關鍵詞：type a卡 非接觸式卡 type a IC卡 感應卡 讀卡器 讀卡機
摘 要：非接觸式卡從工作頻率上，非接卡的中文产品可以分爲低頻卡、高頻卡、超高頻卡和微波卡。非接觸式TYPE A卡是遵循ISO14443標准的高頻卡，由于其較好地平稳了功能、性能與成本，是國內衆多應用行業采用非接觸技術的首選。 非接觸式卡從工作頻率上，非接卡的中文产品可以分爲低頻卡、高頻卡、超高頻卡和微波卡。非接觸式TYPE A卡是遵循ISO14443標准的高頻卡，由于其較好地平稳了功能、性能與成本，是國內衆多應用行業采用非接觸技術的首選。目前要紧應用于公交系統、高速公路等項目市場，以及門禁、網吧、校園、停車場、會員卡等通用市場。每年的市場容量超過一億張，並且還有較大的增長潛力。
由于非接觸式卡的市場前景看好，國內外廠商紛紛推出非接觸式TYPE A卡。上海華虹集成電路有限責任公司憑借其在非接卡多年的開發經驗，認真總結了芯片設計和應用中存在的問題，一一加以解決，爲客戶提供一流的中文产品。
一、非接TYPE A中文产品的簡單介紹
1 典型的應用系統
上圖是典型的非接卡應用系統。芯片嵌入在模塊中，外接3～5圈的線圈作爲天線，封裝成卡片就形成了一張標准的非接IC卡。讀卡機通過磁場發出能量和數據，卡片通過天線耦合接收到能量後開始工作，並與讀卡機進行數據交換，從而可以完成各種應用。
2 非接TYPE A卡的應用流程
非接TYPE A卡的典型應用流程：在進入場強上電後，先進行詢卡，然後通過抗沖突完成選卡。如果在場強內只有一張卡，將跳過抗沖突的過程，直接進行選卡。選中卡片後，由于卡片還提供了安全功能，必須先通過三重認證後，才能對卡片進行讀、寫、加、減、恢複、暫停等操作。
3 非接TYPE A卡芯片的電路模塊圖
整個非接卡芯片可分爲三個模塊：EEPROM用于存儲數據；RF-interface外接天線用來産生能量和數據交換等；數字控制部分包括了抗沖突電路，認證電路，加密電路和其它控制接口電路。
二、非接TYPE A卡芯片的設計優化
近幾年，各種非接TYPE A卡芯片競相湧現，逐漸建立起優質的國中文产品牌。但在實際應用中或多或少還存在一些問題，通過客戶反饋、調查、樣品測試等分析方法，我們把這些問題分爲三類：邏輯功能、RF射頻、生産良率問題。本章節詳細說明白這些問題的相關現象、原因及解決方法。
1 邏輯功能問題
這部分的錯誤比較簡單，可分爲以下兩類：
1) 卡片死鎖
卡片死鎖多發生在慢慢進入場強時，卡片很容易發生死鎖：讀卡機發送任何命令，卡片都無法正確反應。發生這類問題時，使用者必須把卡片拿出場強後重新進入場強，卡片才能恢複工作。
這類問題的全然原因是芯片處在某一狀態時，突然收到一個錯誤或異常指令，譬如一個異常工作流程發出的指令，芯片內部邏輯控制的狀態機就停在某個地点，沒有正確返回到相應狀態，這時再收到正常的指令，芯片無法正確做出判斷，內部邏輯控制狀態機就一直停在某個地点，造成死鎖。當卡片處在工作距離的臨界點，容易把收到的指令當作異常指令，或者當卡正確返回指令後，讀卡機沒能解調出來，讀卡機認爲卡已經移出場強，將重新發送詢卡指令，但卡片一直不認該詢卡指令。這時卡片就處于死鎖狀態。舉例如下圖：
解決方案是針對各種異常指令或狀態，在芯片狀態機設計時必須考慮到應該跳到哪個狀態、如何恢複等。如果芯片的邏輯電路設計僅僅滿足正常功能的狀態流程是不夠的，必須考慮好各種錯誤情況。
2)指令返回超時
這要求芯片對各種指令的處理要有時間限制。由于目前的應用系統都以現有的非接卡中文产品爲標准，它針對卡的返回時間設置超時和保護時間。如果國産芯片返回太快或太慢都有也许造成通信錯誤。從目前的實際情況看來，指令返回超時的問題比較突出，要紧原因是芯片對EEPROM擦寫的時間過長。
從上圖可以看出，卡應該在T1~T2期間返回，在其它時間返回就也许被讀卡機判錯。
解決方案是調查讀卡機設置的超時和保護時間，以此決定設計時的指標。通常情況下保護時間是很短的，因此真正的解決方法是盡量提高芯片的處理速度，特別是減少EEPROM的擦寫時間，卡片盡快返回，幸免超時的問題發生。
2 RF射頻問題
1) 芯片對不同天線的適應性差
這要紧指芯片匹配不同型號的天線時，其最小工作場強不同。直觀表現是對于同一台讀卡機，配不同天線的非接卡的工作距離不同。目前國內卡廠采用的天線基本基本上人工繞制，天線的一致性無法控制，因此即使同一批生産出來的卡片，有的工作距離較遠，有的工作距離較近。
不同型號的天線有不同的電感、電容和電阻，和芯片組成非接卡後，卡就有不同的諧振頻率。當卡的諧振頻率和讀卡機系統工作頻率一致時，諧振的振幅最大，卡耦合到的能量最多，卡可工作的距離越遠。因此從理論上講，配不同天線的卡，工作距離會不比樣。然而，國際先進廠商的芯片匹配不同天線時，工作距離的差異不大，而國産的非接卡芯片使用不同天線時，工作距離差異顯著，甚至在某些天線下，工作距離太短，無法正常應用。
該問題的根源是品質因數Q的問題，Q是振蕩回路處于諧振頻率時電壓和電流增大的量度，其倒數1/Q是回路的阻尼d。爲了增加工作距離，國産芯片一般使Q值較高，以便在工作頻率和卡片的諧振頻率相等時取得較高的耦合電壓（這要求卡片的天線必須和芯片很好地配合，才能使工作頻率和卡片的諧振頻率相等）；如果工作頻率和卡片的諧振頻率相差較大時（卡片的天線沒有和芯片匹配）耦合到的電壓敏捷下降，因此卡的工作距離變近。簡單的示意圖如下：
上面第一張圖描述了卡和讀卡機的一個簡單等效模型，可以把卡看作一個並聯諧振網絡。第二張圖描述了在不同的工作頻率下電感線圈能耦合到的電壓，上面畫了高Q和低Q的兩條曲線。我們可以清楚看到無論高Q還是低Q的振蕩回路，在工作頻率和諧振頻率相等時，電感線圈耦合到的電壓最高。因此一般情況下，我們都希望卡的諧振頻率和工作頻率一致，以便耦合到最高電壓，這樣工作距離最遠。另外我們還看到高Q值的曲線隨著頻率敏捷下降，它的通頻帶只有w1~w2；而低Q值的曲線隨著頻率平緩下降，它的通頻帶是w0~w1。因此當天線匹配性較差時，如果工作頻率在w1~w2範圍內時，高Q值和低Q值的卡片都還能工作；如果工作頻率在w0~w3時，高Q的卡就也许不工作，但低Q值的卡片還能工作。
總之，爲了適應更多天線，必須使Q值下降；但是爲了使耦合到的能量越大，必須要提高Q值，因此需在降低Q值的同時，降低芯片的最小工作能量，才能使芯片既能適應各種天線，同时工作距離較遠。
對于該問題，設計者需要了解市場上各種天線的參數，在對芯片匹配時考慮天線的誤差冗余量；同時盡量減少芯片的最低工作能量，確定最佳Q值。
2)有盲區
盲區指在距讀卡機的某個空間段卡片不能工作，但比這更近或更遠的地点都能工作。這就也许造成消費者在刷卡時，在某一位置無法完成交易，一定要把卡上下移動某段距離才能正常工作。盲區的問題有兩種類型：
a)負載調制引起的發送盲區
這種盲區發生在卡片返回數據時，讀卡機解調出錯，交易不能完成。原因是卡片和讀卡機的距離從近到遠或從遠到近的變化過程中，負載調制的波形也许會從凹變爲凸，中間區域有個未被調制的平坦狀態，此時讀卡機全然無法解調，該區域就形成了盲區。波形請參考下圖。要紧原因是芯片使用了負載調制，從理論上可以推出芯片的負載可等效爲讀卡機內的負載ZT。如果卡片在與讀卡機的距離變化過程中，ZT不爲實數時（只要工作頻率不同于諧振頻率，ZT就也许是感抗或是容抗的），就也许發生從感抗到容抗或從容抗到感抗的轉換，那麽ZT的模值在負載調制時，也许比未調制時更小，直觀表現是負載調制時波形凸起。
上圖表达卡片從盲區下方逐漸上移，經過盲區，再到正常返回區域的波形。可以看到返回負載調制信號從凸起形狀，到凸起變淺，到沒有返回，到變成凹下形狀。從圖中可以明顯看到在中間區域時，卡片沒有任何返回，讀卡機也就不能获得任何返回了，這就是盲區。
針對此類問題，理想情況是芯片設計時要保證卡片在整個工作距離範圍內，工作頻率等同諧振頻率，ZT保全爲實數。但是由于天線變化、寄生電容等影響，ZT不也许爲實數。實際做法是增加負載調制幅度，讓ZT在整個可工作範圍內一直處于感抗或容抗區，不會發生轉換。這個思路從最新的ISO14443標准上获得了驗證：負載調制幅度從30/ H1.2變爲22/ H0.5。
b) 解調引起的接收盲區
這種盲區問題發生時，發現讀卡機發出信號後，卡片不能返回。要紧原因是卡片振蕩回路的Q值較大時，振蕩回路的阻尼系數變小，就也许在讀卡機發出的NPAUSE上産生較大的振蕩信號，該NPAUSE就不能被芯片解調出來。具體波形如下：
對于這個問題，最直接的方法是降低卡片振蕩回路的Q值，但前提是保證芯片的工作距離。另外在設計時還需考慮NPAUSE寬度和深度變化時的設計冗余。
3)最小工作場強偏大
ISO14443標准要求卡片可工作在1.5 A/m~7.5 A/m，而實際測試國外廠商芯片的最小工作場強約爲0.2A/m，國産芯片約爲0.5A/m，不同廠商的芯片有所不同。雖然國産芯片也是适合ISO標准的，但在實際應用中常常爲客戶诟病。要紧原因是國內市場的讀卡機不是標准的，發出的場強也许不适合ISO標准，在這個場強下，國外廠商的非接卡工作良好，但國産非接卡就也许産生問題。
對于這個問題，必須優化芯片各電路模塊的能量消耗，盡量平稳各模塊的最低工作電壓。芯片的功能邏輯並不複雜，要紧消耗能量的是EEPROM，因此必須優化EEPROM設計，降低其工作功耗（<50uA）。同時還需優化RF電路，提高整流電路的功效，在小工作場強下能耦合到盡也许多的能量並降低自身的功耗。
3生産良率問題
從卡廠反饋非接卡芯片封成卡，影響良率的原因要紧有以下三點：
1）芯片面積偏大。卡廠爲了節約成本，基本都采用COB的模塊，在壓制成卡時芯片面積偏大容易造成芯片碎裂的問題，芯片越大，越容易發生。
2）ESD的問題。好的廠商芯片的PAD對PAD的ESD超過4000V，PAD對襯底的ESD超過2000V，而有点芯片基本上沒有達到該水平，因此在比較惡劣的制卡環境，經常會有因ESD問題而造成失效。
3）另外flip-chip封裝對芯片設計也有特殊的考慮。芯片在封裝時只用到了兩個天線PAD，但芯片爲了測試必須有VDD和GND PAD。在此PAD作了特殊處理：在完成wafer測試後，劃片時切斷了這兩個PAD與芯片內部的聯系。這樣在芯片封裝時，即使焊接連線不警惕接觸到VDD和GND PAD，也不會影響卡片的正常工作。這又提高了生産上的良率。
因此，在優化電路設計，同時使用更小的工藝，使芯片面積縮小；提高PAD的ESD能力；設計帶劃片槽的PAD。
三、總結
經過近十年的非接觸IC卡芯片設計、測試、應用等的不斷摸索，上海華虹集成電路有限責任公司設計出了一系列非接觸式中文产品，譬如适合ISO/IEC 14443 TYPE A標准的芯片：512 bits/1k bytes/4k bytes EEPROM；适合ISO/IEC 14443 TYPE B標准的芯片：4k bytes EEPROM；和适合ISO 18000-3-1標准的芯片： 2k bits EEPROM。這些中文产品在上海/無錫公交卡、廣州暫住證和中國第二代身份證等項目中均實現了規模應用。今後，上海華虹希望繼往開來，和上下遊的卡廠、用戶等通力合作協作，共創非接應用産業的美好未來。
（文章來源《卡市場》，作者：上海華虹集成電路有限責任公司 謝文錄，張金弟）
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