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智能卡供电的集成式DC/DC转换器设计

2015-05-19 14:19
野明月
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  输出电压纹波,尽管ISO7816-3或EMV未直接规定,但它在智能卡的运行中扮演重要角色。其峰峰值取决于以下两个主要电参数:

  1.在输出硅结构及净储能电容之间的总串联电阻;

  2.稳压,即检测带最小门限及滞后的输出电压的能力。

  第一个参数取决于芯片与外界相连的内部焊接线、连接储能电容串联电阻的引脚接点以及用于连接引脚到负载的印刷电路板铜导线。当大电流通过引脚时,广泛采用多焊接线技术,以将串联电阻减少至50m(,或者如果使用更宽的焊接线,则电阻值更低。

  印刷电路板走线的宽度可根据给定应用所需的电流处理需要而定。此外,该串联电阻会是一个问题,因其牵涉到的外部无源元件随不同应用变化很大。最关键的部分是储能电容,因为(基于经济的原因)一般首选低成本类型,但这又会产生几乎不可能完全消除的高电压尖峰。

  根据用于开发电容的技术类型,寄生元件可能拥有相对较高的值,会产生较大的不可控制的尖峰。如图4所示,此等效串联电阻(ESR)非常容易引起此类尖峰,因为电源电流会直接流过它,并将高电压脉冲带入输出源中。

  基于在NCN6001和NCN6004A特性化中进行的实验,最佳的方案是使用两个并联的4.7μF/10V/陶瓷/X7R电容来实现CRD_VCC滤波。ESR在整个温度范围内不超过50m?,而且标准元件的组合提供一个可以接受的-20%到+20%的容差,成本增加有限。表2给出了最常用电容类型的大致比较。图5显示了对于进行输出电压滤波的不同电容类型,NCN6001或NCN6004A演示板上观察到的CRD_VCC纹波。在上面曲线上观察到的较大且快速的瞬变是非常难以滤除的,因为它们的能量很高。很清楚,铝电容不适合这类应用,应该避免使用。

  第二个参数取决于内部比较器的性能、电压参考容限和数字处理。电压参考从一个精确稳定的带隙电路中引出,产生±3%的容差。另一方面,模拟功能的偏差和漂移通过高端集成技术减小。详细分析直流/直流的工作有助于理解每个元件对于输出电压纹波的影响 (参见图2和图6)。

  在工作中,电感电流在Iv和Ip值之间交替改变,如图6所示。当系统从周期#1反转变为周期#2时,电感中积累的能量传输到负载,而储能电容电压随着能量向它转移而增加。

  令k=R1/(R1+R2)。当Vo大于k*Vref时,内部比较器U1翻转,在时间t1输出电流降为零。相应的,输出电容中载有之前存储在电感中的全部能量,而且输出电压保持增加到参数k*Vref规定的参考值以上。最终电压Vohp代表高端纹波幅度。

  此时,输出电压开始下降(因为电感中不再有能量供出),而且根据负载决定的时间t2,比较器会在Vo小于k*Vref时翻转。直流/直流转换器继续周期#1工作,但是输出电压继续下降,因为要达到Ip电流值(时间t3)需要更多的时间,而且电感从零开始充电 。最后,达到纹波幅度的低端Volp时,周期#2开始一个新的周期。图6的波形图描述了这个机理。

  本文结论

  在工作条件中效率为85%的DC/DC转换器被开发应用于智能卡供电,可满足所有复杂的ISO7816-3规范。该系统拥有足够的鲁棒性,可以在负载从零到峰值快速变化时防止系统锁存,即使电池在输入电压范围的任何一端时也可以实现。另外,短路电流保护避免了任何热失控,因为过载电流触发点会随着温度的升高而减少。这种结构已经通过EMV和EMV Co认证程序1级和2级认证,包括EMV2000协议。

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