采用Maxim安全NFC微控制器的低功耗轮询

现代支付系统的移动性越来越强，因此，电力非常宝贵。非接触式支付技术需要强大的功率来激励运营量并为呈现给它的任何支付卡供电。本应用笔记介绍了使用Maxim Secure NFC微控制器可显著降低支付系统功耗要求的想法。这些方法都用图表详细说明，这些图表显示了每个方法在实际系统上的当前使用情况。还提供了应用程序代码。

介绍

移动智能手机使用的爆炸式增长及其不断扩展的功能改变了支付世界。除了希望用手机支付商品的客户之外，零售商和服务提供者还必须能够在新的和通常的地方、食品卡车、房屋甚至高速公路边接受付款。与所有电池供电设备一样，这些移动支付系统在两次充电之间可以运行的时间是一个持续的挑战。

与长时间运行直接相反，非接触式（NFC）支付技术需要强大的功率来为现场任何卡（PICC）或移动电话供电。近年来，EMV非接触式规范的变化进一步增加了所需的功率，而现代紧凑型设计减小了天线尺寸并增加了现场的RF负载。

这种功率虽然很大，但只是对系统电池的一个需求。处理器、LCD、无线通信（Wi-Fi、蓝牙、蜂窝）、热敏收据打印机等都在争夺电池电量。加热是大功率使用的另一个重要考虑因素，移动系统通常密封严密，以帮助保护它们免受环境问题的影响，并且只能通过其框架和外壳散热。

本应用笔记探讨了降低Maxim安全NFC微控制器非接触式接口功耗的方法。

低功耗轮询

许多销售点 （POS） 终端固定在一个位置，并且始终连接到电源。这些系统通常使用全速应用程序轮询，因为功率是无限的，但对于移动支付系统，电源使用至关重要。移动系统必须考虑系统的所有功率需求。但是，本应用笔记仅考虑NFC接口。

轮询基础知识

轮询是NFC读卡器在其工作卷中查找卡的过程。在一个典型的例子中，读卡器激活该字段，然后必须等待5.1ms才能使存在的卡通电。在此之后，为A型卡发送唤醒命令（WUPA），然后在另外5.1ms后，发送B型卡的唤醒命令（WUPB）。假设没有卡响应这些命令，读卡器将关闭该字段。总的来说，这个过程需要~11.2ms。图 1 显示了基本的轮询过程。

图1.基本轮询。

电流消耗

由于NFC并不总是处于活动状态，因此平均功耗是关键指标。功率的基本公式是：

P = IV

V（电压）在这里可以被认为是固定的，因此I（电流）与功耗有直接关系。图 2 显示了轮询时使用的电流的简单视图。

图2.轮询功耗周期。

有两种状态;活动（轮询）和非活动（关闭电源）。要计算轮询时使用的平均电流，请比较磁场处于活动状态时和不活动时的占空比。显然，更多的活动时间意味着更高的电流消耗。这可以使用以下公式计算：

典型工作电流

非接触式接口具有几种不同的电源域或电源轨：

数字：数字基带 （DBB）、寄存器、状态机等，通过 V 供电主要

模拟接收：模数转换器 （ADC）、混频器等通过 V 供电DD_RF_RX和 VDD_RF_1V

模拟传输：通过V供电的功率放大器等DD_RF_TX

到目前为止，该发射器消耗的功率最多，在 365.3V 或 3.1 W 时的典型有效工作电流为 2mA。每个系统的发射器实际消耗的电流都不同，因为通过EMC滤波器，天线匹配电路以及最后的天线的外部连接对于每个系统都是唯一的。同样，天线附近的外部负载（例如大型金属部件）会增加发射场感知的负载。

本应用笔记仅考虑发射轨及其相关功率。当不主动传输时，所有非接触式电源在掉电模式下的功耗为数据手册参数：IDDA_RF_PD4.4μA（典型值）但是，发射轨上的电流在未传输时实际上为零，因此假设在磁场未通电时没有功耗。

低功耗轮询的概念

轮询期间所用功率的总体减少来自最小化活动传输时间。系统没有现场传输的时间越长，使用的功率就越少。但是，如果系统延迟过度，则会影响客户体验。系统不应让客户感到缓慢。理想情况下，低功耗轮询必须在最小化功耗和保持合理的客户体验之间取得平衡。

本应用笔记介绍了两种减少活动轮询时间的机制：

降低轮询率。

减少在现场检测卡片的时间。

系统可用于降低轮询功耗的另一种方法是仅在预期付款时启用轮询。例如，只有在卖方将销售金额输入POS并将设备交给付费客户后，才能激活轮询。如果首先激活备用支付界面、联系人卡或磁条等，也可以禁用它。此方法特定于应用，超出了本应用笔记的范围。

降低轮询率

减少轮询频率是降低功耗的最明显方法。所需要的只是在顺序轮询尝试之间添加可编程延迟。回想一下，标准轮询需要 ~11.2ms，然后持续 ~5.1ms 的 NFC 复位，然后再重复序列。

在未检测到卡的轮询尝试之后，POS 可以简单地禁用该字段，并延迟或休眠一段时间，而不是继续轮询。此非活动时间越长，消耗的平均轮询功率就越低。但是，如前所述，系统不应过度延迟，因为这会对客户体验产生负面影响。

本应用笔记选择400ms的轮询间延迟，作为节能和客户体验之间的良好折衷。此值是支付应用程序可以并且应该作为整体系统优化的一部分进行调整的起点。例如，系统可能愿意在轮询尝试之间忍受更长的时间，以节省更多电量，但代价是迫使客户将卡保留更长时间。

减少卡片检测时间

此方法更复杂，应与降低的轮询速率结合使用。这个想法是在现场检测潜在的卡，而无需花费完整的~11.2ms的EMV轮询时间。如果通过此方法检测到潜在的卡，则读卡器将继续进行标准激活，以确定它是否是实际的支付卡。如果未检测到潜在的卡，则会尽快禁用该字段。

为此，Maxim的安全NFC微控制器利用现场检测（FD）功能。主动传输此特征时，对场进行采样并确定其近似水平。这可以在比等待所需的通电时间和发送 WUPA/WUPB 命令更短的时间内完成。当卡进入读卡器的工作音量时，当其天线等开始从现场收集功率时，它会略微降低场电平。卡通常放置在场上的负载越大，卡离天线越近。

不同的牌在场上呈现不同的负载。有些可能只将场减少几个FD最低有效位（LSB）。为了最大限度地提高FD特性的灵敏度，在系统设计的天线匹配阶段，必须注意正确设置接收器分压电阻，并可能调整接收器衰减。目标是在字段为空时使测量的FD水平尽可能接近最大值255，而不会超过该最大值。

注意：如果呈现给接收器的场电平太大，则无论现场卡的负载如何，它都可能始终将 255 报告为 FD 电平。

此外，如果磁场测量的数值较低，例如空时为100，则检测灵敏度要低得多，并且可能根本无法检测到潜在的卡，或者仅在非常靠近读卡器天线时才检测到。有关更多详细信息，请参阅 PCD 天线匹配指南和 AFE 调谐指南。

为此，首先必须对字段进行采样以确定空字段级别。对于本应用笔记，这是通过在首次激活示例时对场进行5次采样来完成的，并对场电平进行平均和记录。

随后的卡检测尝试会激活测量当前FD水平的字段。如果当前字段始终低于记录的空字段级别，则表示字段中存在潜在卡，并且完全激活继续进行。

程序：

如上所述，建立空字段 FD 阈值。

轮询间延迟后，激活读取器的射频场。用于此目的的RF驱动器例程还初始化外设并执行各种校准程序。

测量FD水平。

停用射频场。

将测量的FD水平与空阈值进行比较，如果测量的水平较低，则继续执行完整的EMV轮询程序以激活并在潜在卡上操作。

开始轮询间延迟并返回到步骤 2 或停止轮询，具体取决于应用程序要求。

应用程序与 EMV 认证轮询

重要的是要注意，EMV 1 级测试所需的轮询方法与应用程序中应使用的轮询方法不同。所需的轮询例程由 EMV 的设备测试环境 （DTE） 规范指定，以满足测试工具要求。具体而言，如果在字段中找不到卡，则认证轮询不会发出重置。它只是发送另一轮 WUPA 和 WUPB 命令，而无需交错重置。

注意：NFC 重置程序将完全禁用该字段 5.1 毫秒，足以让存在的卡断电和上电复位 （POR）。

认证轮询仅在检测到问题（如碰撞等）或测试计算机本身指示时重置字段。如果未检测到卡，应用程序轮询将重置该字段。因此，认证轮询使用最高的功率。

设备自加热

激活RF场可能会消耗大量功率，根据系统配置，可提供高达1.2W或更高的功率。虽然发射器阻抗很小，但通道超过一安培会导致器件自热。随着器件升温，为磁场供电的晶体管效率降低，导致磁场强度略有降低。建议打开和关闭场的占空比，以减轻这种自发热。

将器件置于安全网状或外壳内的系统安全要求可能会进一步阻碍安全微控制器的器件散热。

即使使用基本的低功耗轮询，也可以减少由于自发热而导致的任何问题。但是，EMV认证测试需要最高功率轮询。如果磁场保持开启时间过长，热量可能会导致磁场强度略有降低。如果场强余量不足，则可能会发生测试失败。总体而言，强烈建议在EMV认证期间，在没有主动执行测试时禁用该字段，并在必要时暂停测试并定期禁用该字段以允许设备冷却。

热参数

热阻（θ和） 表示 NFC 发射器附近的芯片面积略高于数据手册中 169 引脚球栅阵列 （BGA） 封装中详细描述的 21°C/W 与 18.75°C/W 的芯片面积。 结温的预测取决于功耗。回想一下：

TJ= T一个+ （i和× PD)

其中 TJ为结温，T一个为环境温度，PD是封装中耗散的功率。因此，功耗直接决定了结温。电源由 V 提供DD_RF_TX电源轨为 3.3V。消耗的电流取决于几个变量，例如外部天线匹配、所选驱动强度和工作占空比。传输驱动强度由最终应用软件选择，但它通常是可能的最大驱动。工作占空比之前已经讨论过，它与功耗有直接的线性关系，即，如果只在25%的时间内处于活动状态，则功耗仅为25%，温度升高仅为25%。应注意保证器件在任何较长的时间内不超过 125°C 的绝对最大结温。

外部天线匹配

外部EMC滤波器、匹配网络和PCD天线的阻抗是影响发射器功耗的重要因素。图3显示了输入阻抗的简化概述（R在） 由发射器驱动程序看到。

图3.发送驱动器看到的输入阻抗。

注：R在是一种复阻抗，由网络中的所有组件决定，包括电阻器、电容器、电感器和天线线圈。

阻抗应使用13.56MHz的网络分析仪测量。理想情况下，当安装在最终系统组件中时，应测量该阻抗，因为附近的导电材料会影响结果。有关更多详细信息，请参阅PCD天线匹配指南。

确定 R 后在，可以使用以下公式估计电流消耗，该公式确定为图4所示数据的拟合线。

我德克萨斯州= 754.95 × R在−0.513

图4.阻抗与发射电源电流的关系

电源使用比较

下图显示了 V 的当前使用情况DD_RF_TX在各种轮询程序中。表 1 显示了每种电源的比较。这些电流图是使用吉时利 DMM7510 万用表捕获的，并使用 python 脚本绘制。每个图都使用不同版本的卡片检测，可以直观地看到。找到卡后，应用程序开始完全激活（WUPA，ANTICOLLISION，SELECT，RATS），最后发送接近支付系统环境应用协议数据单元（PPSE APDU）。从响应应用程序协议数据单元 （RAPDU） 响应中，检索应用程序标识符代码 （AID）。某些卡还包含卡名称的字符串，但如果没有，则会从已知卡类型的表中查找 AID。在每个图中，显示了几次轮询尝试，但没有找到卡，然后是完整的激活序列和PPSE APDU交换。

EMV L1 认证轮询

图 5 显示了 EMV L1 认证期间使用的轮询。

注意：WUPA 和 WUPB 的前 2 个序列未找到卡片，但第三个 WUPA 获得有效响应。

这将开始激活序列和 AID 检索。有趣的是，在这些命令之后甚至可以看到卡（PICC）响应，因为电流的变化要小得多。PPSE完成后，卡将被重置。

注意：此序列仅用于演示目的，实际的支付序列包括更多的APDU交换，并且最后可能会删除过程。

图5.带有命令标签的 EMV L1 认证轮询。

持续轮询

此轮询变体不断轮询进入字段的卡。但是，与认证轮询相比，在未找到卡后，将重置该字段。图 6 显示了可以识别检测周期的当前使用情况，即字段两次激活之间的时间。回想一下字段打开 5.1 毫秒的激活要求，然后是 WUPA，另一个 5.1 毫秒延迟然后是 WUPB。在对任何一个都没有响应后，该字段将重置为 5.1 毫秒。检测周期为17.6ms，非活动时间为5.1ms。这表示活动现场占空比为 71%，而认证轮询为 100%。

图6.持续轮询。

基本低功耗轮询

在这里，我们降低系统的轮询速率以降低功耗。轮询的进行方式与上一个示例中的相同。但是，在未找到卡后，该字段不会发出 5.1ms 的重置，而是停用。禁用该字段时，应用程序会延迟或休眠 400 毫秒，然后重复该序列。400ms 是读取响应能力和大量节能之间的良好折衷。图 7 显示了此轮询方案的当前图。这显然比持续轮询消耗更少的功率。检测周期从 17.6ms 增加到 412ms，但非活动时间从 5.1ms 增加到 400ms。这表示活动现场占空比为 2.9%，而持续轮询为 71%。

图7.基本低功耗轮询。

现场级卡检测

此方法通过减少检测卡所需的活动场时间，扩展了先前方法提供的节能效果。它不使用完整的 ~11.2ms 轮询序列，而是仅激活字段足够长的时间以测量字段电平。如果级别低于检测阈值，它将开始正常轮询序列以处理卡。有关此方法的更多详细信息，请参阅减少卡检测时间部分。使用这种方法，系统只需要激活 657us 的字段，与 17.11ms 的标准轮询时间相比，这是一个巨大的改进 （2x）。这意味着有效现场占空比仅为0.16%，而基本低功耗轮询为2.9%。为了进一步减少这种有源场时间，未来版本的RF驱动器可能会提供专用的卡检测例程。图 8 显示了现场级卡检测。

图8.现场级卡检测。

结论

表 1 中总结的结果清楚地显示了这些低功耗轮询方法提供的节能效果。某些系统和应用可能不需要最小化功耗，但所有系统和应用都应考虑轮询占空比对整体系统热预算的影响。

此外，开发人员可以轻松修改检测周期，以提供所需的节能和响应能力。

注意：将场电平检测方法的非活动时间加倍的最后一个表条目线性地将平均电流减少一半。

轮询说明	T不动（毫秒）	T做（毫秒）	我平均（毫安）
EMV L1 认证轮询	0	12.437	365
EMV 常量轮询	5.164	12.437	257.9
基本低功耗轮询（400ms）	400.026	11.952	10.6
现场级检测轮询（400ms）	399.736	0.657	0.603
场级检测轮询（外推800ms）	799.736	0.657	0.304

应用程序代码

显示低功耗轮询技术的应用示例代码作为NFC DTE示例的一部分包含在最新的非接触式支持包版本中。

审核编辑：郭婷