2非接触TypeA应用流程

非接TYPE A卡的典型应用流程如上图。在进入场强上电后,先进行询卡,然后通过抗冲突完成选卡。如果在场强内只有一张卡,将跳过抗冲突的过程,直接进行选卡。选中卡片后,由于卡片还提供了安全功能,必须先通过三重认证后,才能对卡片进行读、写、加、减、恢复、暂停等操作。

 

 

 

3 非接TYPE A卡芯片的电路模块图

整个非接卡芯片可分为三个模块:EEPROM用于存储数据;RF-interface外接天线用来产生能量和数据交换等;数字控制部分包括了抗冲突电路,认证电路,加密电路和其它控制接口电路。


 

非接TYPE A芯片的设计优化

近几年,各种非接TYPE A卡芯片竞相涌现,逐渐建立起优质的国产品牌。但在实际应用中或多或少还存在一些问题,通过客户反馈、调查、样品测试等分析方法,我们把这些问题分为三类:逻辑功能、RF射频、生产良率问题。本章节详细说明了这些问题的相关现象、原因及解决方法。

1 逻辑功能问题

  这部分的错误比较简单,可分为以下两类:

1) 卡片死锁

卡片死锁多发生在慢慢进入场强时,卡片很容易发生死锁:读卡机发送任何命令,卡片都无法正确反应。发生这类问题时,使用者必须把卡片拿出场强后重新进入场强,卡片才能恢复工作。

这类问题的根本原因是芯片处在某一状态时,突然收到一个错误或异常指令,比如一个异常工作流程发出的指令,芯片内部逻辑控制的状态机就停在某个地方,没有正确返回到相应状态,这时再收到正常的指令,芯片无法正确做出判断,内部逻辑控制状态机就一直停在某个地方,造成死锁。当卡片处在工作距离的临界点,容易把收到的指令当作异常指令,或者当卡正确返回指令后,读卡机没能解调出来,读卡机认为卡已经移出场强,将重新发送询卡指令,但卡片一直不认该询卡指令。这时卡片就处于死锁状态。举例如下图:

针对此类问题,解决方案是针对各种异常指令或状态,在芯片状态机设计时必须考虑到应该跳到哪个状态、如何恢复等。如果芯片的逻辑电路设计仅仅满足正常功能的状态流程是不够的,必须考虑好各种错误情况。

 

2)指令返回超时

这要求芯片对各种指令的处理要有时间限制。由于目前的应用系统都以现有的非接卡产品为标准,它针对卡的返回时间设置超时和保护时间。如果国产芯片返回太快或太慢都有可能造成通信错误。从目前的实际情况看来,指令返回超时的问题比较突出,主要原因是芯片对EEPROM擦写的时间过长。

从上图可以看出,卡应该在T1~T2期间返回,在其它时间返回就可能被读卡机判错。

解决方案是调查读卡机设置的超时和保护时间,以此决定设计时的指标。通常情况下保护时间是很短的,所以真正的解决方法是尽量提高芯片的处理速度,特别是减少EEPROM的擦写时间,卡片尽快返回,避免超时的问题发生。

 

2    RF射频问题

1) 芯片对不同天线的适应性差

这主要指芯片匹配不同型号的天线时,其 小工作场强不同。直观表现是对于同一台读卡机,配不同天线的非接卡的工作距离不同。目前国内卡厂采用的天线基本都是人工绕制,天线的一致性无法控制,因此即使同一批生产出来的卡片,有的工作距离较远,有的工作距离较近。

不同型号的天线有不同的电感、电容和电阻,和芯片组成非接卡后,卡就有不同的谐振频率。当卡的谐振频率和读卡机系统工作频率一致时,谐振的振幅 ,卡耦合到的能量 多,卡可工作的距离越远。所以从理论上讲,配不同天线的卡,工作距离会不一样。然而,国际先进厂商的芯片匹配不同天线时,工作距离的差异不大,而国产的非接卡芯片使用不同天线时,工作距离差异显著,甚至在某些天线下,工作距离太短,无法正常应用。

该问题的根源是品质因数Q的问题,Q是振荡回路处于谐振频率时电压和电流增大的量度,其倒数1/Q是回路的阻尼d。为了增加工作距离,国产芯片一般使Q值较高,以便在工作频率和卡片的谐振频率相等时取得较高的耦合电压(这要求卡片的天线必须和芯片很好地配合,才能使工作频率和卡片的谐振频率相等);如果工作频率和卡片的谐振频率相差较大时(卡片的天线没有和芯片匹配)耦合到的电压迅速下降,所以卡的工作距离变近。简单的示意图如下:

         

上面 张图描述了卡和读卡机的一个简单等效模型,可以把卡看作一个并联谐振网络。第二张图描述了在不同的工作频率下电感线圈能耦合到的电压,上面画了高Q和低Q的两条曲线。我们可以清楚看到无论高Q还是低Q的振荡回路,在工作频率和谐振频率相等时,电感线圈耦合到的电压 。所以一般情况下,我们都希望卡的谐振频率和工作频率一致,以便耦合到 电压,这样工作距离 远。另外我们还看到高Q值的曲线随着频率迅速下降,它的通频带只有w1~w2;而低Q值的曲线随着频率平缓下降,它的通频带是w0~w1。所以当天线匹配性较差时,如果工作频率在w1~w2范围内时,高Q值和低Q值的卡片都还能工作;如果工作频率在w0~w3时,高Q的卡就可能不工作,但低Q值的卡片还能工作。

总之,为了适应更多天线,必须使Q值下降;但是为了使耦合到的能量越大,必须要提高Q值,因此需在降低Q值的同时,降低芯片的 小工作能量,才能使芯片既能适应各种天线,而且工作距离较远。

    对于该问题,设计者需要了解市场上各种天线的参数,在对芯片匹配时考虑天线的误差冗余量;同时尽量减少芯片的 工作能量,确定 Q值。

 

2)有盲区

盲区指在距读卡机的某个空间段卡片不能工作,但比这更近或更远的地方都能工作。这就可能造成消费者在刷卡时,在某一位置无法完成交易,一定要把卡上下移动某段距离才能正常工作。盲区的问题有两种类型:

a)负载调制引起的发送盲区

这种盲区发生在卡片返回数据时,读卡机解调出错,交易不能完成。原因是卡片和读卡机的距离从近到远或从远到近的变化过程中,负载调制的波形可能会从凹变为凸,中间区域有个未被调制的平坦状态,此时读卡机根本无法解调,该区域就形成了盲区。波形请参考下图。主要原因是芯片使用了负载调制,从理论上可以推出芯片的负载可等效为读卡机内的负载ZT。如果卡片在与读卡机的距离变化过程中,ZT不为实数时(只要工作频率不等于谐振频率,ZT就可能是感抗或是容抗的),就可能发生从感抗到容抗或从容抗到感抗的转换,那么ZT的模值在负载调制时,可能比未调制时更小,直观表现是负载调制时波形凸起。


 

上图表示卡片从盲区下方逐渐上移,经过盲区,再到正常返回区域的波形。可以看到返回负载调制信号从凸起形状,到凸起变浅,到没有返回,到变成凹陷形状。从图中可以明显看到在中间区域时,卡片没有任何返回,读卡机也就不能得到任何返回了,这就是盲区。

针对此类问题,理想情况是芯片设计时要保证卡片在整个工作距离范围内,工作频率等于谐振频率,ZT保持为实数。但是由于天线变化、寄生电容等影响,ZT不可能为实数。实际做法是增加负载调制幅度,让ZT在整个可工作范围内一直处于感抗或容抗区,不会发生转换。这个思路从 的ISO14443标准上得到了验证:负载调制幅度从30/ H1.2变为22/ H0.5

 

b) 解调引起的接收盲区

这种盲区问题发生时,发现读卡机发出信号后,卡片不能返回。主要原因是卡片振荡回路的Q值较大时,振荡回路的阻尼系数变小,就可能在读卡机发出的NPAUSE上产生较大的振荡信号,该NPAUSE就不能被芯片解调出来。具体波形如下:

 

对于这个问题, 直接的方法是降低卡片振荡回路的Q值,但前提是保证芯片的工作距离。另外在设计时还需考虑NPAUSE宽度和深度变化时的设计冗余。

 

3) 小工作场强偏大

ISO14443标准要求卡片可工作在1.5 A/m~7.5 A/m,而实际测试国外厂商芯片的 小工作场强约为0.2A/m,国产芯片约为0.5A/m,不同厂商的芯片有所不同。虽然国产芯片也是符合ISO标准的,但在实际应用中常常为客户诟病。主要原因是国内市场的读卡机不是标准的,发出的场强可能不符合ISO标准,在这个场强下,国外厂商的非接卡工作良好,但国产非接卡就可能产生问题。

对于这个问题,必须优化芯片各电路模块的能量消耗,尽量平衡各模块的 工作电压。芯片的功能逻辑并不复杂,主要消耗能量的是EEPROM,所以必须优化EEPROM设计,降低其工作功耗(<50uA)。同时还需优化RF电路,提高整流电路的效率,在小工作场强下能耦合到尽可能多的能量并降低自身的功耗。

 

3生产良率问题

从卡厂反馈非接卡芯片封成卡,影响良率的原因主要有以下三点:

1)芯片面积偏大。卡厂为了节约成本,基本都采用COB的模块,在压制成卡时芯片面积偏大容易造成芯片碎裂的问题,芯片越大,越容易发生。

2ESD的问题。好的厂商芯片的PADPADESD超过4000VPAD对衬底的ESD超过2000V,而有些芯片基本上没有达到该水平,所以在比较恶劣的制卡环境,经常会有因ESD问题而造成失效。

3)另外flip-chip封装对芯片设计也有特殊的考虑。芯片在封装时只用到了两个天线PAD,但芯片为了测试必须有VDDGND PAD。在此PAD作了特殊处理:在完成wafer测试后,划片时切断了这两个PAD与芯片内部的联系。这样在芯片封装时,即使焊接连线不小心接触到VDDGND PAD,也不会影响卡片的正常工作。这又提高了生产上的良率。

因此,在优化电路设计,同时使用更小的工艺,使芯片面积缩小;提高PADESD能力;设计带划片槽的PAD

三 总结

  经过近十年的非接触IC卡芯片设计、测试、应用等的不断摸索,华虹集成电路有限责任公司设计出了一系列非接触式产品,比如符合ISO/IEC 14443 TYPE A标准的芯片:512 bits/1k bytes/4k bytes EEPROM;符合ISO/IEC 14443 TYPE B标准的芯片:4k bytes EEPROM;和符合ISO 18000-3-1标准的芯片: 2k bits EEPROM。这些产品在上海/无锡公交卡、广州暂住证和中国第二代身份证等项目中均实现了规模应用。今后,华虹希望继往开来,和上下游的卡厂、用户等合力协作,共创非接应用产业的美好未来。

 

作者简介

张金弟,男,汉族,微电子学学士,技术市场经理,主要负责非接触式芯片产品定义和USB芯片产品定义工作。曾负责上海华虹 USB-KEY芯片产品的架构设计。

梁少峰,男,汉族,微电子学学士,技术市场经理,主要负责非接触式芯片产品定义,并从事商用密码算法产品及非接触智能卡相关标准的研究与编制工作。曾负责上海华虹第二代身份证芯片优化版芯片产品规范定义。