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射頻卡中天線卡內電源的設計

發(fā)布時間:2011-10-20

中心議題:
  • 射頻卡設計原理及實現(xiàn)
解決方案:
  • 改變片內電容
  • 提供其正常工作所需的3.5V直流電壓

射頻卡設計原理及實現(xiàn)


非接觸式IC卡又稱射頻卡,是世界上最近幾年發(fā)展起來的一項新技術,它成功地將射頻識別技術和IC卡技術結合起來,解決了無源(卡中無電源)和免接觸這一難題。MIFARE 1型射頻卡內部的功能模塊及原理見下圖1
MIFARE 1型射頻卡含有l(wèi)024×8bitEEP—ROM組織,分為16個區(qū),每區(qū)4個塊,其中射頻接口模塊主要完成以下幾個功能:

由于卡本身無電源,需通過其中的電源產生電路以整流、濾波、穩(wěn)壓后為芯。芯片電路的數(shù)字部分中各塊的功能是:復位響應電路-在讀寫器對IC卡進行上電復位時自動將卡的有關信息傳遞給讀寫器,以便使讀寫器正確識別Ic卡的類型,并對其進行相應的操作。防沖突電路一當有多張卡在讀寫器的工作范圍時,讀寫器先從眾多卡片中選擇一張作為下步處理的對象,將未選中的卡置于暫停工作狀態(tài)以等待下一次被選擇。應用選擇電路一MIFARE l可“一卡多用”,它負責從存儲區(qū)中選擇所需應用。認證與存取控制電路一驗證密碼和訪問權限以控制對EEPROM的訪問??刂婆c算術單元一對卡片系統(tǒng)進行配置、控制和對卡內數(shù)據進行加減運算。加密單元一對通訊數(shù)據進行加密解密等。EEPROM接口電路一對EEPROM進行譯碼和讀寫擦等操作。 EEPROM-存儲數(shù)據。

射頻卡的設計原理


MIFARE 1(M1)型射頻卡的容量為8K位,數(shù)據保存期為10年,可改寫10萬次,讀無限次。M1卡不帶電源,自帶天線,內含加密控制邏輯電路和通訊邏輯電路,卡與讀寫器之間的通訊采用國際通用的DES和RES保密交叉算法,具有極高的保密性能。

工作原理:卡片在電氣部分只由—個天線和ASIC組成,沒有其它外部器件;天線:卡片的天線是只有幾組繞線的線圈,很適于封裝到ISO卡片中;ASIC:卡片的ASIC由一個高速(106KB波特率)的接口,—個控制單元和—個8K位EEPROM組成。

M1 射頻卡的工作原理是:讀寫器向M1卡發(fā)一組固定頻率的電磁波,卡片內有—個LC串聯(lián)諧振電路,其頻率與讀寫器發(fā)射頻率相同,在電磁波的激勵下,LC諧振電路產生共振,從而使電容內有了電荷,在這個電容的另一端,接有—個單向導通的電子泵,將電容內的電荷送到另—個電容內儲存,當所積累的電荷達到2V時,此電容可做為電源為其它電路提供工作電壓,將卡內數(shù)據發(fā)射出去或接取讀寫器的數(shù)據。

射頻卡電源產生電路的設計與應用

射頻卡的功能組成包括兩部分,射頻接口電路和數(shù)字電路。解決卡內能量的來源和信號的無線傳輸則是射頻卡的突出優(yōu)點,而這也是射頻接口電路的關鍵技術。從讀卡器發(fā)射的射頻信號,在卡內經過耦合、整流濾波與穩(wěn)壓三過程,便可得到直流工作電壓。
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線圈耦合

L1、L2分別是天線的原邊線圈和副邊線圈, L2從L1耦合過來一定能量的高頻電磁波(載波頻率為13.56MHZ), 兩端的電壓即是接收到的高頻信號。對于卡內接收天線L2,在f=13.56MHZ頻率下,有其等效的電感、電容和損耗電阻值,構成一串聯(lián)諧振電路。對于讀卡器本身而言,其發(fā)射的電磁波能量一定,而卡上的感生電壓由發(fā)射的電磁波的能量和卡與讀卡器的距離共同決定。那么在得到電感L2 的等效電感、電容和損耗電阻值后,就可以在電容兩端并一可變電阻,通過改變卡與讀卡器的距離,測試電阻上的相應電壓值,來推算L2上感應到的等效電壓源的值。

整流濾波

天線上獲得的耦合電壓通過C送人FWR全波整流電路,從而得到單邊的交流信號。在經濾波電容CP濾掉高頻信號,其兩端輸出的電壓既為卡內需要的直流電源電壓;該電容同時又作為儲能器件以爭強負載能力。這里信號經濾波電容后可得到—個直流電壓,但此時電壓不夠穩(wěn)定,需采取穩(wěn)壓措施。

穩(wěn)壓電路

濾波電容CP兩端輸出的VDD是不穩(wěn)定的,當卡與讀卡器的距離變化時,它隨著卡內線圈E耦合到的電壓的變化而變化,穩(wěn)壓電路可以使其穩(wěn)定在3.5V 左右。這里,3.5V的壓降由幾個串聯(lián)的飽和MOS管提供。圖1中的Rload代表了卡內所有電路的內阻之和,這樣,對于正常工作條件下的電磁場能量,電源產生電路經過上述過程在Rload=910Ω時,便可獲得—個3.5V左右的直流工作電壓。具體穩(wěn)壓電路如圖2。

當VDD變大時,電路中M3、M4管處于飽和狀態(tài),其VDS壓降基本不變,那么V1隨VDD的抬升而升高,則V2相應下降,M6管的電流隨之升高,需要電容CP放電來補充電流,引起VDD下降,維持恒定;同理,VDD下降時,M6管電流減小,CP充電,引起VDD升高,總體保持不變,而M1、M3和 M4管的飽和壓降提供了3.5V電壓值。

結論

當片內電阻為910Ω,電容取500PF時在卡片與讀寫器距離為5CM、6CM、10CM時,輸出電壓可以達到3.5V,有大約02V左右的波動,有很好的穩(wěn)定性。
在距離為5CM時,改變片內電容,分別取200PF、500PF、IO00PF,輸出電壓的穩(wěn)定性隨電容的增加而增加。
固定片內電容為500PF,改變輸入電Vip值,即模擬輸出電壓VDD隨距離d的改變而產生的變化。當Vip低于4.5V時,VDD低2.8V,不能維持電路正常工作需要,故Vip要高于4.5V;隨Vip升高,VDD略有抬高,基本可穩(wěn)定在3.5V左右,但電源的穩(wěn)定性變差。

綜上所述,在讀卡器的正常工作距離5—10CM以內,該電源產生電路可以為卡片內部電路提供其正常工作所需的3.5V直流電壓,解決了卡內持續(xù)穩(wěn)定的電壓源電路的設計需要,具有實際意義。
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