RFID系列:NFC芯片选型设计及电路框架

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RFID 作为一项专业度较高的技术,在一些公司,可能还会专门招聘专业的 RFID 工程师。本篇阐述的涉及到的只是基本选型设计、电路框架,关于 RFID 天线调试、低功耗检卡调试等,后续再其他篇章会继续更新!
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NFC(Near Field Communication)芯片选型:
主要考量点:
芯片支持的协议、是否支持低功耗检卡、是否能过金融认证、芯片价格 
 
芯片支持协议:
ISO14443A/B、ISO15693、 ISO18092 和 ISO21481 等
 
ISO14443A 卡:Mifare 系列、 Ultralight 系列、 Plus 系列、 CPU 卡系列等。
 
ISO14443B 卡:身份证、 SR176、 SRI512 等。
 
ISO15693:NXP 的 ICODE 系列、 TI 的 Tag_it HF-I、 ST LRI 等。
 
ISO18092:包括读卡模式、卡模式、点对点通信模式。
 
ISO21481:在 ISO18092 基础上兼容 ISO15693 协议。
 
LPCD 功能:芯片低功耗检测卡片功能。没有卡片靠近时,芯片处于低功耗状态, 仅需
 
10uA 电流,就能完成卡片侦测, 当卡片靠近时,芯片侦测到卡片,唤醒单片机读卡。
 
金融认证:PBOC2.0/3.0 标准、 EMV 标准
 
电路架构:
 
NFC 芯片外部电路通常由以下几个部分组成:供电电路、通信接口电路、天线电路、振荡电路; 
 
供电电路:主要包括模拟电源 AVDD、数字电源 DVDD、发射器电源 TVDD、引脚电源 PVDD、测试引脚电源 PVDD2; 
 
a. 如果需要提高发射功率可提高 TVDD 的电压,例如 5V 供电的 TVDD 形成的发射功率会比 3V 的要强; 
 
b. 芯片的供电电流通常在几十到几百 mA,主要的能量消耗在发射器的电路上。例如 FM175xx 的天线发射电流在 100mA,RC663 则可以达 250mA,因此选择供电芯片、电感器件时,需要注意留足余量; 
 
c. 读卡芯片天线 13.56MHz 的正弦波信号会干扰电源,为减少传导干扰,可以在电源端加π型滤波器,但为减少电路设计冗余度,一般情况下不添加。 
 
通信接口:
 
通常都支持 SPI/I2C/UART,一般通过外部引脚配置选择,为方便升级,可做兼容设计; 
 
天线设计:
 
天线电路主要由 4 部分组成:EMC 滤波、匹配电路、天线、接收电路。以 FM17550 为例,如下: 
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滤波电路:
 
由 L1、C1 组成的低通滤波器用于滤除 13.56MHz 的衍生谐波,该滤波器截止频率应设计在 14MHz 以上。L1 电感不可靠近摆放,以免互相干扰(互感效应)。滤波电路元件匹配公式:f=1/(2π√LC) 
 
匹配电路:
 
用于调节发射负载和谐振频率。射频电路功率受芯片内阻和外阻抗影响,当芯片内阻和外阻抗一致时,发射功率效率最高。C2 是负载电容,天线感量越大,C2 取值越小。C3 是谐振电容,取值和天线电感量直接相关,使得谐振频率在 13.56MHz。 
 
接收电路:
 
C4 滤除直流信号,R2 和 R3 组成分压电路,使得 RX 接收端正弦波信号幅度在 1.5-3V 之间。 
 
天线:
 
由 R1 电阻(通常是 1ohm 或 0ohm)和印制 PCB 组成。 
 
天线越大,读卡距离越远,当天线面积达到 5cm x 5cm 以后,再增大天线,读卡距离没有明显提升。 
 
天线线宽建议选择 0.5mm - 1mm。天线大于 5cm x 5cm 不能多于 3 圈,小于 3cm x 3cm 不能小于 4 圈 
 
为减小 EMC 辐射干扰,需要将 PCB 走线转角处画成圆弧。 
 
天线区域内和天线边缘禁止将信号、电源、地线画成圈或者半圆,天线圈内不可有大面积金属物体、金属镀膜,避免引起磁场涡流效应造成能力严重损耗。 
 
天线 PCB 绕线方式是相对的,不是同向。
 
天线电路设计元件的精度应控制在 2%以内,否则容易导致天线谐振频点偏差,导致读卡性能严重下降,产品一致性难以保证 
 
天线大小和读卡距离关系
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