专利名称：一种在内部实现电源管理的智能卡及电源管理的方法
技术领域：
本发明属于集成电路芯片/智能卡设计技术领域，特别涉及一种在卡内部进行电源管理的智能卡及电源管理的方法。
背景技术：
1970年，法国人罗兰德·莫瑞诺(Roland Moreno)第一次将可进行编程设置的IC(Integrated Circuit)芯片放于卡片中，使卡片具有更多的功能。当时他在专利申请书中，对这项发明作了如下阐述卡片上具有可进行自我保护的存储器。这样就诞生了世界上第一张智能IC卡。
对于集成电路智能卡，普遍的定义是由一个或多个集成电路芯片组成，并封装成便于人们携带的卡片；具有暂时或永久性的数据存储能力，其内容可供外部读取或供内部处理、判断；具有逻辑和数学运算处理能力，用于识别和响应外部提供的信息和芯片本身的处理需求。
我们常用的智能卡大致分四种存储卡、加密存储卡、CPU卡、射频卡。以数字蜂窝电话为例，是使用CPU卡来存储信息和唯一识别用户身份，这种特定类型的智能卡往往被称为SIM(Subscriber Identity Module，用户识别模块)卡，正是由于智能卡提供了大容量存储的能力，电话号码簿可以存在卡上而不是像模拟电话一样存在手机上。另外卡中的微处理器大大提高了用户帐号的安全性。
随着多媒体技术的发展和消费类电子技术的不断革新，便携式的电子产品已经逐渐成为了个人娱乐中心，越来越多的音频、视频、图象、游戏提出了复杂的数据处理需求，并促进了CPU的处理能力大幅的提高。在这样的背景下智能卡也被赋予了更多的数据处理功能，CPU型智能卡的核心处理器主频越来越高，工作电压也已经升级到可适用于任何专门针对这种应用的芯片。最初的ISO7816-3和EMV(Europay/Master card/Visa)文件现在包括1.8V、3.0V和5.0V作为适用的工作电源。因此，位于卡和微控制器之间的物理接口必须能够与上述任何一种电源和终端设备的主PMU适配。
根据ISO/IEC 7816-2标准，正常操作条件下智能卡VCC触点的电特性如表1所示。
随着应用的日渐广泛，从电池供电的便携式系统到电视卫星接收机，智能卡接口必须处理大的输入电压范围并具有高效率。对于移动电话，为了响应市场要求减轻设备重量的压力，大力促成了把电池电压从6V或4.5V改为3V的转变。由于目前所有移动电话的元部件都可使用3V，于是，移动电话需要一个电压变换器以提供5V卡所需的能源，这就增加了复杂性，以及不必要的成本费用。因此，目前的发展导致智能卡电压范围为3V至5V，正负10％，其有效电压范围在2.7V至5.5V之间。只能通过终端设备按照不同卡的需求，自动地选定提供给卡所需的3V或5V电源电压。一种可能的解决方法如图1所示。
表1 正常操作条件下智能卡VCC触点的电特性
事实上，对于锂电供电的智能卡终端设备，已经使用了3V的卡控制器集成电路，从终端的角度出发，其面对的挑战在于第一，如选用只能够支持3V智能卡的终端设备，则意味着失去了对数以百万计的已有5V智能卡的兼容性。
第二，如果选用只支持5V智能卡的终端设备，则当3V智能卡插入该设备时将极有可能被毁坏。因此用户必须小心地选择终端，避免因为误操作而损毁智能卡。
第三，由于技术的革新和应用的需求，造成了不同工作电压的智能卡对于终端设备不能简单的兼容。特别是手机设备上通用的3V智能卡(sim卡)，不能直接连接到诸如PC计算机等只支持5V供电的终端设备上，必须通过转接设备才能实现与这类设备的连接。
一般地，由于台式设备采用固定电源供电，所以几乎全部台式智能卡终端设备都是只支持5V供电的设备；而由于便携式或手持式智能卡终端设备采用锂电池作为电源，因此，大部分手机等手持设备都是只支持3V智能卡的终端设备。随着智能卡的存储功能日益强大，使用者往往会将智能卡作为数据存储和交换的介质，并将其频繁的交替连接到手持设备与台式设备间。对于工作电压为3V的智能卡，连接只支持5V供电的设备必须通过转接设备完成。从使用者的角度出发，如果智能卡内部可以支持多工作电压，如典型的1.8V、3V和5V，那么将大大的提高智能卡的兼容性和安全性。
从智能卡内部的角度来看，也产生出了新的问题第一，功能与功耗的矛盾逐渐显现。智能卡的功能日益强大，其功耗随之迅速增加，负载电流已经大大超过了早期智能卡的级别，随着智能卡内核心处理器的性能提升，复杂的大量运算产生的负载电流甚至已经达到了上百毫安的量级。
第二，由于新的应用，特别是多媒体和大容量存储的应用，使得智能卡内部集成电路的运算速度不断提高，目前先进的CPU卡的总线频率已经达到了几十兆赫兹的级别。在如此高频率下，芯片内部的电源噪声已经对电路的信号完整性产生了影响，必须在智能卡内部采取措施，对噪声进行控制，以提高智能卡内部的信号质量。同时，噪声的出现对电源质量也产生了影响，如果不在智能卡内部进行有针对性的处理，其内部的用电元件将不能获得高质量的电源，工作状态也将下降。
第三，由于智能卡内部集成电路功能的不断增加，特别是手持型终端设备对大容量存储性能的需求，已经出现了内部封装多块集成电路芯片的智能卡产品，如何为智能卡内部的各用电元件提供适配的电源，成为了一个新的课题。以典型的存储元件NAND Flash为例，目前市场上根据容量的不同，存在1.8V、3V、5V等多种工作电压的器件，这就要求，当智能卡把大容量的存储器元件封装在卡体内部时，必须为其提供符合要求的工作电源。而当卡内封装的其他用电元件的工作电压与NAND Flash工作电压不相同时，使用卡外的电源管理方案将难以解决这个难题。
第四，半导体制造工艺的进步，增加了将电源管理电路与主要逻辑电路集成在一块芯片上的难度。一方面，可以集成在芯片内部的电源管理单元，由于效率偏低，负载能力较小，已经不能适应为智能卡内多芯片供电的要求。另一方面，深亚微米甚至纳米级别的加工工艺成为了逻辑电路的主流实现工艺，而高性能的电源管理电路还难以在这样的工艺上实现。
根据以上所述，新的应用要求智能卡能够承受外部供给的2.7V到5.5V电源，并在卡内部同时提供1.8V、3V和5V等多路工作电压；并且这种对电源的管理是不依赖于外部终端设备，而是在智能卡内部实现的。但是，想要在智能卡内的逻辑芯片上实现电源管理是非常困难的，必须寻求新的解决方案，实现智能卡内部的电源管理。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在卡内部进行电源管理的智能卡，能够承受外部不同电源供给的电压，并可以为内部的核心芯片组及周边用电元件提供多路工作电压。同时，本发明还要提供相应的在智能卡内部实现电源管理的方法。
为了实现上述发明目的，本发明所提供的技术方案如下一种在内部实现电源管理的智能卡，包括由印刷电路板承载的核心芯片组，在智能卡内部还设有电源管理单元，电源管理单元的输入端通过智能卡的电源触点与卡片外的电源连接，输出端与智能卡内部核心芯片组及周边用电元件的电源引脚连接，从而能够将智能卡外部的电源转换成为卡片内部核心芯片组及周边用电元件各自工作所需的工作电源。所述工作电源可以是一路或多路，当是多路工作电源时，各路工作电源可以是相同的电压值(或负载值)，也可是不同的电压值(或负载值)。
进一步，以上所说的智能卡包含GSM系统中的SIM卡、CDMA系统中UIM(User Identity Model，用户识别模块)卡、PHS系统中的PIM(PersonalIdentity Module，个人识别模块)卡以及3G系统中的USIM(UniversalSubscriber Identity Module)卡。
进一步来说，如上所述的在内部实现电源管理的智能卡，其中，电源管理单元为线性稳压器LDO、DC-DC转换器或升压电荷泵当中的一种。
如上所述的在内部实现电源管理的智能卡，其中，印刷电路板上还设有与相关芯片的引脚连接、起保护电路作用的核心电路周边元器件。这些核心电路周边元器件可以为电容、电感、电阻。
如上所述的在内部实现电源管理的智能卡，其中，电源管理单元、核心芯片组、印刷电路板和核心电路周边元器件通过8个金属触点的接触式SIM卡封装形式整体封装在智能卡内。
进一步，所述核心芯片组包括主处理器CPU，多媒体信息协处理器，高速接口控制器，存储器件控制器，SIM控制器，只读存储器(ROM)，静态存储器(SRAM)，快闪存储器(FLASH)，硬件加速器。
一种在智能卡内部实现电源管理的方法，该方法首先将外部电源电压施加到封装在智能卡内部的电源管理单元上，然后通过电源管理单元对电压进行转换操作，将智能卡外部的电源转换成为卡片内部核心芯片组及周边用电元件各自工作所需的工作电源。
进一步，所述的电源管理单元为线性稳压器LDO、DC-DC转换器或升压电荷泵当中的一种。电源管理单元对电压的转换操作包括电压的升高或电压的降低。
本发明的有益效果在于通过本发明所提供的在内部实现电源管理的智能卡，可以将卡外的电源转换成为卡内核心芯片组及周边用电元件的工作电源；使智能卡可以与满足ISO7816-3标准的终端设备直接连接使用，而不需要终端设备对智能卡的工作电压进行判断识别；同时，该智能卡可为内部的核心芯片组及周边用电元件提供多路(或一路)不同(或相同)电压值(或负载值)的工作电源，当智能卡与正向超过标准电源范围的终端设备连接时，保护智能卡不被烧毁，当智能卡与负向超过标准电源范围的终端设备连接时，维持智能卡的正常工作。
图1为终端设备处理卡电源电压选择的状态图(说明状态机如何选择卡所需的最低工作电压)。
图2在智能卡内部实现电源管理的方法结构示意图。
图3为本发明所述实施例中电源管理模块PMU的结构示意图。
图4为智能卡内部采用线性稳压器(LDO)实现电源管理的电路图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详写描述。
如图2所示，以SIM卡为例，在内部实现电源管理的智能卡1的具体组成如下电源管理单元2在智能卡1内部，其输入端通过智能卡的电源触点与卡片外的电源连接，输出端与智能卡1内部核心芯片组及周边用电元件的电源引脚连接。电源管理单元2应当能够将智能卡1外部的电源转换成为卡片内部核心芯片组及周边用电元件3工作所需的电源。
核心芯片组及周边用电元件3在智能卡内部，包括主处理器CPU，多媒体信息协处理器，高速接口控制器，存储器件控制器，SIM控制器，只读存储器(ROM)，静态存储器(SRAM)，快闪存储器(FLASH)，其他硬件加速器等。核心芯片组应当能够完成SIM卡的通信功能和信息处理功能，可以由一块芯片或多块芯片组成。核心芯片组由电源管理单元提供工作电源，不与智能卡外部的电源直接连接。周边元器件是包括电容、电感、电阻等在内的核心电路周边元件。能够起到保护电路的作用，同样安放在印刷电路板上，与相关芯片的引脚连接，并被封装在智能卡内部。
印刷电路板(PCB)作为智能卡内多块芯片的承载体，本发明所提出的智能卡应该包括一块薄型的印刷电路板(PCB)，该PCB板应具有一定的强度，并且厚度可以满足被封装在SIM卡内部。该PCB板应具有适当的布线，结合安放在PCB板上的多块芯片的位置，将这些芯片需要互联的引脚通过印刷线路进行连接。
封装形式本发明所提出的智能卡的外观，符合ISO/IEC 7816-1标准的相关规定，采用8个金属触点的接触式SIM卡封装形式。8个金属触点可以支持本发明所提出的智能卡与终端设备进行连接。
从智能卡外部电源环境角度分析，智能卡在手持设备上采用锂电池供电，在台式设备上一般是直流稳压电源供电，所以智能卡的外部电源电压范围是2.7V至5.5V之间。
从智能卡内部核心芯片组及周边用电元件的工作电压分析，以最复杂的SOC(片上系统)级芯片为例，其CPU及主控制器部分的电路工作电压为2.5V，存储器电路的工作电压可以是3V或1.8V。
以上两点要求智能卡内的电源管理器件可以通过电源转换，从外部电源为内部核心芯片组及周边用电元件供电。同时，因为要在智能卡内部实现电源管理，因此必须选择能够在硅裸片(DIE)上实现的方案。这就要求工作时既不能有电压尖峰同时又要能实现精确调整及低纹波。最重要的是，电路必须满足所有EMV规范，尤其是电源下降序列、电源关断时序及输出短路电流。
经过选型，有3类电源管理器件可以满足上述要求线性稳压器(LDO)、DC-DC转换器和升压电荷泵(CHARGE PUMP)。其中线性稳压器(LDO)输入输出的噪音很小，电路相对简单易实现，但只具有降低电压的转换功能，只有在核心芯片组及周边用电元件的工作电压低于智能卡外部电源的情况下适用，并且随着输入输出电压差值的增加，转换效率将逐渐降低；DC-DC转换器可以进行升高和降低电压的操作，常用在移动通信终端设备中对智能卡(SIM卡)进行电源管理，在手机的通话模式下通常有着高于90％的高效率，但外围需要连接电感器件，因此输出噪音很大，电路较复杂；电荷泵(CHARGE PUMP)的功能与DC-DC转换器相似，但是外围不需要连接电感，输出噪音较DC-DC小，但是效率通常不高，仅为60％左右。
本实施例，以采用线性稳压器(LDO)的方案为例，提出了一种可以在内部进行电源管理的智能卡。
表2.智能卡内部多路输出电源管理单元的引脚功能(以双路输出为例)
首先根据图3、图4，本发明所应用的环境是具有两个半导体用电元件的智能卡系统。
其中，PMU(U1)是智能卡内部的电源管理单元，连接智能卡外部供电设备，为智能卡内部的半导体用电元件提供适配的电源，并保护智能卡内部用电元件不被电学烧毁，其结构如图3所示。
CONTROLER(U2)是智能卡内部的控制芯片，是片上系统(SOC)级别的大规模半导体集成电路，包含主处理器，多媒体信息协处理器，高速接口控制器，存储器件控制器，SIM控制器，只读存储器(ROM)，静态存储器(RAM)，快闪存储器(FLASH)，其他硬件加速器等核心逻辑电路。正常工作时需要3.0V，正负10％的工作电压。
NAND_FLASH_X8(U3)是智能卡内部存储单元，是半导体元件，可以与CONTROLER集成在同一块芯片上，也可以采用独立的硅裸片(DIE)与CONTROLER芯片一起封装在智能卡内。正常工作时需要1.8V，正负10％的工作电压。
电容C1、C2、C3是滤波器件，接在PMU(U1)的输入和输出端，在输入、输出端进行滤波以提高输出电压的质量。
为保证智能卡正常工作，按照如下描述搭建电路将PMU(U1)的输入端(VIN)与智能卡标准触点C1相连，地(GND)与智能卡标准触点C5相连，并通过智能卡触点连接智能卡外部的电源设备；将PMU(U1)的使能信号端(EN1/EN2)与VIN连接，以使PMU的两路输出有效；将PMU(U1)的输出一(OUT1)与NAND_FLASH_X8(U3)的VDD连接，将NAND_FLASH_X8(U3)的VSS与智能卡标准触点C5相连，并由PMU的输出一(OUT1)为NAND_FLASH_X8(U3)提供工作电源；将PMU(U1)的输出二(OUT2)与CONTROLLER(U2)的VDD连接，并将CONTROLLER(U2)的VSS与智能卡标准触点C5相连，并由PMU的输出二(OUT2)为CONTROLLER(U2)提供工作电源；
将按照上述连接方式搭建的电路，封装成为具有8个金属触点的智能卡，外观满足ISO 7816-1的相关规定，可以通过插入标准的SIM卡座被终端设备识别并正常工作。同时，内置的电源管理单元，可以对SIM卡内的芯片供电，并能分别提供1.8V和3V的工作电压。
如上所述智能卡外部电源设备不能与智能卡内部用电元件直接连接，而是通过智能卡内部电源管理单元PMU(U1)为智能卡内部用电元件供电。当智能卡外部电压在2.7V～5.5V区间变化时，可以通过PMU(U1)为智能卡内部的用电元件供电；当外部电压超出标准范围或负载电流超出PMU负载上限时，PMU(U1)将关断，并保护智能卡内部核心芯片组及周边用电元件不被电学烧毁。
考虑到在此公开的对本发明的描述和特殊的实施例，本发明的其他实施例对于本领域的技术人员来说是显而易见的。这些说明和实施例仅作为例子来考虑，它们都属于由所附权利要求所指示的本发明的保护范围和精神之内。
权利要求
1.一种在内部实现电源管理的智能卡，包括由印刷电路板承载的核心芯片组，其特征在于在智能卡内部还设有电源管理单元，所述的电源管理单元的输入端通过智能卡的电源触点与卡片外的电源连接，输出端与智能卡内部核心芯片组及周边用电元件的电源引脚连接，从而能够将智能卡外部的电源转换成为卡片内部核心芯片组及周边用电元件各自工作所需的工作电源。
2.根据权利要求1所述的在内部实现电源管理的智能卡，其特征在于所述的智能卡包含GSM系统中的SIM卡、CDMA系统中UIM卡、PHS系统中的PIM卡以及3G系统中的USIM卡。
3.根据权利要求1或2所述的在内部实现电源管理的智能卡，其特征在于所述的电源管理单元为线性稳压器LDO、DC-DC转换器或升压电荷泵当中的一种。
4.根据权利要求1或2所述的在内部实现电源管理的智能卡，其特征在于所述印刷电路板上还设有与相关芯片的引脚连接、起保护电路作用的核心电路周边元器件。
5.根据权利要求4所述的在内部实现电源管理的智能卡，其特征在于所述核心电路周边元器件包括与相关芯片引脚连接的电容、电感、电阻。
6.根据权利要求5所述的在内部实现电源管理的智能卡，其特征在于电源管理单元、核心芯片组、印刷电路板和核心电路周边元器件通过8个金属触点的接触式SIM卡封装形式整体封装在智能卡内。
7.根据权利要求6所述的在内部实现电源管理的智能卡，其特征在于所述核心芯片组包括主处理器CPU，多媒体信息协处理器，高速接口控制器，存储器件控制器，SIM控制器，只读存储器，静态存储器，快闪存储器，硬件加速器。
8.一种在智能卡内部实现电源管理的方法，其特征在于该方法首先将外部电源电压施加到封装在智能卡内部的电源管理单元上，然后通过电源管理单元对电压进行转换操作，将智能卡外部的电源转换成为卡片内部核心芯片组及周边用电元件各自工作所需的工作电源。
9.根据权利要求8所述的在智能卡内部实现电源管理的方法，其特征在于所述的电源管理单元为线性稳压器LDO、DC-DC转换器升压电荷泵当中的一种。
10.根据权利要求8或9所述的在智能卡内部实现电源管理的方法，其特征在于电源管理单元对电压的转换操作包括电压的升高或电压的降低。
全文摘要
本发明属于集成电路芯片/智能卡设计技术领域，特别涉及一种在卡内部进行电源管理的智能卡及电源管理的方法。该智能卡包括由印刷电路板承载的核心芯片组及周边用电单元，在智能卡内部还设有电源管理单元，电源管理单元的输入端通过智能卡的电源触点与卡片外的电源连接，输出端与智能卡内部核心芯片组及周边用电元件的电源引脚连接，从而能够将智能卡外部的电源转换成为卡片内部核心芯片组及周边用电元件工作所需的电源。本发明使智能卡可以与满足ISO7816－3标准的终端设备直接连接使用，而不需要终端设备对智能卡的工作电压进行判断识别；同时，该智能卡可为内部的用电元件提供多路(或一路)不同(或相同)电压值(或负载值)的工作电源。
文档编号G06K19/07GK1904913SQ20061008898
公开日2007年1月31日 申请日期2006年7月28日 优先权日2006年7月28日
发明者王鹿童, 詹志勇, 支军 申请人:凤凰微电子(中国)有限公司