用于智能卡供電的集成式DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

文章出處：http://xianjuhong.com 作者：語馨 收編   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年09月27日

     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，位于卡和微控制器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(shí)。 

    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(shí)現(xiàn)。如可以設(shè)計(jì)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(shí)，其有限的效率成為一個(gè)關(guān)鍵問題。對于GSM應(yīng)用則不同，因?yàn)檩敵龉β氏拗茷?0mW，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(shí)際上，在輸出功率高達(dá)300mW的情況下，電感結(jié)構(gòu)在整個(gè)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?yàn)檩斎腚妷嚎梢詮淖畹?.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(dòng)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(jì)中以保持EMV認(rèn)證成為主要的目標(biāo)。
 

    在硅裸片中實(shí)現(xiàn)的真實(shí)系統(tǒng)更加復(fù)雜，因?yàn)楣ぷ鲿r(shí)既不能有電壓尖峰同時(shí)又要能實(shí)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(shí)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(gè)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(gè)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(shí)關(guān)斷。在這一點(diǎn)上，周期1完成而周期2開始。“開通”時(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)，兩個(gè)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(shí)，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(diǎn)上滑行時(shí)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(shí)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(gè)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(gè)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(diǎn)以及用于連接引腳到負(fù)載的印刷電路板銅導(dǎo)線。當(dāng)大電流通過引腳時(shí)，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(gè)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?yàn)?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?yàn)殡娫措娏鲿苯恿鬟^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(shí)驗(yàn)，最佳的方案是使用兩個(gè)并聯(lián)的4.7μF/10V/陶瓷/X7R電容來實(shí)現(xiàn)CRD_VCC濾波。ESR在整個(gè)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(gè)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?yàn)樗鼈兊哪芰亢芨?。很清楚，鋁電容不適合這類應(yīng)用，應(yīng)該避免使用。 

    第二個(gè)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(gè)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(gè)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(shí)，電感中積累的能量傳輸?shù)截?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(shí)，內(nèi)部比較器U1翻轉(zhuǎn)，在時(shí)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(shí)，輸出電壓開始下降(因?yàn)殡姼兄胁辉儆心芰抗┏?，而且根據(jù)負(fù)載決定的時(shí)間t2，比較器會在Vo小于k*Vref時(shí)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?yàn)橐_(dá)到Ip電流值(時(shí)間t3)需要更多的時(shí)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(shí)，周期#2開始一個(gè)新的周期。圖6的波形圖描述了這個(gè)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(shí)防止系統(tǒng)鎖存，即使電池在輸入電壓范圍的任何一端時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)。另外，短路電流保護(hù)避免了任何熱失控，因?yàn)檫^載電流觸發(fā)點(diǎn)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。