非接触式TYPE A卡设计探讨

文章出处：http://www.nexussmartsolutions.com 作者：上海华虹 谢文录 张金弟   人气： 发表时间：2011年09月26日

    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首选。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，为客户提供一流的产品。 

    一、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3～5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TYPE A卡的应用流程 

    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。

    二、非接TYPE A卡芯片的设计优化

    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： 

    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，其最小工作场强不同。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，谐振的振幅最大，卡耦合到的能量最多，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： 

    上面第一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最高。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，以便耦合到最高电压，这样工作距离最远。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，降低芯片的最小工作能量，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最低工作能量，确定最佳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。这个思路从最新的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，最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)最小工作场强偏大 

    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最小工作场强约为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，尽量平衡各模块的最低工作电压。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。
    2）ESD的问题。好的厂商芯片的PAD对PAD的ESD超过4000V，PAD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VDD和GND 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VDD和GND 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PAD的ESD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。

    （上文转载自《卡市场》作者：上海华虹集成电路有限责任公司市场总监谢文录，张金弟）