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安全芯片中密碼算法的多IP核集成方法

文章出處:http://m.botanicstilllife.com 作者:馬紀(jì)豐 陳偉元 宮俊   人氣: 發(fā)表時間:2011年09月30日

[文章內(nèi)容簡介]:本文討論一種采用0.35um CMOS工藝專為射頻卡設(shè)計的自反饋開關(guān)式穩(wěn)壓電路。

    1. 引言
  
    近年來,隨著無線通信技術(shù),微電子技術(shù)的發(fā)展,非接觸式IC卡(射頻卡)技術(shù)蓬勃發(fā)展,并在眾多領(lǐng)域里得到了迅速的普及和推廣,如公交自動售票系統(tǒng)、居民身份證卡、電話卡、銀行卡等。無源供電技術(shù)是射頻卡的關(guān)鍵技術(shù)之一,目前主要是通過電磁感應(yīng)原理和集成穩(wěn)壓電路來解決的。當(dāng)射頻卡進入閱讀器磁場時,通過電磁感應(yīng)從磁場中獲得能量,即在卡的線圈兩端感應(yīng)出交流電流,經(jīng)過整流穩(wěn)壓后可得到直流電壓。本文討論一種采用0.35um CMOS工藝專為射頻卡設(shè)計的自反饋開關(guān)式穩(wěn)壓電路。
  
    2. 穩(wěn)壓電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作原理

  
    集成穩(wěn)壓電路也稱集成電壓調(diào)整器,當(dāng)輸入電壓或輸出電流在一定范圍內(nèi)變化時,其輸出電壓保持不變。它已被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中,以取代分立器件組裝的穩(wěn)壓電源。
  
    2.1 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計
  
    該集成穩(wěn)壓電路主要包括以下幾個部分:基準(zhǔn)源電路,電壓調(diào)節(jié)電路和電源開關(guān)電路。  
 
    基準(zhǔn)源電路由二級CMOS差分放大電路和晶體管電路構(gòu)成的能隙基準(zhǔn)源組成。其結(jié)構(gòu)如圖1。 

    有源電阻P0和多晶電阻R7組成偏置電路,為電路提供偏置電流。二級差分放大器的兩個輸入連接在Q1端和Q2端,由基準(zhǔn)源原理可知只有放大電路的輸入失調(diào)電壓很小,并且不受溫度的影響時,基準(zhǔn)源的輸出才可以保持好的性能。根據(jù)放大器的作用和能隙基準(zhǔn)源原理可得:
  
    I1R6=I2R4 (1)
  
   由(1)式可知電路中放大器的輸入失調(diào)電壓接近為零。故穩(wěn)定后REF點的電壓值為下式:
  
    VREF=VQ1+VR6=VQ1+R6I1= VQ1+R4I2 (2)
  
    因PNP晶體管的基極和集電極相連,故VQ1值相當(dāng)于晶體管中BE結(jié)二極管的正向壓降VBE 值,VBE一般為0.6~0.8V。
  
    晶體管中BE結(jié)二極管的溫度系數(shù)為負(fù),而電阻的溫度系數(shù)為正,在(2)式中VQ1和VR6隨溫度的變化可以相互補償,故該基準(zhǔn)源的輸出VREF對溫度變化不敏感。
  
    電壓調(diào)節(jié)電路是穩(wěn)壓電路中的核心部分,包括兩個一級CMOS差分放大電路COMP和電壓調(diào)節(jié)及反饋電路,如圖2。 

    兩個差分放大器的輸入由分壓電阻得到,比較放大后經(jīng)反饋調(diào)節(jié)和限流保護電路得到MA1和MB1以來控制電源開關(guān)電路中開關(guān)管的開啟和截止。
 電源開關(guān)電路由儲能電容,NMOS管構(gòu)成的整流器及開關(guān)電路組成,如圖3。P1,P2直接連到線圈L0的兩端,通過電磁耦合在P1,P2上感應(yīng)出交流電,經(jīng)整流后在儲能電容C0端產(chǎn)生直流電壓VDD。調(diào)壓電容C5在N2管導(dǎo)通后構(gòu)成放電回路使P1,P2上的電流開始對C5充電而停止對C0充電,使C0兩端電壓保持穩(wěn)定,即為負(fù)載電路提供穩(wěn)定的電源電壓。 

    射頻卡進入閱讀器的磁場時,經(jīng)線圈電磁耦合后在P1,P2上產(chǎn)生交流感應(yīng)電流,通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電流,同時對儲能電容C0和電壓調(diào)節(jié)電容C5進行充電。C5電容很小,通過整流器的電流瞬間可將其充滿,由于N2管截止在C5兩邊沒有放電回路,故P1,P2上的電流將只對電容C0充電,C0兩端產(chǎn)生電源電壓VDD,VDD隨著電容充電過程而不斷升高。整流器中有源電阻和二極管的作用使得P1,P2兩端的電壓幅值上升,導(dǎo)致a點的電位也隨之上升;同時,電壓采樣電路的輸出也隨著VDD的升高而升高。當(dāng)VDD電壓值達(dá)到V0時(見圖4),采樣輸出電壓都大于基準(zhǔn)電壓VREF,此時電壓調(diào)節(jié)電路中輸出MA1,MB1的電壓值能夠使N1,N2這兩個管子先后開啟。因N2管源端接地,N2管導(dǎo)通后a上的電壓開始降低,使得P1,P2再次對C5進行充電。由于N2管一直處于導(dǎo)通狀態(tài),故C5也同時開始放電,此后C5和N2管一直處于一邊充電一邊放電的狀態(tài),且a點電壓在一定的范圍內(nèi)振蕩。C5的充放電通過反饋使得P1、P2上電壓峰值保持在一定的電位上,也不再對電容C0繼續(xù)充電,故C0兩端的電壓差保持穩(wěn)定。此時得到的VDD就是我們所需要的工作電壓。射頻卡正常工作時由于負(fù)載電路的消耗,儲能電容C0上的電壓會隨之下降,當(dāng)VDD值小于V0值時N2管將截止,C5電容沒放電回路,P1,P2對C5充電充滿后,將對C0繼續(xù)充電使C0兩端的壓差增大,即VDD上升。這樣電路中就形成了一個自反饋的穩(wěn)壓電源。
  
    3. 模擬結(jié)果  

    在射頻卡正常工作環(huán)境中,卡和閱讀器的耦合系數(shù)很小一般為0.1~0.35左右,閱讀器信號電壓一般為12V。仿真驗證中,加12V、13.56MHz的測試激勵以在電感L0上得到感應(yīng)電流。采用0.35um的SPICE模型,耦合系數(shù)設(shè)為0.25,得到VDD穩(wěn)定電壓為3.35V,Hspice仿真結(jié)果見圖4: 

    4. 結(jié)論
  
    通過上述的設(shè)計和仿真分析,可知此穩(wěn)壓電路可在短時間內(nèi)獲得穩(wěn)定電壓,并可自動調(diào)整;多目標(biāo)流片測試結(jié)果基本與仿真結(jié)果一致亦達(dá)到設(shè)計要求,故具有較好的實用性和參考價值。

本文關(guān)鍵詞:安全芯片,射頻卡,密碼算法,穩(wěn)壓電路
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