CN107665319B - 磁条数据传输系统和可靠数据传输及低功耗方法 - Google Patents

磁条数据传输系统和可靠数据传输及低功耗方法 Download PDF

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Abstract

在一种磁条数据传输（MST）驱动器及其驱动方法中，配置MST驱动器，传输含有脉冲流的磁条数据。MST驱动器包含一对高端开关和一对低端开关。这对高端开关含第一开关和第二开关。这对低端开关含第三开关和第四开关。第一、第二、第三和第四开关排布在全桥式结构中，连接到电压源和接地。电感线圈连接到开关的全桥式结构的输出端。MST驱动器包括配置一个开关驱动器，利用脉宽调制，在电流斜率控制下，驱动这对低端开关和这对高端开关。驱动负载电流具有上升部分和下降部分，正向或反向通过电感线圈，利用可编程的负载电流上升和下降斜率，在接收器处引入可识别的背部电磁力，在负载电流上升和下降部分模拟磁条数据，在没有信号传输时，减少功率损耗。

Description

磁条数据传输系统和可靠数据传输及低功耗方法
技术领域
本发明主要关于直接传输磁条数据的系统及方法，以确保低功耗地可靠传输磁条数据。更确切地说，本发明在磁条数据驱动器中使用脉宽调制。本方法驱使磁条数据驱动器的开关，控制磁条传输驱动器中所产生信号的电流斜坡，用于低功率、可靠的数据传输。
背景技术
磁条数据传输或磁安全传输(MST)技术在于它类似于传统支付卡的磁条数据的磁信号，通过一个MST驱动器从发射器传输到接收器。发射器可以是智能手机等主机设备。接收器可以是支付终端的读卡器。磁信号模拟读卡器正常读取的支付卡的磁条数据，同时在读卡头上物理刷卡支付。
图1表示支付卡磁条上的支付卡数据的示意图。支付终端的读卡器头采集对应磁条数据的波形，同时沿波形的数字等效物一起刷卡支付。MST驱动器发射磁信号，模拟支付终端读卡器相同的波形，而不刷卡支付。
在传统的磁条数据传输或磁性安全传输中(参阅美国专利8,814,046)，配置MST驱动器，传输含有脉冲流的磁条数据。MST驱动器最好包括全桥式开关结构，连接到电压源和地，根据磁条数据，驱动通过电感线圈的双向负载电流。MST驱动器将磁信号传输到读卡器。在磁信号的传输过程中，根据负载电流密度、电感值和电感线圈的负载电流坡度，改变电感线圈的磁通密度，在读卡器的接收器中远程导入一个背部电磁力(Bemf)。如果背部电磁力(Bemf)高于阈值，则读卡器将其识别为高脉冲。如果Bemf低于另一个阈值，则读卡器将其识别为低脉冲。高、低脉冲组合可以重建读卡器的读取头波形。
图2A表示MST驱动器的电路图。MST驱动器包括四个MST驱动开关101、102、103和104，排布在全桥式结构中，连接到电压源和接地端VM·108。通过电感为L1的电感器106以及串联电阻R1·107，使MST线圈105成型。每个MST驱动开关都包括各自的体二极管(D1-D4)，连接到所述的每个开关，在关闭过程中起自由变换电感器106中存储能量的电流通路的作用。
MST驱动开关101、102、103和104由外部或内建驱动集成电路(IC)驱动。它们具有脉冲型驱动波形，恒定频率或双倍频的大约50％占空比。在MST驱动器中，第一开关101和第四开关104同时接通，以正向驱动MST线圈105中的负载电流。第二开关102和第三开关103都同时接通，以便反向驱动MST线圈105中的负载电流。
图2B表示MST驱动器的开关驱动操作和相应的负载电流波形。波形可以分成6段持续时间T1、T2、T3、T4、T5和T6。持续时间T1、T2和T3可以是正向驱动时间。在持续时间T1、T2和T3时，负载电流为正。持续时间T4、T5和T6可以为反向驱动时间。在持续时间T4、T5和T6时，负载电流为负。正值或负值完全取决于设计者的喜好。
在图2B中，接通第一开关101和第四开关104。在T1时间段中，负载电流增加，接近正峰值电流。在T3时间段中，断开第一开关101和第四开关104，接通第二开关102和第三开关103。负载电流开始迅速下降，但仍然为正值。这种现象称为反向击穿。在第二开关102和第三开关103的接通状态下，在T4时间段中，负载电流成为负值。在T4时间段中，除了它们在反向负值的情况下，负载电流斜率和绝对峰值同T1一样。在T5时间段中，负值峰值电流继续流动。在T6时间段中，断开第二开关102和第三开关103，接通第一开关101和第四开关104。负载电流开始迅速下降，除了反向情况之外，具有与T3相同的斜率。
图2C表示MST驱动开关的开关周期、MST线圈中相应的负载电流波形以及读卡器接收器产生的背部电磁力(Bemf)。当相同的信号驱动第一开关101和第四开关104接通时，MST线圈105上的负载电流IL从之前的电流开始增大，增大到峰值电流IP。峰值电流IP取决于电压源VM·108的电源电压，以及MST线圈的串联电阻R1·107。如果忽略开关的串联电阻，则可以表示为
Figure BDA0001332403070000031
负载电流
Figure BDA0001332403070000032
随
Figure BDA0001332403070000033
的功率指数增大，其中L1为MST线圈的电感值。与之类似，如果相同的信号驱动第二开关102和第三开关103接通，则MST线圈105上的负载电流
Figure BDA0001332403070000034
随
Figure BDA0001332403070000035
的功率从之前的电流开始增大，增大到峰值电流IP。
在图2C中，由于产生的Bemf接近其峰值，在负载电流瞬态变化时，根据图2C所示Bemf波形的负载电流斜率，因此负载电流的第一(I)和第二个(II)短暂瞬间有利于磁信号传输。固定于+Ip或-Ip负载电流的稳态周期，对产生的Bemf没有贡献。如果产生的Bemf在读卡器中的接收器上，产生高于正阈值电压Vr的电压信号，则读卡器将其识别为“高”。如果产生的Bemf在读卡器中的接收器上，产生低于正阈值电压-Vr的电压信号，则读卡器将其识别为“低”。
背部电磁力(Bemf)取决于磁流密度变化率，遵循电感线圈中的电流密度变化率。电流密度随时间的变化率基本是负载电流斜率，与电感线圈的电感值成反比。在快速电流斜率中，产生的Bemf很大。在缓慢电流斜率中，产生的Bemf很小。在快速电流斜率中，如果相应的持续时间过短，那么读卡器中的接收器可能无法识别信号。在长时间段的快速电流斜率中，峰值感应电流增大。它可能会超过MST驱动器的额定电流。高电流会引起额外的功率损失。高电流斜率还有噪声以及电磁干扰(EMI)等副作用。
负载电流斜率和持续时间的优化及控制在MST驱动技术中非常重要，从而在消耗较少的功率下确保可靠的信号传输。然而，在传统的MST驱动器中，除了改变含有线圈电感、线圈的串联电阻或全桥式驱动器开关的导通电阻的参数之外，无法控制负载电流斜率。由于性能、成本和形成因素等限制因素，可能无法容易地控制那些参数。一种方式是增大MST线圈的电感，但是电感越大就要求尺寸越大，并且成本越高。因此，原有技术的MST驱动器无法完成。由于电感受限，原有技术的MST驱动器具有低能效。这需要很长的持续时间，接收良好的传输质量。高效率可能会损失信号。
原有技术的MST驱动器由于很难控制或调解，因此其性能受到电源电压和MST线圈的影响。关于效率，原有技术方法即使在没有信号传输时，也会消耗大量的功率。信号传输只在负载电流的瞬间进行。峰值电流的稳态在没有工作时消耗功率。这比瞬态时间要长得多。能效更差。对电源系统影响巨大。
有必要提出一种新型MST驱动器，可以编程或控制负载电流斜率值和持续时间，确保消耗较低的功率，获得可靠的信号传输。
发明内容
在本发明的示例中，提出了一种磁条数据传输(MST)驱动器。MST驱动器的优势包括低功率消耗和可靠的传输磁性信号。
配置MST驱动器，传输含有脉冲流的磁条数据。MST驱动器包括一对高端开关和一对低端开关。这对高端开关包括第一开关和第二开关。这对低端开关包括第三开关和第四开关。第一、第二、第三和第四开关胚布在全桥式结构中，连接到电压源和接地端。电感线圈连接到开关的全桥式结构的输出端。
配置开关驱动器用于驱动这对低端开关和这对高端开关，在电流斜率控制下，利用脉宽调制，以便在接收器处引入可识别的背部电磁力。它在通过电感线圈的负载电流上升和下降部分时，模拟磁条数据。
在本发明的示例中，配置MST驱动器的开关驱动器，驱动这对低端开关和这对高端开关，在接通和断开状态下，选择性地、重复性地开关。在正向或反向，驱动含有电感线圈的上升和下降部分的负载电流，利用可编程的负载电流上升和下降斜率，产生磁信号，以便在接收器处引入可识别的背部电磁力。在负载电流上升和下降部分，模拟磁条数据，在没有信号传输时减少功率消耗。
在本发明的示例中，MST驱动器的开关驱动包括配置脉宽调制，产生第一脉宽调制(PWM)控制信号，用于可靠的数据产生，产生第二PWM控制信号，用于降低功率损耗。
在本发明的示例中，配置MST驱动器的开关驱动，驱动这对低端开关，控制负载电流，以便在连续接通状态下，利用第一开关，在正向通过电感线圈的上升部分和下降部分，并根据第一PWM控制信号和第二PWM控制信号，在接通和断开状态之间，重复性地切换第四开关。
在本发明的示例中，配置MST驱动器的开关驱动，驱动这对低端开关，控制负载电流，以便在连续接通状态下，利用第二开关，在反向通过电感线圈的上升部分和下降部分，并根据第一PWM控制信号和第二PWM控制信号，在接通和断开状态之间，重复性地切换第三开关。
在本发明的示例中，配置MST驱动器的开关驱动，根据第一PWM控制信号和第二PWM控制信号的工作周期，在接通和断开状态之间，通过重复性地开关，驱动第四开关。调节第一PWM控制信号的工作周期，将正向负载电流的上升部分设置到正向第一斜率的电流极限值，以便在接收器中产生低于负参考电压的负背部电磁力，以识别对应低脉冲信号的感应背部电磁力。调节第二PWM控制信号的工作周期，达到第二斜率的电流极限之后，设置正向负载电流的下降部分，第二斜率与正第一斜率相反，并且比正第一斜率更缓，以便在接收器中产生低于正参考电压的正背部电磁力，正参考电压可以忽略，以便在没有信号传输的时间段内降低功率损耗。
在本发明的示例中，配置MST驱动器的开关驱动，根据第一PWM控制信号和第二PWM控制信号的工作周期，在接通和断开状态之间，通过重复性地开关，控制第三开关。调节第一PWM控制信号的工作周期，将反向负载电流的下降部分设置到负向第一斜率的电流极限值，以便在接收器中产生高于正参考电压的正背部电磁力，以识别对应高脉冲信号的感应背部电磁力。调节第二PWM控制信号的工作周期，达到低于第一斜率的正第二斜率的电流极限之后，控制反向负载电流的下降部分，正参考电压可以忽略，以便在没有信号传输的时间段内降低功率损耗。
在本发明的示例中，提出了一种用于驱动MST驱动器的方法。本方法的优势包括MST驱动发射信号的低功率消耗和可靠传输。配置MST驱动器传输含有脉冲流的磁条数据。MST驱动器包括由第一开关和第二开关构成的一对高端开关；由第三开关和第四开关构成的一对低端开关。将第一、第二、第三和第四开关配置成全桥式结构，连接到电压源和接地。电感线圈连接到开关的全桥式结构的输出端。本方法利用可编程的负载电流升高和下降斜率，通过驱动具有上升部分和下降部分的负载电流，穿过正向和反向的电感线圈，产生磁信号，在接收器处产生可识别的背部电磁力。在负载电流上升和下降部分，模拟磁条数据，通过控制含有脉宽调制(PWM)的电流斜率，降低没有信号传输时间段内的功率损耗。
在本发明的示例中，本方法包括提供多个二极管，都连接到第一、第二、第三和第四开关上，以便于在开关的断开状态下，自由切换对应电感线圈中存储能量的电流。
在本发明的示例中，利用可编程的负载电流上升和下降斜率，驱动负载电流穿过电感线圈包括选择性地、重复开关这对低端开关或这对高端开关。
在本发明的示例中，利用可编程的负载电流上升和下降斜率，驱动负载电流穿过电感线圈包括选择性地、重复开关这对低端开关包括在持续接通状态下，打开第一开关，在接通和断开状态下，重复地开关第四开关，利用可编程的负载电流上升和下降斜率，正向驱动负载电流。还包括在持续接通状态下，打开第二开关，在接通和断开状态下，重复地开关第三开关，利用可编程的负载电流上升和下降斜率，反向驱动负载电流。
在本发明的示例中，利用可编程的负载电流上升和下降斜率，驱动负载电流穿过电感线圈包括选择性地、重复开关这对高端开关包括在持续接通状态下，打开第四开关，在接通和断开状态下，重复地开关第一开关，利用可编程的负载电流上升和下降斜率，正向驱动负载电流。还包括在持续接通状态下，打开第三开关，在接通和断开状态下，重复地开关第二开关，利用可编程的负载电流上升和下降斜率，反向驱动负载电流。
在本发明的示例中，本方法还包括利用可编程的负载电流上升和下降斜率，正向驱动负载电流，包括根据第一PWM控制信号和第二PWM控制信号的工作周期，在接通和断开状态之间重复切换开关。调节第一PWM控制信号的工作周期，将正向负载电流的上升部分设置到正向第一斜率的电流极限值，以便在接收器中产生低于负参考电压的负背部电磁力，以识别对应低脉冲信号的感应背部电磁力。调节第二PWM控制信号的工作周期，达到与正第一斜率相反并低于第一斜率的第二斜率的电流极限之后，设置正向负载电流的下降部分，以便在接收器中产生低于正参考电压的正背部电磁力，正参考电压可以忽略，以便在没有信号传输的时间段内降低功率损耗。
在本发明的示例中，本方法还包括利用可编程的负载电流上升和下降斜率，反向驱动负载电流，包括根据第一PWM控制信号和第二PWM控制信号的工作周期，在接通和断开状态之间重复切换开关。调节第一PWM控制信号的工作周期，将反向负载电流的下降部分设置到负向第一斜率的电流极限值，以便在接收器中产生高于正参考电压的正背部电磁力，以识别对应高脉冲信号的感应背部电磁力。调节第二PWM控制信号的工作周期，达到低于第一斜率的正第二斜率的电流极限之后，控制反向负载电流的下降部分，正参考电压可以忽略，以便在没有信号传输的时间段内降低功率损耗。
在本发明的示例中，选择性地获得正向第一斜率，以提供足以在接收器中引入背部电磁力作为低脉冲信号的负载电流上升时间。
在本发明的示例中，选择性地获得负向第一斜率，以提供足以在接收器中引入背部电磁力作为高脉冲信号的负载电流上升时间。
在本发明的示例中，利用可编程的负载电流上升和下降斜率，驱动通过电感线圈的负载电流，包括在正向和反向电流驱动之间的中间阶段。为了获得更好的功率效率，中间阶段的负载电流降至零。
在本发明的示例中，通过改变PWM控制信号的工作周期，可以控制负载电流上升和下降斜率的线性。对于线性斜率，可改变PWM工作周期。对于非线性对数斜率，PWM工作周期为常数。
在本发明的示例中，上升和下降电流斜率间隔内，PWM开关频率远大于输入信号频率，以减少负载电流中的电流波动。
在本发明的示例中，本方法还包括脉冲频率调制(PFM)方法，脉冲频率调制(PFM)方法包括持续的接通时间控制和持续的断开时间控制，以控制负载电流斜率。
附图说明
图1表示根据支付终端的读卡器采集的磁条数据，同时沿波形的数字等效刷支付卡，支付卡的磁条上的支付卡数据说明和波形。
图2A表示MST驱动器的电路图。
图2B表示MST驱动器的电感线圈，传统的MST驱动开关和相应的负载电流波形的开关周期。
图2C表示MST驱动开关的开关周期，MST线圈中相应的负载电流波形和读卡器接收器的电感背部电磁力(Bemf)。
图3[从(i)至(iv)]表示在本发明的示例中，MST驱动器的全桥式开关结构中MST驱动器的开关驱动机制。
图4表示在本发明的示例中，带有负载电流波形和接收器处引入的背部电磁力的MST驱动器的开关操作。
图5a和5b表示原有技术的MST驱动器和所述的MST驱动器的功率消耗对比。
图6表示高端开关201、202的PWM开关与图4所示的低端PWM开关的对比。
图7表示仅在本发明的示例中，带有负载电流波形和在含有上升电流斜率中含有PWM的接收器处引入的背部电磁力的MST驱动器的开关操作。
图8表示仅在本发明的示例中，带有负载电流波形和在含有下降电流斜率中含有PWM的接收器处引入的背部电磁力的MST驱动器的开关操作。
具体实施方式
提出了一种MST驱动器和用于驱动MST驱动器的方法。利用脉宽调制(PWM)技术，控制发射信号的电流斜率，用于MST驱动器的发射信号的低功率、可靠传输。配置MST驱动器，传输含有高或低脉冲的磁条数据。MST驱动器包括由第一开关和第二开关构成的一对高端开关，以及由第三开关和第四开关构成的一对低端开关。将开关配置在全桥式结构中，连接到电压源和接地。电感线圈连接到开关的全桥式结构的输出端。
MST驱动器还包括配置一个开关驱动器，在电流斜率控制下利用PWM驱动这对低端开关和高端开关。在负载电流上升和下降部分，通过电感线圈，在接收器处引入可识别的背部电磁力((Bemf)，用于模拟磁条数据。
引入的背部电磁力Bemf为穿过电感线圈的负载电流的时间常数。引入的Bemf为负载电流的负值。引入的Bemf通过下式计算：
Figure BDA0001332403070000091
其中，L1为电感线圈的电感值，
Figure BDA0001332403070000092
为通过电感线圈的负载电流的时间常数，
Figure BDA0001332403070000093
对应负载电流斜率。
MST驱动器的开关驱动器包括配置一个脉宽调制器，以产生第一脉宽调制控制信号(PWM 1)和第二脉宽调制控制信号(PWM 2)。通过接通和断开状态之间的选择性地、重复切换，开关驱动器驱动这对低端开关或这对高端开关。在正向或反向，驱动含有电感线圈的上升和下降部分的负载电流，利用可编程的负载电流上升和下降斜率，产生磁信号。在接收器处引入可识别的背部电磁力，在负载电流上升和下降部分，模拟磁条数据。
一种利用PWM控制驱动开关的接通时间或断开时间的方法，改变MST驱动器电感负载中的平均电流。控制MST驱动开关的接通时间或断开时间，可以根据应用的要求，对电流斜率编程。本方法可以更加可靠、高效地传输信号。本方法说明了通过PWM控制，即使在不同的电源电压和MST线圈情况下，如何稳定地控制或编程电流斜率。
图3表示在本发明的示例中，MST驱动器的全桥式开关结构的MST开关驱动机制。MST驱动器包括一对高端开关201、202和一对低端开关203、204，配置成全桥式结构，连接到电压源VM·208和接地，电感MST线圈206具有电感L1和串联电阻R1·207。每个MST驱动开关都包括一个单独的二极管(D1-D4)，通过开关201、202、203、204连接。在开关断开时，起到自由切换电感MST线圈206中存储能量的电流通路的作用。在本发明的示例中，MST驱动器的全桥式开关结构包括第一和第二高端低端金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)对，并联在电压源和接地端之间。每个高端低端MOSFET对都包括一个高端MOSFET和一个低端MOSFET，与高端MOSFET的漏极串联，高端MOSFET连接到电压源，低端MOSFET的源极连接到地，电感MST线圈206和串联电阻R1·207连接到两个高端低端MOSFET对的公共(输出)节点之间。
图3(i)-(iv)表示的MST开关驱动方法提出了利用可编程的负载电流上升和下降斜率，通过MST驱动器的一对低端开关203、204的选择性地重复切换，驱动通过正向和负向的电感线圈含有上升部分和下降部分的负载电流。每个开关都由互不相同的独立驱动信号驱动。
在MST驱动器中，用于正向驱动MST线圈中负载电流的第一开关201持续接通，第四开关204在接通和断开状态下重复切换。用于反向驱动MST线圈中负载电流的第二开关202持续接通，根据PWM控制信号的工作周期，第三开关203在接通和断开状态下重复切换。
图4表示在本发明的示例中，在接收器末端利用负载电流波形和引入的背部电磁力，MST驱动器的开关操作。波形具有相同的周期P0，分成6个时间段T1、T2、T3、T4、T5和T6。时间段T1和T2对应“正向开关”。时间段T4和T5对应“反向开关”。时间段T1和T4之间的第一电流斜率(Slop1)远大于时间段T2和T5之间的第二斜率(Slop2)。
参照图3(i)和图4，在时间段T1内，接通第一开关201，根据第一PWM控制信号PWM 1的工作周期，在接通和断开状态之间，重复切换第四开关204。另两个开关202、203保持断开状态。在时间段T1内，利用PWM 1方法，将负载电流(IL)增大到限制过量负载电流的电流极限值IL_lim。
PWM 1根据工作周期(接通时间)，在接通和断开状态之间重复切换第四开关204。当接近于IL_lim时，工作周期增大到最大电流。PWM 1控制正向负载电流上升到电流极限值，在第一正斜率Slop 1中。确定Slop 1的值，在接收器末端，确保引入的负背部电磁力(-Vfast))低于负参考电压(-Vr)。因此，接收器可以根据低脉冲信号识别引入的背部电磁力。
成功传输的另一个因素在于Slop 1持续时间Tlo应足够长，以便在读卡器中识别引入的背部电磁力。在MST驱动器中，通过设置PWM 1的工作周期控制Slop 1。PWM控制信号过程中的瞬态负载电流，具有很小的锯齿波形波动。但是，图4所示的负载电流IL波形显示了PWM中的负载电流的平均值。
在时间段T1过程中，负载电流达到IL_lim时，开始降低，在时间段T2过程中，第二PWM控制信号PWM 2控制第二电流斜率(Slop2)。在时间段T2内，如图3(ii)和图4所示，第四开关204仍然在接通和断开状态之间切换，但其工作周期不同于T1。PWM 2使第二斜率(Slop2)与Slop 1相反，并远低于Slop1的值。因此，引入的正背部电磁力(Vslow)远低于接收器中的正参考电压(Vr)，并且被接收器忽略。该操作与原有技术相比，大幅减少了功率消耗。在传统的操作中，对于时间段T2来说，负载电流固定到一个稳定值，不工作时也会消耗大量功率(Iout*VM)。
Slop2和末端电流水平取决于线圈电感值(L1)、峰值电流水平(IL_lim)和周期(P0)以及读卡器的接收器参考电压水平(Vr)。末端电流水平可以达到或不达到零级。设置PWM2的工作周期可以控制Slop2。
如果在图3(ii)所示的时间段T3之前，负载电流完全衰减，在时间段T3内，负载电流为零，第四开关204以及第二开关202和第三开关203都断开。第一开关201可以接通或断开。如果时间段T3内的负载电流不存在并跳过，那么时间段T2之后时间段T4开始。T3时间越长，功率效率越好。
如图3(iii)和图4所示除了负载电流的方向相反之外，时间段T4与时间段T1相同。在时间段T4内，第一开关201和第四开关204断开。第二开关202连续接通。根据PWM1，在接通和断开状态之间切换第三开关203。在时间段T4内，第一斜率Slop1为负，引入的背部电磁力为正。引入的正背部电磁力(+Vfast)应高于Vr，时间(Thi)应足够长，从而使接收器可以识别高脉冲信号。
如图3(iii)和图4所示除了负载电流的方向相反之外，时间段T5与时间段T2相同。在时间段T5内，第一开关201和第四开关204连续断开。第二开关202接通。根据PWM2，在接通和断开状态之间切换第三开关203。与时间段T4相比，第二斜率Slop2为正，引入的背部电磁力(-Vslow)为负，并高于-Vr，在接收器末端可以忽略-Vr。在本发明的示例中，T5的所有操作都与T2相同，除了方向相反之外。
图3(iv)和图4所示的时间段T6与时间段T3相同。
如上所述，在MST驱动器开关驱动操作中，当第一开关201和第四开关204或第二开关202和第三开关203接通时，负载电流IL水平增加，对于接通时间段ton的开关来说，方程式1和2计算：
Figure BDA0001332403070000121
Vdrop1＝IL*(R1+Ron1,2+Ron4,3)……………………………方程式2
其中VM为电源电压，L1为MST线圈的电感值。R1为线圈的串联电阻。Ron1,2为高端第一开关201或第二开关202的导通电阻。Ron4,3为低端第四开关204或第三开关203的导通电阻。
当第一开关201或第二开关202接通，第四开关204和第三开关203断开时，对于断开时间段来说，电流降低，由方程式3和4计算。该周期称为自由切换。
Figure BDA0001332403070000122
Vdrop2＝IL*(R1+Ron1,2+Ron2,1)………方程式4
其中VF2,1为D2或D1的正向电压，Ron2,1为高端第二202或第一201的导通电阻。
图5a表示降低MST驱动器的功率消耗。在原有技术方法中，由于在负载电流的瞬态周期内发生信号传输，负载电流的稳定状态在不工作时消耗大量功率。因此，时间P0越长，消耗的功率损耗越大，达到的温度越高。在电池系统中，将使电池再充电更加频繁。
在图5b中，图4所示的时间段T2和T5内，负载电流衰减，达到零级。因此，如果时间段T3和T6很长，平均功率损耗Ploss_avg比传统的MST驱动器至少低一半。
在原有技术方法中，在传输的开始阶段，斜率快速变化，由于自由切换操作和电感器上所加的高电压(VM+2VBE)，使效率失去控制。产生大量含有EMI的高频噪声，导致多种副作用。然而，由于所述的MST驱动器可以控制电流斜率，可以获得性能和噪声之间的最佳状态。
MST驱动包括利用PWM负载电流中的线性和非线性(对数)上升和下降。根据电流斜率的PWM工作周期可以控制到线性或非线性。图4所示的上升和下降电流斜率是线性的。对于线性斜率，PWM工作周期变化。然而，如果PWM工作周期为常数，则上升和下降电流斜率成为非线性(对数)。
在快速/慢速上升/下降电流斜率时间段T1、T2、T4和T5内，设置PWM开关频率远快于输入信号频率1/P0，以使负载电流中的电流波动最小。
对于成功的信号传输来说，|Slop1|和|Slop2|的绝对值由Vr、-Vr、Thi和Tlo决定。为Bemf设计|Slop1|，以引入接收器，产生低于Vr的电压信号，可以忽略。参照Vr和–Vr，|Slop1|远高于|Slop2|。|Slop1|的控制目的在于更加成功的数据传输，|Slop2|用于降低功率损耗。
图6表示高端开关201、202的PWM开关(与图4所示的低端PWM开关相比较)。显示出了与低端PWM开关几乎相同的结果。
本发明所述的PWM方法可以由含有稳定的导通时间控制和稳定的断开时间控制的脉冲频率调制(PFM)方法代替。在本发明的示例中，通过PFM方法代替PWM方法，控制负载电流斜率，以获得与图4类似的波形。
图7表示在本发明的示例中，利用PWM在上升电流斜率中，在接收器末端，利用负载电流波形和引入的背部电磁力，MST驱动器的开关操作。开关驱动器包括一个脉宽调制器，配置该调制器只为产生第一PWM控制信号、Slop1的PWM1。仅用于更加成功的数据传输。
图8表示在本发明的示例中，利用PWM在下降电流斜率中，在接收器末端，利用负载电流波形和引入的背部电磁力，MST驱动器的开关操作。开关驱动器包括一个脉宽调制器，配置该调制器只为产生第二PWM控制信号、Slop2的PWM2。仅用于降低功率损耗。
本领域的技术人员应明确本发明所述的实施例可能存在修正。例如，时间间隔可能变化。本领域的技术人员可能发现其他修正，所有的这些修正都应属于本发明的权利要求书所限范围。

Claims (20)

1.一种磁条数据传输驱动器，用于传输含有脉冲流的磁条数据，其特征在于，所述磁条数据传输驱动器包括：
一对包括第一开关和第二开关的高端开关；
一对包括第三开关和第四开关的低端开关；第一、第二、第三和第四开关按全桥式结构排布，连接到电压源和接地；
一个电感线圈跨接到开关的全桥式结构的输出端；以及
一个开关驱动器，用于驱动这对低端开关和这对高端开关，以控制负载电流的上升和下降部分的负载电流斜率，产生背部电磁力，在负载电流上升和下降部分通过电感线圈，模拟磁条数据。
2.如权利要求1所述的磁条数据传输驱动器，其特征在于，通过配置开关驱动器驱动这对低端开关或这对高端开关在接通和断开状态之间选择性地重复切换，控制负载电流，在正向或反向通过电感线圈产生上升部分和下降部分，使其具有可编程的负载电流上升和下降斜率，以在负载电流上升和下降部分产生磁信号。
3.如权利要求1所述的磁条数据传输驱动器，其特征在于，开关驱动器产生第一控制信号用于可靠的数据产生，产生第二控制信号用于降低功率损耗。
4.如权利要求3所述的磁条数据传输驱动器，其特征在于，通过在持续接通状态下设置第一开关，通过在接通和断开状态下重复切换第四开关，根据第一控制信号和第二控制信号，配置开关驱动器正向驱动这对低端开关。
5.如权利要求4所述的磁条数据传输驱动器，其特征在于，配置开关驱动器，根据第一控制信号的工作周期和第二控制信号的工作周期，在接通和断开状态之间重复切换第四开关；
其中调节第一控制信号的工作周期，设置正向负载电流不超过一预定的电流极限的上升部分具有正向第一斜率，以产生负背部电磁力，于接收器中生成低于一负参考电压的信号，以识别所产生的背部电磁力对应低脉冲信号；并且
其中调节第二控制信号的工作周期，设置正向负载电流在达到该预定的电流极限后的下降部分，具有第二斜率，第二斜率值低于正向第一斜率值，以产生正背部电磁力，于接收器中生成低于正参考电压的另一个信号，以便在没有信号传输时降低功率损耗。
6.如权利要求3所述的磁条数据传输驱动器，其特征在于，配置开关驱动器，设置第二开关在持续接通状态下，根据第一控制信号和第二控制信号，在接通和断开状态之间重复切换第三开关，反向驱动这对低端开关。
7.如权利要求6所述的磁条数据传输驱动器，其特征在于，配置开关驱动器，根据第一控制信号的工作周期和第二控制信号的工作周期，在接通和断开状态之间重复切换第三开关；
其中调节第一控制信号的工作周期，设置反向负载电流不超过一预定的电流极限的下降部分具有负向第一斜率，以产生正背部电磁力，于接收器中生成高于一正参考电压的信号，以识别所产生的背部电磁力对应高脉冲信号；并且
其中调节第二控制信号的工作周期，设置反向负载电流达到该电流极限之后的上升部分，具有正向第二斜率，正向第二斜率的绝对值低于负向第一斜率的绝对值，以产生负背部电磁力，于接收器中生成高于一负参考电压的另一个信号，以便在没有信号传输时降低功率损耗。
8.一种用于驱动磁条数据传输驱动器的方法，带有低功率、磁条数据传输驱动器产生的可靠信号传输，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
提供一对包含第一开关和第二开关的高端开关；
提供一对包含第三开关和第四开关的低端开关；第一、第二、第三和第四开关以全桥式结构排布，连接到电压源和接地；
提供一个电感线圈连接到开关的全桥式结构的输出端；
驱动具有上升部分和下降部分的负载电流，正向或反向通过电感线圈，利用可编程控的负载电流上升和下降斜率，在接收器处产生可识别的背部电磁力，在负载电流上升和下降部分模拟磁条数据，并在没有信号传输时，利用脉宽调制控制可编程的负载电流上升和下降斜率，降低功率损耗。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括提供二极管，连接到每个第一、第二、第三和第四开关上，以便于在开关断开时，根据电感线圈中存储的能量，自由切换负载电流。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，利用可编程的负载电流上升和下降斜率驱动通过电感线圈的负载电流，产生磁信号，包括选择性地重复切换这对低端开关或这对高端开关。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，选择性地重复切换这对低端开关或这对高端开关包括：
设置第一开关在持续接通状态下，在接通和断开状态下重复切换第四开关，利用可编程负载电流上升和下降斜率，正向驱动负载电流；以及
设置第二开关在持续接通状态下，在接通和断开状态下重复切换第三开关，利用可编程负载电流上升和下降斜率，反向驱动负载电流。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，选择性地重复切换这对低端开关或这对高端开关包括：
设置第四开关在持续接通状态下，在接通和断开状态下重复切换第一开关，利用可编程负载电流上升和下降斜率，正向驱动负载电流；以及
设置第三开关在持续接通状态下，在接通和断开状态下重复切换第二开关，利用可编程负载电流上升和下降斜率，反向驱动负载电流。
13.如权利要求8所述的方法，其特征在于，利用可编程的负载电流上升和下降斜率驱动通过电感线圈的负载电流，产生磁信号，包括根据第一PWM控制信号的工作周期和第二PWM控制信号的工作周期，在接通和断开状态之间，重复切换开关，包括：
调节第一PWM控制信号的工作周期，设置正向负载电流不超过一预定的电流极限的上升部分具有正向第一斜率，以产生负背部电磁力，于接收器中生成低于负参考电压的信号，以识别所产生的背部电磁力对应低脉冲信号；并且
调节第二PWM控制信号的工作周期，设置正向负载电流在达到该预定的电流极限后的下降部分，具有第二斜率，第二斜率值低于正向第一斜率值，以产生正背部电磁力，于接收器中生成低于正参考电压的另一个信号，以便在没有信号传输时降低功率损耗。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，选择正向第一斜率，以提供负载电流上升部分足够的时间，在接收器中使该负背部电磁力产生的信号识别为低脉冲信号。
15.如权利要求8所述的方法，其特征在于，利用可编程的负载电流上升和下降斜率驱动通过电感线圈的负载电流，产生磁信号，包括根据第一PWM控制信号的工作周期和第二PWM控制信号的工作周期，在接通和断开状态之间，重复切换开关，包括：
调节第一PWM控制信号的工作周期，设置反向负载电流不超过一预定义的电流极限的下降部分，具有负向第一斜率，以产生正背部电磁力，于接收器中生成高于正参考电压的信号，以识别所产生的背部电磁力对应高脉冲信号；并且
调节第二PWM控制信号的工作周期，设置反向负载电流达到该电流极限之后的上升部分，具有正向第二斜率，正向第二斜率的绝对值低于负向第一斜率绝对值，以产生负背部电磁力，于接收器中生成高负参考电压的另一个信号，以便在没有信号传输时降低功率损耗。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，选择负向第一斜率，以提供负载电流下降部分充足的时间，在接收器中使该正背部电磁力产生的信号识别为高脉冲信号。
17.如权利要求8所述的方法，其特征在于，中间阶段是在正向和反向之间，其中负载电流在中间阶段降至零，以提高功率效率。
18.如权利要求8所述的方法，其特征在于，通过改变PWM控制信号的工作周期，控制负载电流上升和下降斜率的线性；其中对于线性斜率来说，PWM工作周期是变化的，其中对于非线性对数斜率来说，PWM工作周期是常数。
19.如权利要求8所述的方法，其特征在于，PWM开关频率在负载电流的上升部分和下降部分高于输入信号频率以减低负载电流的涟波。
20.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括一个脉冲频率调制方法包括固定导通时间控制和固定断开时间控制，以控制负载电流上升和下降斜率。
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