一种非接触卡场强检测电路的制作方法

本发明涉及非接触智能卡技术领域， 尤其涉及一种非接触卡场强检测电路。

背景技术：

在非接触智能卡应用中，读卡器释放的磁场能量通过电感耦合的方式提供给卡片，卡片接收到能量的大小与读卡距离成反比。读卡距离越远，能量的减小，反之则能量越大。这就意味着卡片的工作参数必须做出相应的调整从而改变功耗以适应不同的能量大小，这些参数包括中央处理器（Central Processing Unit，英文简称CPU）运行频率、协处理器运行频率等。芯片的功耗与运行频率成正比关系，在远距离读卡情况下，卡片需要迅速降频，否则就会因为能量不够而导致下电。因此卡片如何根据场强大小自动调节运行频率，在处理速度和功耗间达到平衡成为卡片设计的关键技术之一。

在传统的非接触卡片设计中没有场强强度指示电路存在，即卡片本次无法探知周围场强的变化，这给系统应用造成了很大的不便。如图1所示，为现有的非接触卡电路系统结构图。其中，整流限幅电路将卡片天线感应到交流信号转化为5V直流电压VCC；低压差稳压电路将VCC在转化为1.6V的核心电压VDD，给数字电路供电；电压检测电路检测核心电压VDD，检测阈值为1.5V。当核心电压VDD>1.5V时，数字电路运行在高频率fH，当核心电压VDD<1.5V时，数字电路运行在低频率fL。

另一方面为了给接收到报警信号的数字电路留有足够频率调节时间，在核心电压VDD的电压域下，需要用很大的电容C1来确保降频前不掉电，这带来了芯片面积的开销，增加了成本。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种非接触卡场强检测电路，让场强检测电路给出场强指示信号，调整非接触卡片系统的数字信号实时运行在对应的功耗频率上。

为了达到上述技术目的，本发明所采用的技术方案是：

一种非接触卡场强检测电路，所述场强检测电路包括电流镜电路、电流-电压转换电路和ADC电路，其中，电流镜像电路将限幅电路中表征场强大小的电流镜像为20uA~360uA的电流信号，并输出给电流-电压转换电路，电流-电压转换电路将电流信号转换为电压信号，ADC电路再将电压信号转化为数字化的场强指示信号，使得外部数字电路根据场强指示信号对运行频率做出实时调整。

优选地，所述电流镜电路由尺寸比为500:1的NMOS管和放大器组成，放大器将NMOS管的漏端电压强制为同一电压值。

本发明由于采用了上述电流镜电路、电流-电压转换电路和ADC电路组成场强检测电路，所获得的有益效果是，由于场强检测电路给出场强指示信号，整个非接触卡片系统采用前馈设计，即根据场强的大小调节数字电路运行在对应功耗的频率上，这样非接触卡片系统运行频率就不需要在高频率fH和低频率fL之间跳变，只要将频率域功耗的对应关系做好，就可以充分利用场强能量，使得系统运行速度达到最佳，这与传统电路非接触卡片系统相比，采用本发明设计的卡片在相同读卡距离上运行速度更快，且运行速度随着距离的变化更为线性，并且由于数字电路提前做出了调整，电新的电路中不需要大的电容来保证系统不掉电，从而节省了芯片面积。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1是现有的非接触卡电路系统结构图。

图2是具有本发明的非接触卡电路系统结构图。

图3是本发明的非接触卡场强检测电路结构图。

图4是本发明具体实施的非接触卡场强检测电路图。

图5是本发明具体实施的ADC电路输出与场强的对应图。

图6是本发明具体实施的芯片及采用传统电路架构的芯片平均运行频率与场强对应关系图。

具体实施方式

如图2所示，为具有本发明的非接触卡电路系统结构图。与传统的非接触卡片系统电路架构比，在整流限幅电路中插入了低功耗的场强检测电路，非接触卡片获取的功率大小与场强成正比关系，功率等于电压乘电流，所以只要保证整流输出直流电压VCC不变，输出电流I越大则表示场强越大，输出电流I越小表示场强越小；再利用模拟电路将不同的电流信号转换为电压信号就实现了卡片对外部场强大小的检测。为了保证检测灵敏度，将整流输出直流电压VCC重新设定为4V，输出3位场强指示信号给数字电路。由于该场强检测电路给出场强指示信号，整个非接触卡片系统采用前馈设计，即根据场强的大小调节数字电路运行在对应功耗频率上，这样，这个非接触卡片系统运行频率就不需要在高频率fH和低频率fL之间跳变，只要将频率域功耗的对应关系做好，就可以充分利用场强能量，使得整个非接触卡片系统运行速度达到最佳。

如图3所示，为本发明的非接触卡场强检测电路结构图。该非接触卡场强检测电路包括电流镜电路、电流-电压转换电路和ADC电路（模拟数字转换电路），其中，电流镜像电路将限幅电路中表征场强大小的电流镜像为较小的电流信号，并输出给电流-电压转换电路，电流-电压转换电路将电流信号转换为电压信号，ADC电路再将电压信号转化为数字化的场强指示信号，使得外部数字电路根据场强指示信号对运行频率做出实时调整。具体实施中，在数字电路空闲阶段，当直流电压VCC大于4V时，限幅电路流入电流；当直流电压VCC小于4V时，限幅电路流出电流最终控制直流电压VCC稳定在4V，而电流的最终大小与场强成正比，典型值在1mA~18mA。由于电流值较大，直接处理会给系统带来较大的额外的功耗，本发明设计了高精度高衰减度的电流镜电路，将大电流转换为小电流以减低功耗，电流通过电流-电压转换电路转化为电压，再通过ADC电路输出数字化的场强指示信号。

如图4所示，为本发明具体实施的非接触卡场强检测电路图。其中，二极管D1~D4及电容C1构成了传统的全波整流电路，输出电压VCC，电阻R1/R2、放大器1及NMOS管MN0构成了限幅电路。Vref为0.8V参考电压。R1和R2为VCC电压采样电阻，R1阻值为1.6MΩ，R2为0.4MΩ。当VCC大于4V时，放大器1输出电压增加，MN0栅源电压增加，抽取的电流I_PASS增加，从而VCC下降；当VCC小于4V时，I_PASS减小。最终VCC稳定在4V。MN0~MN2、放大器2构成了500:1的精准的电流镜电路。MN0与MN1尺寸比为500:1；放大器2将MN0和MN1的漏端电压强制为同一电压值，消除了沟道调制效应导致的电流镜偏差，保证了检测精确度。I_PASS的典型取值在1mA~18mA，则MN1吸入的电流为20uA~360uA。MP0~MP1及电阻R3构成了电流-电压转换电路，MP0与MP1尺寸比例为1:1，R1阻值为100KΩ。计算可得输出电压VOUT范围为0.2V~3.6V，ADC将VOUT转换为3位数字信号输入给数字电路。

如图5所示，为本发明具体实施的ADC电路输出与场强的对应图。采用本发明的非接触卡片电路很好地完成场强检测功能。

如图6所示，为本发明具体实施的芯片及采用传统电路架构的芯片平均运行频率与场强对应关系图。该具体实施例中可以看出，在2A/m场强下采用新方案的芯片可以工作在4MHz，而采用传统方案的芯片只能工作在2MHz；在3.7A/m场强下采用新方案的芯片可以工作在9MHz，而采用传统方案芯片只能工作在6MHz。在2.5A/m~3.5A/m场强范围内，采用新方案的芯片工作频率呈现出线性增长，而采用传统方案芯片的工作频率则不变。对比可以发现在运行同一典型命令条件情况下，采用本发明的卡片在特定距离上的运行频率得到了提高，且随读卡距离的变化更为平稳。

本发明并不限于上文讨论的实施方式，以上对具体实施方式的描述旨在于为了描述和说明本发明涉及的技术方案。基于本发明启示的显而易见的变换或替代也应当被认为落入本发明的保护范围；以上的具体实施方式用来揭示本发明的最佳实施方法，以使得本领域的普通技术人员能够应用本发明的多种实施方式以及多种替代方式来达到本发明的目的。