射频卡中天线卡内电源的设计

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射频卡设计原理及实现

非接触式IC卡又称射频卡,是世界上最近几年发展起来的一项新技术,它成功地将射频识别技术和IC卡技术结合起来,解决了无源(卡中无电源)和免接触这一难题。MIFARE 1型射频卡内部的功能模块及原理见下图1

MIFARE 1型射频卡含有l024×8bitEEP—ROM组织,分为16个区,每区4个块,其中射频接口模块主要完成以下几个功能:

由于卡本身无电源,需通过其中的电源产生电路以整流、滤波、稳压后为芯。芯片电路的数字部分中各块的功能是:复位响应电路-在读写器对IC卡进行上电复位时自动将卡的有关信息传递给读写器,以便使读写器正确识别Ic卡的类型,并对其进行相应的操作。防冲突电路一当有多张卡在读写器的工作范围时,读写器先从众多卡片中选择一张作为下步处理的对象,将未选中的卡置于暂停工作状态以等待下一次被选择。应用 选择电路一MIFARE l可“一卡多用”,它负责从存储区中选择所需应用。认证与存取控制电路一验证密码和访问权限以控制对EEPROM的访问。控制与算术单元一对卡片系统进行配置、控制和对卡内数据进行加减运算。加密单元一对通讯数据进行加密解密等。EEPROM接口电路一对EEPROM进行译码和读写擦等操作。EEPROM-存储数据。

射频卡的设计原理

MIFARE 1(M1)型射频卡的容量为8K位,数据保存期为10年,可改写10万次,读无限次。M1卡不带电源,自带天线,内含加密控制逻辑电路和通讯逻辑电路,卡与读写器之间的通讯采用国际通用的DES和RES保密交叉算法,具有极高的保密性能。

工作原理:卡片在电气部分只由—个天线和ASIC组成,没有其它外部器件;天线:卡片的天线是只有几组绕线的线圈,很适于封装到ISO卡片中;ASIC:卡片的ASIC由一个高速(106KB波特率)的接口,—个控制单元和—个8K位EEPROM组成。

M1 射频卡的工作原理是:读写器向M1卡发一组固定频率的电磁波,卡片内有—个LC串联谐振电路,其频率与读写器发射频率相同,在电磁波的激励下,LC谐振电路产生共振,从而使电容内有了电荷,在这个电容的另一端,接有—个单向导通的电子泵,将电容内的电荷送到另—个电容内储存,当所积累的电荷达到2V时,此电容可做为电源为其它电路提供工作电压,将卡内数据发射出去或接取读写器的数据。

射频卡电源产生电路的设计与应用

射频卡的功能组成包括两部分,射频接口电路和数字电路。解决卡内能量的来源和信号的无线传输则是射频卡的突出优点,而这也是射频接口电路的关键技术。从读卡器发射的射频信号,在卡内经过耦合、整流滤波与稳压三过程,便可得到直流工作电压。

线圈耦合

L1、L2分别是天线的原边线圈和副边线圈, L2从L1耦合过来一定能量的高频电磁波(载波频率为13.56MHZ), 两端的电压即 是接收到的高频信号。对于卡内接收天线L2,在f=13.56MHZ频率下,有其等效的电感、电容和损耗电阻值,构成一串联谐振电路。对于读卡器本身而言,其发射的电磁波能量一定,而卡上的感生电压由发射的电磁波的能量和卡与读卡器的距离共同决定。那么在得到电感L2 的等效电感、电容和损耗电阻值后,就可以在电容两端并一可变电阻,通过改变卡与读卡器的距离,测试电阻上的相应电压值,来推算L2上感应到的等效电压源的值。

整流滤波

天线上获得的耦合电压通过C送人FWR全波整流电路,从而得到单边的交流信号。在经滤波电容CP滤掉高频信号,其两端输出的电压既为卡内需要的直流电源电压;该电容同时又作为储能器件以争强负载能力。这里信号经滤波电容后可得到—个直流电压,但此时电压不够稳定,需采取稳压措施。

稳压电路

滤波电容CP两端输出的VDD是不稳定的,当卡与读卡器的距离变化时,它随着卡内线圈E耦合到的电压的变化而变化,稳压电路可以使其稳定在3.5V左右。这里,3.5V的压降由几个串联的饱和MOS管提供。图1中的Rload代表了卡内所有电路的内阻之和,这样,对于正常工作条件下的电磁场能量,电源产生电路经过上述过程在Rload=910Ω时,便可获得—个3.5V左右的直流工作电压。具体稳压电路如图2。

当VDD变大时,电路中M3、M4管处于饱和状态,其VDS压降基本不变,那么V1随VDD的抬升而升高,则V2相应下降,M6管的电流随之升高,需要电容CP放电来补充电流,引起VDD下降,维持恒定;同理,VDD下降时,M6管电流减小,CP充电,引起VDD升高,总体保持不变,而M1、M3和M4管的饱和压降提供了3.5V电压值。

结论

当片内电阻为910Ω,电容取500PF时在卡片与读写器距离为5CM、6CM、10CM时,输出电压可以达到3.5V,有大约02V左右的波动,有很好的稳定性。
在距离为5CM时,改变片内电容,分别取200PF、500PF、IO00PF,输出电压的稳定性随电容的增加而增加。
固定片内电容为500PF,改变输入电Vip值,即模拟输出电压VDD随距离d的改变而产生的变化。当Vip低于4.5V时,VDD低2.8V,不能维持电路正常工作需要,故Vip要高于4.5V;随Vip升高,VDD略有抬高,基本可稳定在3.5V左右,但电源的稳定性变差。

综上所述,在读卡器的正常工作距离5—10CM以内,该电源产生电路可以为卡片内部电路提供其正常工作所需的3.5V直流电压,解决了卡内持续稳定的电压源电路的设计需要,具有实际意义。

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