用于智能卡供电的集成式DC/DC转换器设计

针对智能卡供电，本文提出了一种集成式DC/DC转换器结构并分析了它的工作原理。该系统效率可达到85%，拥有足够的鲁棒性，可满足所有复杂的ISO7816-3规范，并已通过EMV和EMV Co认证程序1级和2级认证。该结构特别适用于便携式收款机(POS)等智能卡应用。

　　智能卡的工作电压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将上述任何一种电源和主MPU适配。电源必须保持表1中规定的工作条件。另外，电源必须能在750μs内断开和卡的连接，特别是在带电拔出卡时。

除了静态工作以外，在负载为100mA/400ns脉冲状态下，电源可把输出电压保持在容限以内。这样的要求涉及到系统工作状态，而不仅仅是电源。

　　DC/DC转换器

　　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，智能卡接口必须高效处理大的输入电压范围并具有高效率。基本上，只要能为卡提供所需的电源，它能以任何类型的结构来实现。如可以设计成一种基于开关电容的转换器，但是考虑到便携式POS系统时，其有限的效率成为一个关键问题。对于GSM应用则不同，因为输出功率限制为50mW，因而在无线电话PCB上优先考虑这种基于电容的结构，以节约空间。

　　考虑到对于POS机便携式模块，节能是关键问题，因而优先考虑基于电感的结构，以尽量提高效率。实际上，在输出功率高达300mW的情况下，电感结构在整个工作电压范围内的效率可以达到85%，这是低成本开关电容技术难以达到的水平。

　　另一方面，因为输入电压可以从最低2.70V到最高5.50V(在电池快用完或在电池充电后)，该结构必须自动地、无需调整地从升压转换到降压工作，反之亦然。图1描述的概念已经得到开发，以满足这些要求，在设计中以保持EMV认证成为主要的目标。

在硅裸片中实现的真实系统更加复杂，因为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。

　　为达到这些要求，图2所示的转换器增加了几个额外的NMOS及PMOS晶体管。

该系统按照两周期的概念运行(所有注释请参见图2及图3)，并带有考虑了智能卡要求的特殊结构：

　　周期1：Q1及Q4开通，且电感L1由外接电池来充电。在此阶段，Q2/Q3及Q5/Q6关断。

　　流经Q1及Q4两个MOSFET的电流在内部被监视，并在达到Ipeak值(峰值电流，取决于可编程输出电压值)时关断。在这一点上，周期1完成而周期2开始。"开通"时间是电池电压及引脚10与11之间所连接的电感网络值(L及Zr)的函数。

　　为防止出现不受控运行，4μs暂停结构可确保系统在过载或低电池输入情况下只在连续的周期1环路内运行。

　　周期2：Q2及Q3开通，且存储在电感L1中的能量通过Q2转移到外接负载。在此阶段，Q1/Q4及Q5/Q6关断。电流流通周期是900ns恒定值(典型值)，如果CRD_VCC电压低于规定值，在这段时间以后重复周期1。

　　当输出电压达到规定值(1.80V、3.0V或5.0V)时，Q2与Q3立即关断，以免在输出负载上产生过压。与此同时，两个额外的NMOS--Q5及Q6开通，以便完全放掉存储在电感中的电流，避免在系统上产生振铃及电压尖峰。图3给出了DC/DC转换器的理论波形。

当CRD_VCC被编程为0V，或当智能卡从插座中拔出时，有源下拉Q7迅速对输出储能电容进行放电，确保当卡在ISO触点上滑行时输出电压低于0.40V。由于Q7的导通电阻低，输出电压在不到100μs的时间内即迅速下降至400mV，远低于EMV规定的最大值750μs。

　　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。