非接觸式TYPE A卡設計探討
文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：上海華虹 謝文錄 張金弟 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年09月26日
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標準的高頻卡，由于其較好地平衡了功能、性能與成本，是國內眾多應用行業(yè)采用非接觸技術(shù)的首選。目前主要應用于公交系統、高速公路等項目市場(chǎng)，以及門(mén)禁、網(wǎng)吧、校園、停車(chē)場(chǎng)、會(huì )員卡等通用市場(chǎng)。每年的市場(chǎng)容量超過(guò)一億張，并且還有較大的增長(cháng)潛力。
由于非接觸式卡的市場(chǎng)前景看好，國內外廠(chǎng)商紛紛推出非接觸式TYPE A卡。上海華虹集成電路有限責任公司憑借其在非接卡多年的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗，認真總結了芯片設計和應用中存在的問(wèn)題，一一加以解決，為客戶(hù)提供一流的產(chǎn)品。
一、非接TYPE A產(chǎn)品的簡(jiǎn)單介紹
1 典型的應用系統
上圖是典型的非接卡應用系統。芯片嵌入在模塊中，外接3～5圈的線(xiàn)圈作為天線(xiàn)，封裝成卡片就形成了一張標準的非接IC卡。讀卡機通過(guò)磁場(chǎng)發(fā)出能量和數據，卡片通過(guò)天線(xiàn)耦合接收到能量后開(kāi)始工作，并與讀卡機進(jìn)行數據交換，從而可以完成各種應用。
2 非接TYPE A卡的應用流程
非接TYPE A卡的典型應用流程如上圖。在進(jìn)入場(chǎng)強上電后，先進(jìn)行詢(xún)卡，然后通過(guò)抗沖突完成選卡。如果在場(chǎng)強內只有一張卡，將跳過(guò)抗沖突的過(guò)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(guò)三重認證后，才能對卡片進(jìn)行讀、寫(xiě)、加、減、恢復、暫停等操作。
3 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用于存儲數據；RF-interface外接天線(xiàn)用來(lái)產(chǎn)生能量和數據交換等；數字控制部分包括了抗沖突電路，認證電路，加密電路和其它控制接口電路。
二、非接TYPE A卡芯片的設計優(yōu)化
近幾年，各種非接TYPE A卡芯片競相涌現，逐漸建立起優(yōu)質(zhì)的國產(chǎn)品牌。但在實(shí)際應用中或多或少還存在一些問(wèn)題，通過(guò)客戶(hù)反饋、調查、樣品測試等分析方法，我們把這些問(wèn)題分為三類(lèi)：邏輯功能、RF射頻、生產(chǎn)良率問(wèn)題。本章節詳細說(shuō)明了這些問(wèn)題的相關(guān)現象、原因及解決方法。
1 邏輯功能問(wèn)題
這部分的錯誤比較簡(jiǎn)單，可分為以下兩類(lèi)：
1) 卡片死鎖
卡片死鎖多發(fā)生在慢慢進(jìn)入場(chǎng)強時(shí)，卡片很容易發(fā)生死鎖：讀卡機發(fā)送任何命令，卡片都無(wú)法正確反應。發(fā)生這類(lèi)問(wèn)題時(shí)，使用者必須把卡片拿出場(chǎng)強后重新進(jìn)入場(chǎng)強，卡片才能恢復工作。
這類(lèi)問(wèn)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，芯片內部邏輯控制的狀態(tài)機就停在某個(gè)地方，沒(méi)有正確返回到相應狀態(tài)，這時(shí)再收到正常的指令，芯片無(wú)法正確做出判斷，內部邏輯控制狀態(tài)機就一直停在某個(gè)地方，造成死鎖。當卡片處在工作距離的臨界點(diǎn)，容易把收到的指令當作異常指令，或者當卡正確返回指令后，讀卡機沒(méi)能解調出來(lái)，讀卡機認為卡已經(jīng)移出場(chǎng)強，將重新發(fā)送詢(xún)卡指令，但卡片一直不認該詢(xún)卡指令。這時(shí)卡片就處于死鎖狀態(tài)。舉例如下圖：
解決方案是針對各種異常指令或狀態(tài)，在芯片狀態(tài)機設計時(shí)必須考慮到應該跳到哪個(gè)狀態(tài)、如何恢復等。如果芯片的邏輯電路設計僅僅滿(mǎn)足正常功能的狀態(tài)流程是不夠的，必須考慮好各種錯誤情況。
2)指令返回超時(shí)
這要求芯片對各種指令的處理要有時(shí)間限制。由于目前的應用系統都以現有的非接卡產(chǎn)品為標準，它針對卡的返回時(shí)間設置超時(shí)和保護時(shí)間。如果國產(chǎn)芯片返回太快或太慢都有可能造成通信錯誤。從目前的實(shí)際情況看來(lái)，指令返回超時(shí)的問(wèn)題比較突出，主要原因是芯片對EEPROM擦寫(xiě)的時(shí)間過(guò)長(cháng)。
從上圖可以看出，卡應該在T1~T2期間返回，在其它時(shí)間返回就可能被讀卡機判錯。
解決方案是調查讀卡機設置的超時(shí)和保護時(shí)間，以此決定設計時(shí)的指標。通常情況下保護時(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(xiě)時(shí)間，卡片盡快返回，避免超時(shí)的問(wèn)題發(fā)生。
2 RF射頻問(wèn)題
1) 芯片對不同天線(xiàn)的適應性差
這主要指芯片匹配不同型號的天線(xiàn)時(shí)，其最小工作場(chǎng)強不同。直觀(guān)表現是對于同一臺讀卡機，配不同天線(xiàn)的非接卡的工作距離不同。目前國內卡廠(chǎng)采用的天線(xiàn)基本都是人工繞制，天線(xiàn)的一致性無(wú)法控制，因此即使同一批生產(chǎn)出來(lái)的卡片，有的工作距離較遠，有的工作距離較近。
不同型號的天線(xiàn)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。當卡的諧振頻率和讀卡機系統工作頻率一致時(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。所以從理論上講，配不同天線(xiàn)的卡，工作距離會(huì )不一樣。然而，國際先進(jìn)廠(chǎng)商的芯片匹配不同天線(xiàn)時(shí)，工作距離的差異不大，而國產(chǎn)的非接卡芯片使用不同天線(xiàn)時(shí)，工作距離差異顯著(zhù)，甚至在某些天線(xiàn)下，工作距離太短，無(wú)法正常應用。
該問(wèn)題的根源是品質(zhì)因數Q的問(wèn)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1/Q是回路的阻尼d。為了增加工作距離，國產(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(xiàn)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(xiàn)沒(méi)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(xiàn)圈能耦合到的電壓，上面畫(huà)了高Q和低Q的兩條曲線(xiàn)。我們可以清楚看到無(wú)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(xiàn)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。另外我們還看到高Q值的曲線(xiàn)隨著(zhù)頻率迅速下降，它的通頻帶只有w1~w2；而低Q值的曲線(xiàn)隨著(zhù)頻率平緩下降，它的通頻帶是w0~w1。所以當天線(xiàn)匹配性較差時(shí)，如果工作頻率在w1~w2范圍內時(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，為了適應更多天線(xiàn)，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各種天線(xiàn)，而且工作距離較遠。
對于該問(wèn)題，設計者需要了解市場(chǎng)上各種天線(xiàn)的參數，在對芯片匹配時(shí)考慮天線(xiàn)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
盲區指在距讀卡機的某個(gè)空間段卡片不能工作，但比這更近或更遠的地方都能工作。這就可能造成消費者在刷卡時(shí)，在某一位置無(wú)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。盲區的問(wèn)題有兩種類(lèi)型：
a)負載調制引起的發(fā)送盲區
這種盲區發(fā)生在卡片返回數據時(shí)，讀卡機解調出錯，交易不能完成。原因是卡片和讀卡機的距離從近到遠或從遠到近的變化過(guò)程中，負載調制的波形可能會(huì )從凹變?yōu)橥?，中間區域有個(gè)未被調制的平坦狀態(tài)，此時(shí)讀卡機根本無(wú)法解調，該區域就形成了盲區。波形請參考下圖。主要原因是芯片使用了負載調制，從理論上可以推出芯片的負載可等效為讀卡機內的負載ZT。如果卡片在與讀卡機的距離變化過(guò)程中，ZT不為實(shí)數時(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換，那么ZT的模值在負載調制時(shí)，可能比未調制時(shí)更小，直觀(guān)表現是負載調制時(shí)波形凸起。
上圖表示卡片從盲區下方逐漸上移，經(jīng)過(guò)盲區，再到正常返回區域的波形?？梢钥吹椒祷刎撦d調制信號從凸起形狀，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域時(shí)，卡片沒(méi)有任何返回，讀卡機也就不能得到任何返回了，這就是盲區。
針對此類(lèi)問(wèn)題，理想情況是芯片設計時(shí)要保證卡片在整個(gè)工作距離范圍內，工作頻率等于諧振頻率，ZT保持為實(shí)數。但是由于天線(xiàn)變化、寄生電容等影響，ZT不可能為實(shí)數。實(shí)際做法是增加負載調制幅度，讓ZT在整個(gè)可工作范圍內一直處于感抗或容抗區，不會(huì )發(fā)生轉換。這個(gè)思路從最新的ISO14443標準上得到了驗證：負載調制幅度從30/ H1.2變?yōu)?2/ H0.5。
b) 解調引起的接收盲區
這種盲區問(wèn)題發(fā)生時(shí)，發(fā)現讀卡機發(fā)出信號后，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變小，就可能在讀卡機發(fā)出的NPAUSE上產(chǎn)生較大的振蕩信號，該NPAUSE就不能被芯片解調出來(lái)。具體波形如下：
對于這個(gè)問(wèn)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。另外在設計時(shí)還需考慮NPAUSE寬度和深度變化時(shí)的設計冗余。
3)最小工作場(chǎng)強偏大
ISO14443標準要求卡片可工作在1.5 A/m~7.5 A/m，而實(shí)際測試國外廠(chǎng)商芯片的最小工作場(chǎng)強約為0.2A/m，國產(chǎn)芯片約為0.5A/m，不同廠(chǎng)商的芯片有所不同。雖然國產(chǎn)芯片也是符合ISO標準的，但在實(shí)際應用中常常為客戶(hù)詬病。主要原因是國內市場(chǎng)的讀卡機不是標準的，發(fā)出的場(chǎng)強可能不符合ISO標準，在這個(gè)場(chǎng)強下，國外廠(chǎng)商的非接卡工作良好，但國產(chǎn)非接卡就可能產(chǎn)生問(wèn)題。
對于這個(gè)問(wèn)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雜，主要消耗能量的是EEPROM，所以必須優(yōu)化EEPROM設計，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(wèn)題
從卡廠(chǎng)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(chǎng)為了節約成本，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(wèn)題，芯片越大，越容易發(fā)生。
2）ESD的問(wèn)題。好的廠(chǎng)商芯片的PAD對PAD的ESD超過(guò)4000V，PAD對襯底的ESD超過(guò)2000V，而有些芯片基本上沒(méi)有達到該水平，所以在比較惡劣的制卡環(huán)境，經(jīng)常會(huì )有因ESD問(wèn)題而造成失效。
3）另外flip-chip封裝對芯片設計也有特殊的考慮。芯片在封裝時(shí)只用到了兩個(gè)天線(xiàn)PAD，但芯片為了測試必須有VDD和GND PAD。在此PAD作了特殊處理：在完成wafer測試后，劃片時(shí)切斷了這兩個(gè)PAD與芯片內部的聯(lián)系。這樣在芯片封裝時(shí)，即使焊接連線(xiàn)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)化電路設計，同時(shí)使用更小的工藝，使芯片面積縮??；提高PAD的ESD能力；設計帶劃片槽的PAD。
三、總結
經(jīng)過(guò)近十年的非接觸IC卡芯片設計、測試、應用等的不斷摸索，華虹集成電路有限責任公司設計出了一系列非接觸式產(chǎn)品，比如符合ISO/IEC 14443 TYPE A標準的芯片：512 bits/1k bytes/4k bytes EEPROM；符合ISO/IEC 14443 TYPE B標準的芯片：4k bytes EEPROM；和符合ISO 18000-3-1標準的芯片： 2k bits EEPROM。這些產(chǎn)品在上海/無(wú)錫公交卡、廣州暫住證和中國第二代身份證等項目中均實(shí)現了規模應用。今后，華虹希望繼往開(kāi)來(lái)，和上下游的卡廠(chǎng)、用戶(hù)等合力協(xié)作，共創(chuàng )非接應用產(chǎn)業(yè)的美好未來(lái)。
（上文轉載自《卡市場(chǎng)》作者：上海華虹集成電路有限責任公司市場(chǎng)總監謝文錄，張金弟）
