現(xiàn)代支付系統(tǒng)的移動(dòng)性越來(lái)越強(qiáng)，因此，電力非常寶貴。非接觸式支付技術(shù)需要強(qiáng)大的功率來(lái)激勵(lì)運(yùn)營(yíng)量并為呈現(xiàn)給它的任何支付卡供電。本應(yīng)用筆記介紹了使用Maxim Secure NFC微控制器可顯著降低支付系統(tǒng)功耗要求的想法。這些方法都用圖表詳細(xì)說(shuō)明，這些圖表顯示了每個(gè)方法在實(shí)際系統(tǒng)上的當(dāng)前使用情況。還提供了應(yīng)用程序代碼。

介紹

移動(dòng)智能手機(jī)使用的爆炸式增長(zhǎng)及其不斷擴(kuò)展的功能改變了支付世界。除了希望用手機(jī)支付商品的客戶之外，零售商和服務(wù)提供者還必須能夠在新的和通常的地方、食品卡車、房屋甚至高速公路邊接受付款。與所有電池供電設(shè)備一樣，這些移動(dòng)支付系統(tǒng)在兩次充電之間可以運(yùn)行的時(shí)間是一個(gè)持續(xù)的挑戰(zhàn)。

與長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行直接相反，非接觸式（NFC）支付技術(shù)需要強(qiáng)大的功率來(lái)為現(xiàn)場(chǎng)任何卡（PICC）或移動(dòng)電話供電。近年來(lái)，EMV非接觸式規(guī)范的變化進(jìn)一步增加了所需的功率，而現(xiàn)代緊湊型設(shè)計(jì)減小了天線尺寸并增加了現(xiàn)場(chǎng)的RF負(fù)載。

這種功率雖然很大，但只是對(duì)系統(tǒng)電池的一個(gè)需求。處理器、LCD、無(wú)線通信（Wi-Fi、藍(lán)牙、蜂窩）、熱敏收據(jù)打印機(jī)等都在爭(zhēng)奪電池電量。加熱是大功率使用的另一個(gè)重要考慮因素，移動(dòng)系統(tǒng)通常密封嚴(yán)密，以幫助保護(hù)它們免受環(huán)境問(wèn)題的影響，并且只能通過(guò)其框架和外殼散熱。

本應(yīng)用筆記探討了降低Maxim安全NFC微控制器非接觸式接口功耗的方法。

低功耗輪詢

許多銷售點(diǎn) （POS） 終端固定在一個(gè)位置，并且始終連接到電源。這些系統(tǒng)通常使用全速應(yīng)用程序輪詢，因?yàn)楣β适菬o(wú)限的，但對(duì)于移動(dòng)支付系統(tǒng)，電源使用至關(guān)重要。移動(dòng)系統(tǒng)必須考慮系統(tǒng)的所有功率需求。但是，本應(yīng)用筆記僅考慮NFC接口。

輪詢基礎(chǔ)知識(shí)

輪詢是NFC讀卡器在其工作卷中查找卡的過(guò)程。在一個(gè)典型的例子中，讀卡器激活該字段，然后必須等待5.1ms才能使存在的卡通電。在此之后，為A型卡發(fā)送喚醒命令（WUPA），然后在另外5.1ms后，發(fā)送B型卡的喚醒命令（WUPB）。假設(shè)沒(méi)有卡響應(yīng)這些命令，讀卡器將關(guān)閉該字段?？偟膩?lái)說(shuō)，這個(gè)過(guò)程需要~11.2ms。圖 1 顯示了基本的輪詢過(guò)程。

圖1.基本輪詢。

電流消耗

由于NFC并不總是處于活動(dòng)狀態(tài)，因此平均功耗是關(guān)鍵指標(biāo)。功率的基本公式是：

P = IV

V（電壓）在這里可以被認(rèn)為是固定的，因此I（電流）與功耗有直接關(guān)系。圖 2 顯示了輪詢時(shí)使用的電流的簡(jiǎn)單視圖。

圖2.輪詢功耗周期。

有兩種狀態(tài);活動(dòng)（輪詢）和非活動(dòng)（關(guān)閉電源）。要計(jì)算輪詢時(shí)使用的平均電流，請(qǐng)比較磁場(chǎng)處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)和不活動(dòng)時(shí)的占空比。顯然，更多的活動(dòng)時(shí)間意味著更高的電流消耗。這可以使用以下公式計(jì)算：

典型工作電流

非接觸式接口具有幾種不同的電源域或電源軌：

數(shù)字：數(shù)字基帶 （DBB）、寄存器、狀態(tài)機(jī)等，通過(guò) V 供電主要

模擬接收：模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）、混頻器等通過(guò) V 供電DD_RF_RX和 VDD_RF_1V

模擬傳輸：通過(guò)V供電的功率放大器等DD_RF_TX

到目前為止，該發(fā)射器消耗的功率最多，在 365.3V 或 3.1 W 時(shí)的典型有效工作電流為 2mA。每個(gè)系統(tǒng)的發(fā)射器實(shí)際消耗的電流都不同，因?yàn)橥ㄟ^(guò)EMC濾波器，天線匹配電路以及最后的天線的外部連接對(duì)于每個(gè)系統(tǒng)都是唯一的。同樣，天線附近的外部負(fù)載（例如大型金屬部件）會(huì)增加發(fā)射場(chǎng)感知的負(fù)載。

本應(yīng)用筆記僅考慮發(fā)射軌及其相關(guān)功率。當(dāng)不主動(dòng)傳輸時(shí)，所有非接觸式電源在掉電模式下的功耗為數(shù)據(jù)手冊(cè)參數(shù)：IDDA_RF_PD4.4μA（典型值）但是，發(fā)射軌上的電流在未傳輸時(shí)實(shí)際上為零，因此假設(shè)在磁場(chǎng)未通電時(shí)沒(méi)有功耗。

低功耗輪詢的概念

輪詢期間所用功率的總體減少來(lái)自最小化活動(dòng)傳輸時(shí)間。系統(tǒng)沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)傳輸?shù)臅r(shí)間越長(zhǎng)，使用的功率就越少。但是，如果系統(tǒng)延遲過(guò)度，則會(huì)影響客戶體驗(yàn)。系統(tǒng)不應(yīng)讓客戶感到緩慢。理想情況下，低功耗輪詢必須在最小化功耗和保持合理的客戶體驗(yàn)之間取得平衡。

本應(yīng)用筆記介紹了兩種減少活動(dòng)輪詢時(shí)間的機(jī)制：

降低輪詢率。

減少在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)卡片的時(shí)間。

系統(tǒng)可用于降低輪詢功耗的另一種方法是僅在預(yù)期付款時(shí)啟用輪詢。例如，只有在賣方將銷售金額輸入POS并將設(shè)備交給付費(fèi)客戶后，才能激活輪詢。如果首先激活備用支付界面、聯(lián)系人卡或磁條等，也可以禁用它。此方法特定于應(yīng)用，超出了本應(yīng)用筆記的范圍。

降低輪詢率

減少輪詢頻率是降低功耗的最明顯方法。所需要的只是在順序輪詢嘗試之間添加可編程延遲?；叵胍幌?，標(biāo)準(zhǔn)輪詢需要 ~11.2ms，然后持續(xù) ~5.1ms 的 NFC 復(fù)位，然后再重復(fù)序列。

在未檢測(cè)到卡的輪詢嘗試之后，POS 可以簡(jiǎn)單地禁用該字段，并延遲或休眠一段時(shí)間，而不是繼續(xù)輪詢。此非活動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，消耗的平均輪詢功率就越低。但是，如前所述，系統(tǒng)不應(yīng)過(guò)度延遲，因?yàn)檫@會(huì)對(duì)客戶體驗(yàn)產(chǎn)生負(fù)面影響。

本應(yīng)用筆記選擇400ms的輪詢間延遲，作為節(jié)能和客戶體驗(yàn)之間的良好折衷。此值是支付應(yīng)用程序可以并且應(yīng)該作為整體系統(tǒng)優(yōu)化的一部分進(jìn)行調(diào)整的起點(diǎn)。例如，系統(tǒng)可能愿意在輪詢嘗試之間忍受更長(zhǎng)的時(shí)間，以節(jié)省更多電量，但代價(jià)是迫使客戶將卡保留更長(zhǎng)時(shí)間。

減少卡片檢測(cè)時(shí)間

此方法更復(fù)雜，應(yīng)與降低的輪詢速率結(jié)合使用。這個(gè)想法是在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)潛在的卡，而無(wú)需花費(fèi)完整的~11.2ms的EMV輪詢時(shí)間。如果通過(guò)此方法檢測(cè)到潛在的卡，則讀卡器將繼續(xù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)激活，以確定它是否是實(shí)際的支付卡。如果未檢測(cè)到潛在的卡，則會(huì)盡快禁用該字段。

為此，Maxim的安全NFC微控制器利用現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)（FD）功能。主動(dòng)傳輸此特征時(shí)，對(duì)場(chǎng)進(jìn)行采樣并確定其近似水平。這可以在比等待所需的通電時(shí)間和發(fā)送 WUPA/WUPB 命令更短的時(shí)間內(nèi)完成。當(dāng)卡進(jìn)入讀卡器的工作音量時(shí)，當(dāng)其天線等開(kāi)始從現(xiàn)場(chǎng)收集功率時(shí)，它會(huì)略微降低場(chǎng)電平。卡通常放置在場(chǎng)上的負(fù)載越大，卡離天線越近。

不同的牌在場(chǎng)上呈現(xiàn)不同的負(fù)載。有些可能只將場(chǎng)減少幾個(gè)FD最低有效位（LSB）。為了最大限度地提高FD特性的靈敏度，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的天線匹配階段，必須注意正確設(shè)置接收器分壓電阻，并可能調(diào)整接收器衰減。目標(biāo)是在字段為空時(shí)使測(cè)量的FD水平盡可能接近最大值255，而不會(huì)超過(guò)該最大值。

注意：如果呈現(xiàn)給接收器的場(chǎng)電平太大，則無(wú)論現(xiàn)場(chǎng)卡的負(fù)載如何，它都可能始終將 255 報(bào)告為 FD 電平。

此外，如果磁場(chǎng)測(cè)量的數(shù)值較低，例如空時(shí)為100，則檢測(cè)靈敏度要低得多，并且可能根本無(wú)法檢測(cè)到潛在的卡，或者僅在非?？拷x卡器天線時(shí)才檢測(cè)到。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱 PCD 天線匹配指南和 AFE 調(diào)諧指南。

為此，首先必須對(duì)字段進(jìn)行采樣以確定空字段級(jí)別。對(duì)于本應(yīng)用筆記，這是通過(guò)在首次激活示例時(shí)對(duì)場(chǎng)進(jìn)行5次采樣來(lái)完成的，并對(duì)場(chǎng)電平進(jìn)行平均和記錄。

隨后的卡檢測(cè)嘗試會(huì)激活測(cè)量當(dāng)前FD水平的字段。如果當(dāng)前字段始終低于記錄的空字段級(jí)別，則表示字段中存在潛在卡，并且完全激活繼續(xù)進(jìn)行。

程序：

如上所述，建立空字段 FD 閾值。

輪詢間延遲后，激活讀取器的射頻場(chǎng)。用于此目的的RF驅(qū)動(dòng)器例程還初始化外設(shè)并執(zhí)行各種校準(zhǔn)程序。

測(cè)量FD水平。

停用射頻場(chǎng)。

將測(cè)量的FD水平與空閾值進(jìn)行比較，如果測(cè)量的水平較低，則繼續(xù)執(zhí)行完整的EMV輪詢程序以激活并在潛在卡上操作。

開(kāi)始輪詢間延遲并返回到步驟 2 或停止輪詢，具體取決于應(yīng)用程序要求。

應(yīng)用程序與 EMV 認(rèn)證輪詢

重要的是要注意，EMV 1 級(jí)測(cè)試所需的輪詢方法與應(yīng)用程序中應(yīng)使用的輪詢方法不同。所需的輪詢例程由 EMV 的設(shè)備測(cè)試環(huán)境 （DTE） 規(guī)范指定，以滿足測(cè)試工具要求。具體而言，如果在字段中找不到卡，則認(rèn)證輪詢不會(huì)發(fā)出重置。它只是發(fā)送另一輪 WUPA 和 WUPB 命令，而無(wú)需交錯(cuò)重置。

注意：NFC 重置程序?qū)⑼耆迷撟侄?5.1 毫秒，足以讓存在的卡斷電和上電復(fù)位 （POR）。

認(rèn)證輪詢僅在檢測(cè)到問(wèn)題（如碰撞等）或測(cè)試計(jì)算機(jī)本身指示時(shí)重置字段。如果未檢測(cè)到卡，應(yīng)用程序輪詢將重置該字段。因此，認(rèn)證輪詢使用最高的功率。

設(shè)備自加熱

激活RF場(chǎng)可能會(huì)消耗大量功率，根據(jù)系統(tǒng)配置，可提供高達(dá)1.2W或更高的功率。雖然發(fā)射器阻抗很小，但通道超過(guò)一安培會(huì)導(dǎo)致器件自熱。隨著器件升溫，為磁場(chǎng)供電的晶體管效率降低，導(dǎo)致磁場(chǎng)強(qiáng)度略有降低。建議打開(kāi)和關(guān)閉場(chǎng)的占空比，以減輕這種自發(fā)熱。

將器件置于安全網(wǎng)狀或外殼內(nèi)的系統(tǒng)安全要求可能會(huì)進(jìn)一步阻礙安全微控制器的器件散熱。

即使使用基本的低功耗輪詢，也可以減少由于自發(fā)熱而導(dǎo)致的任何問(wèn)題。但是，EMV認(rèn)證測(cè)試需要最高功率輪詢。如果磁場(chǎng)保持開(kāi)啟時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，熱量可能會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)強(qiáng)度略有降低。如果場(chǎng)強(qiáng)余量不足，則可能會(huì)發(fā)生測(cè)試失敗?？傮w而言，強(qiáng)烈建議在EMV認(rèn)證期間，在沒(méi)有主動(dòng)執(zhí)行測(cè)試時(shí)禁用該字段，并在必要時(shí)暫停測(cè)試并定期禁用該字段以允許設(shè)備冷卻。

熱參數(shù)

熱阻（θ和） 表示 NFC 發(fā)射器附近的芯片面積略高于數(shù)據(jù)手冊(cè)中 169 引腳球柵陣列 （BGA） 封裝中詳細(xì)描述的 21°C/W 與 18.75°C/W 的芯片面積。 結(jié)溫的預(yù)測(cè)取決于功耗?；叵胍幌拢?/p>

TJ= T一個(gè)+ （i和× PD)

其中 TJ為結(jié)溫，T一個(gè)為環(huán)境溫度，PD是封裝中耗散的功率。因此，功耗直接決定了結(jié)溫。電源由 V 提供DD_RF_TX電源軌為 3.3V。消耗的電流取決于幾個(gè)變量，例如外部天線匹配、所選驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度和工作占空比。傳輸驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度由最終應(yīng)用軟件選擇，但它通常是可能的最大驅(qū)動(dòng)。工作占空比之前已經(jīng)討論過(guò)，它與功耗有直接的線性關(guān)系，即，如果只在25%的時(shí)間內(nèi)處于活動(dòng)狀態(tài)，則功耗僅為25%，溫度升高僅為25%。應(yīng)注意保證器件在任何較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)不超過(guò) 125°C 的絕對(duì)最大結(jié)溫。

外部天線匹配

外部EMC濾波器、匹配網(wǎng)絡(luò)和PCD天線的阻抗是影響發(fā)射器功耗的重要因素。圖3顯示了輸入阻抗的簡(jiǎn)化概述（R在） 由發(fā)射器驅(qū)動(dòng)程序看到。

圖3.發(fā)送驅(qū)動(dòng)器看到的輸入阻抗。

注：R在是一種復(fù)阻抗，由網(wǎng)絡(luò)中的所有組件決定，包括電阻器、電容器、電感器和天線線圈。

阻抗應(yīng)使用13.56MHz的網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量。理想情況下，當(dāng)安裝在最終系統(tǒng)組件中時(shí)，應(yīng)測(cè)量該阻抗，因?yàn)楦浇膶?dǎo)電材料會(huì)影響結(jié)果。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱PCD天線匹配指南。

確定 R 后在，可以使用以下公式估計(jì)電流消耗，該公式確定為圖4所示數(shù)據(jù)的擬合線。

我德克薩斯州= 754.95 × R在?0.513

圖4.阻抗與發(fā)射電源電流的關(guān)系

電源使用比較

下圖顯示了 V 的當(dāng)前使用情況DD_RF_TX在各種輪詢程序中。表 1 顯示了每種電源的比較。這些電流圖是使用吉時(shí)利 DMM7510 萬(wàn)用表捕獲的，并使用 python 腳本繪制。每個(gè)圖都使用不同版本的卡片檢測(cè)，可以直觀地看到。找到卡后，應(yīng)用程序開(kāi)始完全激活（WUPA，ANTICOLLISION，SELECT，RATS），最后發(fā)送接近支付系統(tǒng)環(huán)境應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PPSE APDU）。從響應(yīng)應(yīng)用程序協(xié)議數(shù)據(jù)單元 （RAPDU） 響應(yīng)中，檢索應(yīng)用程序標(biāo)識(shí)符代碼 （AID）。某些卡還包含卡名稱的字符串，但如果沒(méi)有，則會(huì)從已知卡類型的表中查找 AID。在每個(gè)圖中，顯示了幾次輪詢嘗試，但沒(méi)有找到卡，然后是完整的激活序列和PPSE APDU交換。

EMV L1 認(rèn)證輪詢

圖 5 顯示了 EMV L1 認(rèn)證期間使用的輪詢。

注意：WUPA 和 WUPB 的前 2 個(gè)序列未找到卡片，但第三個(gè) WUPA 獲得有效響應(yīng)。

這將開(kāi)始激活序列和 AID 檢索。有趣的是，在這些命令之后甚至可以看到卡（PICC）響應(yīng)，因?yàn)殡娏鞯淖兓〉枚唷PSE完成后，卡將被重置。

注意：此序列僅用于演示目的，實(shí)際的支付序列包括更多的APDU交換，并且最后可能會(huì)刪除過(guò)程。

圖5.帶有命令標(biāo)簽的 EMV L1 認(rèn)證輪詢。

持續(xù)輪詢

此輪詢變體不斷輪詢進(jìn)入字段的卡。但是，與認(rèn)證輪詢相比，在未找到卡后，將重置該字段。圖 6 顯示了可以識(shí)別檢測(cè)周期的當(dāng)前使用情況，即字段兩次激活之間的時(shí)間?；叵胍幌伦侄未蜷_(kāi) 5.1 毫秒的激活要求，然后是 WUPA，另一個(gè) 5.1 毫秒延遲然后是 WUPB。在對(duì)任何一個(gè)都沒(méi)有響應(yīng)后，該字段將重置為 5.1 毫秒。檢測(cè)周期為17.6ms，非活動(dòng)時(shí)間為5.1ms。這表示活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)占空比為 71%，而認(rèn)證輪詢?yōu)?100%。

圖6.持續(xù)輪詢。

基本低功耗輪詢

在這里，我們降低系統(tǒng)的輪詢速率以降低功耗。輪詢的進(jìn)行方式與上一個(gè)示例中的相同。但是，在未找到卡后，該字段不會(huì)發(fā)出 5.1ms 的重置，而是停用。禁用該字段時(shí)，應(yīng)用程序會(huì)延遲或休眠 400 毫秒，然后重復(fù)該序列。400ms 是讀取響應(yīng)能力和大量節(jié)能之間的良好折衷。圖 7 顯示了此輪詢方案的當(dāng)前圖。這顯然比持續(xù)輪詢消耗更少的功率。檢測(cè)周期從 17.6ms 增加到 412ms，但非活動(dòng)時(shí)間從 5.1ms 增加到 400ms。這表示活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)占空比為 2.9%，而持續(xù)輪詢?yōu)?71%。

圖7.基本低功耗輪詢。

現(xiàn)場(chǎng)級(jí)卡檢測(cè)

此方法通過(guò)減少檢測(cè)卡所需的活動(dòng)場(chǎng)時(shí)間，擴(kuò)展了先前方法提供的節(jié)能效果。它不使用完整的 ~11.2ms 輪詢序列，而是僅激活字段足夠長(zhǎng)的時(shí)間以測(cè)量字段電平。如果級(jí)別低于檢測(cè)閾值，它將開(kāi)始正常輪詢序列以處理卡。有關(guān)此方法的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱減少卡檢測(cè)時(shí)間部分。使用這種方法，系統(tǒng)只需要激活 657us 的字段，與 17.11ms 的標(biāo)準(zhǔn)輪詢時(shí)間相比，這是一個(gè)巨大的改進(jìn) （2x）。這意味著有效現(xiàn)場(chǎng)占空比僅為0.16%，而基本低功耗輪詢?yōu)?.9%。為了進(jìn)一步減少這種有源場(chǎng)時(shí)間，未來(lái)版本的RF驅(qū)動(dòng)器可能會(huì)提供專用的卡檢測(cè)例程。圖 8 顯示了現(xiàn)場(chǎng)級(jí)卡檢測(cè)。

圖8.現(xiàn)場(chǎng)級(jí)卡檢測(cè)。

結(jié)論

表 1 中總結(jié)的結(jié)果清楚地顯示了這些低功耗輪詢方法提供的節(jié)能效果。某些系統(tǒng)和應(yīng)用可能不需要最小化功耗，但所有系統(tǒng)和應(yīng)用都應(yīng)考慮輪詢占空比對(duì)整體系統(tǒng)熱預(yù)算的影響。

此外，開(kāi)發(fā)人員可以輕松修改檢測(cè)周期，以提供所需的節(jié)能和響應(yīng)能力。

注意：將場(chǎng)電平檢測(cè)方法的非活動(dòng)時(shí)間加倍的最后一個(gè)表?xiàng)l目線性地將平均電流減少一半。

應(yīng)用程序代碼

顯示低功耗輪詢技術(shù)的應(yīng)用示例代碼作為NFC DTE示例的一部分包含在最新的非接觸式支持包版本中。

審核編輯：郭婷