非接觸式TYPE A卡設計探討
文章出處：http://www.xujuanpiju.com 作者：上海華虹 謝文錄 張金弟 人氣： 發表時間：2011年09月26日
非接觸式卡從工作頻率上，非接卡的產品可以分為低頻卡、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采用非接觸技術的首選。目前主要應用于公交系統、高速公路等項目市場，以及門禁、網吧、校園、停車場、會員卡等通用市場。每年的市場容量超過一億張，并且還有較大的增長潛力。
由于非接觸式卡的市場前景看好，國內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任公司憑借其在非接卡多年的開發經驗，認真總結了芯片設計和應用中存在的問題，一一加以解決，為客戶提供一流的產品。
一、非接TYPE A產品的簡單介紹
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圈的線圈作為天線，封裝成卡片就形成了一張標準的非接IC卡。讀卡機通過磁場發出能量和數據，卡片通過天線耦合接收到能量后開始工作，并與讀卡機進行數據交換，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。在進入場強上電后，先進行詢卡，然后通過抗沖突完成選卡。如果在場強內只有一張卡，將跳過抗沖突的過程，直接進行選卡。選中卡片后，由于卡片還提供了安全功能，必須先通過三重認證后，才能對卡片進行讀、寫、加、減、恢復、暫停等操作。
3 非接TYPE A卡芯片的電路模塊圖
整個非接卡芯片可分為三個模塊：EEPROM用于存儲數據；RF-interface外接天線用來產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卡芯片的設計優化
近幾年，各種非接TYPE A卡芯片競相涌現，逐漸建立起優質的國產品牌。但在實際應用中或多或少還存在一些問題，通過客戶反饋、調查、樣品測試等分析方法，我們把這些問題分為三類：邏輯功能、RF射頻、生產良率問題。本章節詳細說明了這些問題的相關現象、原因及解決方法。
1 邏輯功能問題
這部分的錯誤比較簡單，可分為以下兩類：
1) 卡片死鎖
卡片死鎖多發生在慢慢進入場強時，卡片很容易發生死鎖：讀卡機發送任何命令，卡片都無法正確反應。發生這類問題時，使用者必須把卡片拿出場強后重新進入場強，卡片才能恢復工作。
這類問題的根本原因是芯片處在某一狀態時，突然收到一個錯誤或異常指令，比如一個異常工作流程發出的指令，芯片內部邏輯控制的狀態機就停在某個地方，沒有正確返回到相應狀態，這時再收到正常的指令，芯片無法正確做出判斷，內部邏輯控制狀態機就一直停在某個地方，造成死鎖。當卡片處在工作距離的臨界點，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，讀卡機沒能解調出來，讀卡機認為卡已經移出場強，將重新發送詢卡指令，但卡片一直不認該詢卡指令。這時卡片就處于死鎖狀態。舉例如下圖：
解決方案是針對各種異常指令或狀態，在芯片狀態機設計時必須考慮到應該跳到哪個狀態、如何恢復等。如果芯片的邏輯電路設計僅僅滿足正常功能的狀態流程是不夠的，必須考慮好各種錯誤情況。
2)指令返回超時
這要求芯片對各種指令的處理要有時間限制。由于目前的應用系統都以現有的非接卡產品為標準，它針對卡的返回時間設置超時和保護時間。如果國產芯片返回太快或太慢都有可能造成通信錯誤。從目前的實際情況看來，指令返回超時的問題比較突出，主要原因是芯片對EEPROM擦寫的時間過長。
從上圖可以看出，卡應該在T1~T2期間返回，在其它時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和保護時間，以此決定設計時的指標。通常情況下保護時間是很短的，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的擦寫時間，卡片盡快返回，避免超時的問題發生。
2 RF射頻問題
1) 芯片對不同天線的適應性差
這主要指芯片匹配不同型號的天線時，其最小工作場強不同。直觀表現是對于同一臺讀卡機，配不同天線的非接卡的工作距離不同。目前國內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出來的卡片，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，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，配不同天線的卡，工作距離會不一樣。然而，國際先進廠商的芯片匹配不同天線時，工作距離的差異不大，而國產的非接卡芯片使用不同天線時，工作距離差異顯著，甚至在某些天線下，工作距離太短，無法正常應用。
該問題的根源是品質因數Q的問題，Q是振蕩回路處于諧振頻率時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（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。簡單的示意圖如下：
上面第一張圖描述了卡和讀卡機的一個簡單等效模型，可以把卡看作一個并聯諧振網絡。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，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。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。所以當天線匹配性較差時，如果工作頻率在w1~w2范圍內時，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，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，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，降低芯片的最小工作能量，才能使芯片既能適應各種天線，而且工作距離較遠。
對于該問題，設計者需要了解市場上各種天線的參數，在對芯片匹配時考慮天線的誤差冗余量；同時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，在某一位置無法完成交易，一定要把卡上下移動某段距離才能正常工作。盲區的問題有兩種類型：
a)負載調制引起的發送盲區
這種盲區發生在卡片返回數據時，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程中，負載調制的波形可能會從凹變為凸，中間區域有個未被調制的平坦狀態，此時讀卡機根本無法解調，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程中，ZT不為實數時（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，可能比未調制時更小，直觀表現是負載調制時波形凸起。
上圖表示卡片從盲區下方逐漸上移，經過盲區，再到正常返回區域的波形。可以看到返回負載調制信號從凸起形狀，到凸起變淺，到沒有返回，到變成凹陷形狀。從圖中可以明顯看到在中間區域時，卡片沒有任何返回，讀卡機也就不能得到任何返回了，這就是盲區。
針對此類問題，理想情況是芯片設計時要保證卡片在整個工作距離范圍內，工作頻率等于諧振頻率，ZT保持為實數。但是由于天線變化、寄生電容等影響，ZT不可能為實數。實際做法是增加負載調制幅度，讓ZT在整個可工作范圍內一直處于感抗或容抗區，不會發生轉換。這個思路從最新的ISO14443標準上得到了驗證：負載調制幅度從30/ H1.2變為22/ H0.5。
b) 解調引起的接收盲區
這種盲區問題發生時，發現讀卡機發出信號后，卡片不能返回。主要原因是卡片振蕩回路的Q值較大時，振蕩回路的阻尼系數變小，就可能在讀卡機發出的NPAUSE上產生較大的振蕩信號，該NPAUSE就不能被芯片解調出來。具體波形如下：
對于這個問題，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。另外在設計時還需考慮NPAUSE寬度和深度變化時的設計冗余。
3)最小工作場強偏大
ISO14443標準要求卡片可工作在1.5 A/m~7.5 A/m，而實際測試國外廠商芯片的最小工作場強約為0.2A/m，國產芯片約為0.5A/m，不同廠商的芯片有所不同。雖然國產芯片也是符合ISO標準的，但在實際應用中常常為客戶詬病。主要原因是國內市場的讀卡機不是標準的，發出的場強可能不符合ISO標準，在這個場強下，國外廠商的非接卡工作良好，但國產非接卡就可能產生問題。
對于這個問題，必須優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，所以必須優化EEPROM設計，降低其工作功耗（<50uA）。同時還需優化RF電路，提高整流電路的效率，在小工作場強下能耦合到盡可能多的能量并降低自身的功耗。
3生產良率問題
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：
1）芯片面積偏大。卡廠為了節約成本，基本都采用COB的模塊，在壓制成卡時芯片面積偏大容易造成芯片碎裂的問題，芯片越大，越容易發生。
2）ESD的問題。好的廠商芯片的PAD對PAD的ESD超過4000V，PAD對襯底的ESD超過2000V，而有些芯片基本上沒有達到該水平，所以在比較惡劣的制卡環境，經常會有因ESD問題而造成失效。
3）另外flip-chip封裝對芯片設計也有特殊的考慮。芯片在封裝時只用到了兩個天線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，劃片時切斷了這兩個PAD與芯片內部的聯系。這樣在芯片封裝時，即使焊接連線不小心接觸到VDD和GND PAD，也不會影響卡片的正常工作。這又提高了生產上的良率。
因此，在優化電路設計，同時使用更小的工藝，使芯片面積縮小；提高PAD的ESD能力；設計帶劃片槽的PAD。
三、總結
經過近十年的非接觸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。這些產品在上海/無錫公交卡、廣州暫住證和中國第二代身份證等項目中均實現了規模應用。今后，華虹希望繼往開來，和上下游的卡廠、用戶等合力協作，共創非接應用產業的美好未來。
（上文轉載自《卡市場》作者：上海華虹集成電路有限責任公司市場總監謝文錄，張金弟）
