非接触式TYPE A卡设计探讨

    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）