一种非接触卡芯片自动温度保护电路的制作方法

1.本发明涉及非接触卡技术领域，尤其涉及一种非接触卡芯片自动温度保护电路。


背景技术：

2.在13.56mhz高频智能卡应用中，无源卡片通过电感耦合的方式从读卡器获取能量，能量获取的大小直接决定了卡片的运行频率、响应时间等核心性能。能量越大，卡片的性能越好，能量越小，卡片性能越差。在智能卡芯片设计中，通常会通过调整谐振频率、提高整流电路效率等方式获取更多的能量，但是过多的能量也会对芯片造成一定的损伤。
3.参看图1为常见的非接触智能卡芯片模拟前端电路框图，主要包含三个部分：谐振电路、整流电路和限幅电路。谐振电路将读卡器发射的集中在13.56mhz附近的能量耦合到卡片中；整流电路将耦合到的交流电源转换为可以使用的直流电源；限幅电路则旁路多余的电流ipass，限定整流输出电压vrf，保护芯片安全。
4.为了提升能量获取效率，在智能卡芯片设计上主要有两种方法：第一种方法是调整谐振电路的频率与读卡器一致，即调整谐振电路的频率为13.56mhz；第二种方法是提高整流电路的整流效率。但是，在读卡器的发射场强很大情况下，有着较高能量获取效率的卡片反而会因为过多的能量而产生发热现象。如图1中所示，在大场强下，多余的能量会以电流的形式被限幅电路旁路。通常当场强大于7a/m时，旁路电流ipass可能会达到60ma以上，卡片会因为功率过大而发热。
5.过高的温度会降低卡片芯片的工作性能和可靠性，甚至会损坏卡片的封装。因此，如何在提升卡片获取能量效率的情况下，规避强场下的发热现象成为智能卡芯片设计的难点之一。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种非接触卡芯片自动温度保护电路，包括温度检测电路和谐振电路，其中，谐振电路中加入了可变电容，温度检测电路的输出电压上升后，输出电压控制可变电容的容值变大，谐振电路的谐振频率下降；当谐振电路的谐振频率偏离13.56mhz时，非接触卡接收到的能量就会降低，则非接触卡芯片温度下降，从而达到了保护芯片的目的。
7.为了达到上述技术目的，本发明所采用的技术方案是：一种非接触卡芯片自动温度保护电路，所述非接触卡芯片自动温度保护电路包括温度检测电路和谐振电路，其中，温度检测电路包括温度检测模块和电压转换模块；谐振电路由可变电容并联谐振电容与并联天线组成；温度检测模块包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第一三极管，第一电阻连接第二电阻，第二电阻连接第三电阻，第三电阻连接第一三极管，第一三极管连接第四电阻，第四电阻连接第一电阻；电压转换模块包括第一nmos管、第二nmos管、第一pmos管、第二pmos管、第三pmos管、第
五电阻、电流源ib和参考电压vref，其中，流过第一pmos管和第二pmos管的总电流为电流源ib，第一nmos管的栅端接温度检测模块输出端的芯片电压信号vtemp，第二nmos管的栅端接参考电压vref，第一pmos管、第二pmos管与第三pmos管的比例为1:1:1；电压转换模块将芯片温度电压信号转换为控制信号，谐振电路中的可变电容连接温度检测电路输出端的控制信号。
8.本发明的非接触卡芯片自动温度保护电路由于采用了温度检测电路和谐振电路的电路结构，谐振电路中加入了可变电容，所获得的有益效果是，该自动温度保护电路能够有效保护曝露在大场强中的非接触智能卡芯片不会受到高温损坏，与传统智能卡相比，提高了非接触卡芯片适用的场强范围，增强了非接触卡芯片的性能稳定性和使用可靠性。
附图说明
9.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
10.图1是现有的非接触卡片芯片模拟前端电路框图。
11.图2是本发明具体实施的非接触卡芯片自动温度保护电路的模拟前端电路框图。
12.图3是本发明具体实施的非接触卡芯片自动温度保护电路图。
13.图4是本发明具体实施的控制信号vc电压值与温度关系图。
14.图5是本发明具体实施的可变电容cvar容值与控制信号vc电压值关系图。
15.图6是本发明具体实施的可变电容cvar容值与温度关系图。
16.图7是本发明具体实施的谐振频率fosc与温度关系图。
具体实施方式
17.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
19.参看图2，是本发明具体实施的自动温度保护电路的模拟前端电路框图。图2所示的具体实施例中，虚线框中为本发明具体实施的非接触卡芯片自动温度保护电路设计方案。非接触卡芯片自动温度保护电路包括温度检测电路和谐振电路，其中，谐振电路由可变电容cvar并联谐振电容cant并联天线lant组成；温度检测电路由系统电压vdd供电，实时监控芯片温度，并产生控制信号vc，谐振电路中的可变电容cvar受控制信号vc的控制，控制信号vc电压上升时，可变电容cvar容值增大，控制信号vc电压减小时，可变电容cvar容值减小。
20.本发明具体实施例中，卡片天线网络lc的谐振频率fosc如下式：
fosc=
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(1)在非接触卡芯片正常工作时，天线lant、谐振电容cant与可变电容cvar谐振在频率13.56mhz的最佳状态，非接触卡卡片获取的能量最大。当能量过大，非接触卡芯片温度超过一定阈值并持续升高时，温度检测电路输出的控制信号vc电压上升，控制信号vc控制可变电容cvar的容值变大，卡片天线网络lc的谐振频率下降。当谐振频率偏离谐振频率13.56mhz时，非接触卡卡片接收到的能量就会降低，则非接触卡芯片温度下降，从而达到了保护芯片的目的。
21.参看图3，本发明具体实施的非接触卡芯片自动温度保护电路图。非接触卡芯片自动温度保护电路包括温度检测电路和谐振电路，其中，温度检测电路包括温度检测模块和电压转换模块；谐振电路由可变电容cvar并联谐振电容cant并联天线lant组成；温度检测模块将芯片温度转换为芯片温度电压信号vtemp，电压转换模块连接到温度检测模块的输出端，将芯片温度电压信号vtemp转换为适合可变电容cvar使用的控制信号vc；可变电容cvar连接到温度检测电路的输出端，并受到控制信号vc的控制改变可变电容cvar的容值，进而改变谐振电路的谐振频率。
22.参看图3，本具体实施例中，温度检测模块包括第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4和第一三极管q1，第一电阻r1连接第二电阻r2，第二电阻r2连接第三电阻r3，第三电阻r3连接第一三极管q1，第一三极管q1连接第四电阻r4，第四电阻r4连接第一电阻r1；其中，系统电源vdd=1.5v；设置第一电阻r1=40kohm，第二电阻r2=60kohm，第三电阻r3=2kohm，第四电阻r4=5kohm。在常温下，第一三极管q1的基极与发射极的压差vbe=0.7v，则温度检测模块的芯片温度电压信号vtemp的电压计算如下：vtemp=vdd-[vdd*（r1/(r1 r2)-vbe]/r3*r4
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（2）可以得到常温下vtemp=1.0v。由三极管的温度特性得到vbe电压值与温度成反比关系，即温度越高，vbe电压值越小；温度越小，vbe电压值越高。
[0023]
根据式（2）中，芯片温度电压信号vtemp电压值与vbe电压值为正比关系，可知芯片温度电压信号vtemp电压值与温度为反比关系，即温度越高，芯片温度电压信号vtemp电压值越小；温度越低，芯片温度电压信号vtemp电压值越大。通常温度在27~100度的变化范围内，芯片温度电压信号vtemp输出电压值范围为1.0v~0.4v。
[0024]
参看图3，本具体实施例中，电压转换模块包括第一nmos管mn1、第二nmos管mn2、第一pmos管mp1、第二pmos管mp2、第三pmos管mp3、第五电阻r5、电流源ib和参考电压vref，其中，设置vref=0.7v；第一pmos管mp1、第二pmos管mp2、第三pmos管mp3的比例为1:1:1；流过第一pmos管和第二pmos管的总电流为电流源ib，ib=100ua，r5=7kohm；第一nmos管mn1的栅端接温度检测模块输出端的芯片电压信号vtemp，第二nmos管mn2的栅端接参考电压vref； 当芯片电压信号vtemp电压值上升时，由第一nmos管mn1、第二nmos管mn2构成的差分电路特性可知，第一pmos管mp1中电流上升，第二pmos管mp2中电流减小，第三pmos管mp3输出电流减小，从而控制信号vc电压值下降；反之，则芯片电压信号vtemp电压值下降时，控制信号vc电压值上升。在通常温度27~100度的范围内，芯片电压信号vtemp电压值从1.0v下降到0.4v，控制信号vc电压值则从0v上升到0.7v。
[0025]
综上，得到温度检测电路的特性为：温度从27度上升到100度时，温度检测电路输
出的控制信号vc电压值从0v上升到0.7v，如图4所示。
[0026]
可变电容cvar受控制信号vc的控制，可变电容cvar的容值受到控制信号vc电压值的影响，当控制信号vc电压值小于250mv时，可变电容cvar的容值较小，当控制信号vc电压值大于250mv时，可变电容cvar的容值上升较快，如图5所示。
[0027]
根据图4和图5可以得到可变电容cvar容值与温度的关系，如图6所示。
[0028]
当温度小于60度时，可变电容cvar容值小于0.01pf，当温度大于60度时，可变电容cvar随温度逐渐上升。根据卡片天线网络lc的谐振频率公式(1)，可以得到谐振频率fosc随温度变化的关系，如图7所示。
[0029]
当温度小于60度时，卡片天线网络lc谐振在13.56mhz附近，当温度大于60时，谐振频率fosc随温度逐渐降低。而谐振频率越偏离13.56mhz，卡片从卡机耦合到的能量就越低。所以，一旦卡片温度大于60度时，卡片耦合到的能量自动降低，则图2中的旁路电流ipass下降，芯片功率下降，从而达到了降低温度，保护芯片的目的。
[0030]
实测显示采用本发明的卡片在大于7a/m的强场中，旁路电流ipass能够始终小于40ma，卡片温度保持在60度以下，大大提高了卡片适用的场强范围，增强了卡片的性能稳定性和使用可靠性。
[0031]
以上对本发明所提供的一种非接触卡芯片自动温度保护电路进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
[0032]
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0033]
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0034]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。