針對智能卡供電,本文提出了一種集成式DC/DC轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)并分析了它的工作原理。該系統(tǒng)效率可達(dá)到85%,擁有足夠的魯棒性,可滿足所有復(fù)雜的ISO7816-3規(guī)范,并已通過EMV和EMV Co認(rèn)證程序1級和2級認(rèn)證。該結(jié)構(gòu)特別適用于便攜式收款機(jī)(POS)等智能卡應(yīng)用。
智能卡的工作電壓已經(jīng)升級到可適用于任何專門針對這種應(yīng)用的芯片。最初的ISO7816-3和EMV (Europay/Master card/Visa)文件現(xiàn)在包括1.8V、3.0V和5.0V作為適用的工作電源。因此,位于卡和之間的物理接口必須能夠?qū)⑸鲜鋈魏我环N電源和主MPU適配。電源必須保持表1中規(guī)定的工作條件。另外,電源必須能在750μs內(nèi)斷開和卡的連接,特別是在帶電拔出卡時。
除了靜態(tài)工作以外,在負(fù)載為100mA/400ns脈沖狀態(tài)下,電源可把輸出電壓保持在容限以內(nèi)。這樣的要求涉及到系統(tǒng)工作狀態(tài),而不僅僅是電源。
DC/DC轉(zhuǎn)換器
隨著應(yīng)用的日漸廣泛,從電池供電的便攜式系統(tǒng)到電視衛(wèi)星接收機(jī),智能卡接口必須高效處理大的輸入電壓范圍并具有高效率?;旧?,只要能為卡提供所需的電源,它能以任何類型的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。如可以設(shè)計成一種基于開關(guān)電容的轉(zhuǎn)換器,但是考慮到便攜式POS系統(tǒng)時,其有限的效率成為一個關(guān)鍵問題。對于GSM應(yīng)用則不同,因為輸出功率限制為50mW,因而在無線電話PCB上優(yōu)先考慮這種基于電容的結(jié)構(gòu),以節(jié)約空間。
考慮到對于POS機(jī)便攜式模塊,節(jié)能是關(guān)鍵問題,因而優(yōu)先考慮基于電感的結(jié)構(gòu),以盡量提高效率。實際上,在輸出功率高達(dá)300mW的情況下,電感結(jié)構(gòu)在整個工作電壓范圍內(nèi)的效率可以達(dá)到85%,這是低成本開關(guān)電容技術(shù)難以達(dá)到的水平。
另一方面,因為輸入電壓可以從最低2.70V到最高5.50V(在電池快用完或在電池充電后),該結(jié)構(gòu)必須自動地、無需調(diào)整地從升壓轉(zhuǎn)換到降壓工作,反之亦然。圖1描述的概念已經(jīng)得到開發(fā),以滿足這些要求,在設(shè)計中以保持EMV認(rèn)證成為主要的目標(biāo)。
在硅裸片中實現(xiàn)的真實系統(tǒng)更加復(fù)雜,因為工作時既不能有電壓尖峰同時又要能實現(xiàn)精確調(diào)整及低紋波。最重要的是,電路必須滿足所有EMV規(guī)范,尤其是電源下降序列、電源關(guān)斷時序及輸出短路電流。
為達(dá)到這些要求,圖2所示的轉(zhuǎn)換器增加了幾個額外的NMOS及PMOS晶體管。
該系統(tǒng)按照兩周期的概念運(yùn)行(所有注釋請參見圖2及圖3),并帶有考慮了智能卡要求的特殊結(jié)構(gòu):
周期1:Q1及Q4開通,且電感L1由外接電池來充電。在此階段,Q2/Q3及Q5/Q6關(guān)斷。
流經(jīng)Q1及Q4兩個MOSFET的電流在內(nèi)部被監(jiān)視,并在達(dá)到Ipeak值(峰值電流,取決于可編程輸出電壓值)時關(guān)斷。在這一點上,周期1完成而周期2開始。“開通”時間是電池電壓及引腳10與11之間所連接的電感網(wǎng)絡(luò)值(L及Zr)的函數(shù)。
為防止出現(xiàn)不受控運(yùn)行,4μs暫停結(jié)構(gòu)可確保系統(tǒng)在過載或低電池輸入情況下只在連續(xù)的周期1環(huán)路內(nèi)運(yùn)行。
周期2:Q2及Q3開通,且存儲在電感L1中的能量通過Q2轉(zhuǎn)移到外接負(fù)載。在此階段,Q1/Q4及Q5/Q6關(guān)斷。電流流通周期是900ns恒定值(典型值),如果CRD_VCC電壓低于規(guī)定值,在這段時間以后重復(fù)周期1。
當(dāng)輸出電壓達(dá)到規(guī)定值(1.80V、3.0V或5.0V)時,Q2與Q3立即關(guān)斷,以免在輸出負(fù)載上產(chǎn)生過壓。與此同時,兩個額外的NMOS——Q5及Q6開通,以便完全放掉存儲在電感中的電流,避免在系統(tǒng)上產(chǎn)生振鈴及電壓尖峰。圖3給出了DC/DC轉(zhuǎn)換器的理論波形。
當(dāng)CRD_VCC被編程為0V,或當(dāng)智能卡從插座中拔出時,有源下拉Q7迅速對輸出儲能電容進(jìn)行放電,確保當(dāng)卡在ISO觸點上滑行時輸出電壓低于0.40V。由于Q7的導(dǎo)通電阻低,輸出電壓在不到100μs的時間內(nèi)即迅速下降至400mV,遠(yuǎn)低于EMV規(guī)定的最大值750μs。
輸出電壓紋波,盡管ISO7816-3或EMV未直接規(guī)定,但它在智能卡的運(yùn)行中扮演重要角色。其峰峰值取決于以下兩個主要電參數(shù):
1.在輸出硅結(jié)構(gòu)及凈儲能電容之間的總串聯(lián)電阻;
2.穩(wěn)壓,即檢測帶最小門限及滯后的輸出電壓的能力。
第一個參數(shù)取決于芯片與外界相連的內(nèi)部焊接線、連接儲能電容串聯(lián)電阻的引腳接點以及用于連接引腳到負(fù)載的印刷銅導(dǎo)線。當(dāng)大電流通過引腳時,廣泛采用多焊接線技術(shù),以將串聯(lián)電阻減少至50m(,或者如果使用更寬的焊接線,則電阻值更低。
印刷電路板走線的寬度可根據(jù)給定應(yīng)用所需的電流處理需要而定。此外,該串聯(lián)電阻會是一個問題,因其牽涉到的外部無源元件隨不同應(yīng)用變化很大。最關(guān)鍵的部分是儲能電容,因為(基于經(jīng)濟(jì)的原因)一般首選低成本類型,但這又會產(chǎn)生幾乎不可能完全消除的高電壓尖峰。
根據(jù)用于開發(fā)電容的技術(shù)類型,寄生元件可能擁有相對較高的值,會產(chǎn)生較大的不可控制的尖峰。如圖4所示,此等效串聯(lián)電阻(ESR)非常容易引起此類尖峰,因為電源電流會直接流過它,并將高電壓脈沖帶入輸出源中。
基于在NCN6001和NCN6004A特性化中進(jìn)行的實驗,最佳的方案是使用兩個并聯(lián)的4.7μF/10V/陶瓷/X7R電容來實現(xiàn)CRD_VCC濾波。ESR在整個溫度范圍內(nèi)不超過50m?,而且標(biāo)準(zhǔn)元件的組合提供一個可以接受的-20%到+20%的容差,成本增加有限。表2給出了最常用電容類型的大致比較。圖5顯示了對于進(jìn)行輸出電壓濾波的不同電容類型,NCN6001或NCN6004A演示板上觀察到的CRD_VCC紋波。在上面曲線上觀察到的較大且快速的瞬變是非常難以濾除的,因為它們的能量很高。很清楚,鋁電容不適合這類應(yīng)用,應(yīng)該避免使用。
第二個參數(shù)取決于內(nèi)部比較器的性能、電壓參考容限和數(shù)字處理。電壓參考從一個精確穩(wěn)定的帶隙電路中引出,產(chǎn)生±3%的容差。另一方面,模擬功能的偏差和漂移通過高端集成技術(shù)減小。詳細(xì)分析直流/直流的工作有助于理解每個元件對于輸出電壓紋波的影響 (參見圖2和圖6)。
在工作中,電感電流在Iv和Ip值之間交替改變,如圖6所示。當(dāng)系統(tǒng)從周期#1反轉(zhuǎn)變?yōu)橹芷?2時,電感中積累的能量傳輸到負(fù)載,而儲能電容電壓隨著能量向它轉(zhuǎn)移而增加。
令k=R1/(R1+R2)。當(dāng)Vo大于k*Vref時,內(nèi)部比較器U1翻轉(zhuǎn),在時間t1輸出電流降為零。相應(yīng)的,輸出電容中載有之前存儲在電感中的全部能量,而且輸出電壓保持增加到參數(shù)k*Vref規(guī)定的參考值以上。最終電壓Vohp代表高端紋波幅度。
此時,輸出電壓開始下降(因為電感中不再有能量供出),而且根據(jù)負(fù)載決定的時間t2,比較器會在Vo小于k*Vref時翻轉(zhuǎn)。直流/直流轉(zhuǎn)換器繼續(xù)周期#1工作,但是輸出電壓繼續(xù)下降,因為要達(dá)到Ip電流值(時間t3)需要更多的時間,而且電感從零開始充電 。最后,達(dá)到紋波幅度的低端Volp時,周期#2開始一個新的周期。圖6的波形圖描述了這個機(jī)理。
本文結(jié)論
在工作條件中效率為85%的DC/DC轉(zhuǎn)換器被開發(fā)應(yīng)用于智能卡供電,可滿足所有復(fù)雜的ISO7816-3規(guī)范。該系統(tǒng)擁有足夠的魯棒性,可以在負(fù)載從零到峰值快速變化時防止系統(tǒng)鎖存,即使電池在輸入電壓范圍的任何一端時也可以實現(xiàn)。另外,短路電流保護(hù)避免了任何熱失控,因為過載電流觸發(fā)點會隨著溫度的升高而減少。這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)通過EMV和EMV Co認(rèn)證程序1級和2級認(rèn)證,包括EMv2000協(xié)議。