CN111222614A - 一种非接触智能卡芯片自动电流平衡电路 - Google Patents

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朱永成
孙志亮
霍俊杰
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Abstract

本发明提供了一种非接触智能卡自动电流平衡电路。所述自动电流平衡电路包括参考电压Vref、误差放大器、功率管、核心电压，第一采样电阻、第二采样电阻、第一电流采样器、第二电流采样器、冗余电流源和尾电流源；第一采样电阻和第二采样电阻采样核心电压形成采样电压，并将采样电压反馈到误差放大器的输入端，误差放大器将参考电压与采样电压的电压差放大，并调节功率管，流过功率管的电流值大于等于核心电压的负载电流值；所述自动电流平衡电路大大减小了高压器件的使用，去除了传统自动电流平衡电路中的电压检测器、电流调节器以及中间电压域电压节点下填充的高压电容，在保留屏蔽卡片负载变化这一核心功能的同时，有效地减小了芯片面积。

Description

一种非接触智能卡芯片自动电流平衡电路
技术领域
本发明涉及集成电路设计技术领域， 尤其涉及一种非接触智能卡芯片自动电流平衡电路。
背景技术
在非接触智能卡应用中，卡片工作期间的功耗波动会对卡机产生影响，让卡机误以为接收到了卡片信号，从而产生通信错误。为了解决这一问题，通常会在智能卡芯片中加入自动电流平衡（Automatic Current Balance，简称ACB）模块，用来屏蔽卡片工作时的功耗波动，减小错误的发生，增强卡片对不同卡机的兼容性能力。
如图1所示，为现有的自动电流平衡电路结构示意图。现有的自动电流平衡电路包括电流源、电压检测器、电流调节器、去耦电容和电压调节器。现有的自动电流平衡电路结构中，自动电流平衡电路的输入为卡片整流电路输出电压VDD_H，一般为5V；自动电流平衡电路的输出为卡片核心电压VDD_L，一般为1.5V；核心电压VDD_L电压下连接数字电路，表现为不断变化的负载电流Iload及阈值对应的负载电阻RL。
如图1所示，其中，电流源电路从输出电压VDD_H抽取额定电流，保证了整流端输出电流的一致，实现了对负载端Iload变化的屏蔽作用。电压检测器检测中间电压域VDD_M，产生控制信号VC，实时调节电流调节器，维持中间电压域VDD_M的稳定性，并且保证通过电压调节器的负载电流Iload和电流调节器的旁路电流Ipass总和与电流源IT相等。电压调节器完成从中间电压域VDD_M到芯片核心电压VDD_L的转换；去耦电容C1滤除中间电压域VDD_M的高频噪声，保证电压调节器的动态响应性能。
在正常工作时，负载RL会实时变化，负载电流Iload随之产生变化，导致了中间电压域VDD_M的变化；电压检测器检测到中间电压域VDD_M的变化，产生控制信号VC，控制信号VC调节流过电流调节器的旁路电流Ipass，保证中间电压域VDD_M的稳定，负载电流Iload与旁路电流Ipass的和为电流源IT不变。在电压检测器和电流调节器的作用下通常中间电压域VDD_M的变化小于20mV，这样电压调节器就可以产生稳定的核心电源VDD_L。在卡片工作期间，从最前端的整流电路看进去的负载保持为电流源IT，成功地屏蔽了负载RL的波动，消除了卡片工作期间对卡机的干扰。
如图1所示，现有自动电流平衡电路的最大问题是结构复杂，芯片面积开销过大，增加了卡片的成本。具体问题如下：
1）引入了系统不需要的中间电源域VDD_M，串联在链路上的电压调节器需要约0.6V的压差，因此中间电压域VDD_M一般设定在2.1V，中间电压域VDD_M下的器件都必须采用电流效率较低的高压器件，增加了芯片面积开销。
2）通常中间电压域VDD_M节点必须要填充较大的去耦电容C1，才能确保电压调节器的动态响应性能以及核心电压VDD_L的稳定性，且只能填充电容密度较小的耐高压电容，增加了芯片的面积消耗。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供非接触智能卡芯片自动电流平衡电路，去除了传统自动电流平衡电路中的电压检测器、电流调节器以及中间电压域电压节点下填充的高压电容，而增加了电流采样器、冗余电流源和尾电流源，从而实现了自动电流平衡的功能，并且降低了整个自动电流平衡电路的面积。
为了达到上述技术目的，本发明所采用的技术方案是：
一种非接触智能卡自动电流平衡电路，所述自动电流平衡电路包括参考电压Vref、误差放大器、功率管、核心电压，第一采样电阻、第二采样电阻、第一电流采样器、第二电流采样器、冗余电流源和尾电流源，其中，参考电压Vref输入误差放大器，误差放大器连接功率管，功率管连接核心电压、第一采样电阻和第二采样电阻；参考电压Vref、误差放大器、功率管、第一采样电阻和第二采样电阻构成负反馈系统，第一采样电阻和第二采样电阻采样核心电压形成采样电压，并将采样电压反馈到误差放大器的输入端，误差放大器将参考电压与采样电压的电压差放大，并调节功率管，流过功率管的电流值大于等于核心电压的负载电流值；
第一电流采样器采样负载电流，采样比例大于等于1000:1，采样电流值一≥负载电流值/1000；
第二电流采样器采样冗余电流源中冗余电流，采样比例大于等于1000:1，采样电流值二≥冗余电流值/1000，第二电流采样器驱动被采样的冗余电流源；
尾电流源使得采样电流值一与采样电流值二之和的电流值保持不变，保证冗余电流值与负载电流值之和不变。
本发明由于采用了上述自动电流平衡电路包括参考电压Vref、误差放大器、功率管、核心电压、第一采样电阻、第二采样电阻、第一电流采样器、第二电流采样器、冗余电流源和尾电流源的电路结构，所获得的有益效果是，与传统自动电流平衡电路相比，减小了高压器件的使用，去除了传统自动电流平衡电路中的电压检测器、电流调节器以及中间电压域电压节点下填充的高压电容，在保留屏蔽卡片负载变化这一核心功能的同时，有效地减小了芯片面积。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
附图说明
图1是现有的自动电流平衡电路结构示意图。
图2是本发明具体实施之一的非接触智能卡芯片自动电流平衡电路结构图。
图3是本发明具体实施之二的非接触智能卡芯片自动电流平衡电路结构图。
具体实施方式
参看图2，为本发明具体实施之一的非接触智能卡芯片自动电流平衡电路结构图。一种非接触智能卡自动电流平衡电路，所述自动电流平衡电路包括参考电压Vref、误差放大器、功率管MP1、核心电压VDD_L、第一采样电阻R1、第二采样电阻R2、第一电流采样器、第二电流采样器、冗余电流源和尾电流源IB，其中，参考电压Vref输入误差放大器，误差放大器连接功率管MP1，功率管MP1连接核心电压VDD_L、第一采样电阻R1和第二采样电阻R2；参考电压Vref、误差放大器、功率管MP1、第一采样电阻R1和第二采样电阻R2构成负反馈系统，第一采样电阻R1和第二采样电阻R2 采样核心电压VDD_L形成采样电压V sample，并将采样电压V sample反馈到误差放大器的输入端，误差放大器将参考电压Vref与采样电压V sample的电压差放大，并调节功率管MP1，流过功率管MP1的电流值大于等于核心电压VDD_L的负载电流值I load，即VDD_L=Vref*[(R1+R2)/R2] ，流过功率管MP1的电流大于等于VDD_L负载电流Iload。
第一电流采样器采样负载电流I load，采样比例大于等于1000:1，采样电流值一I sample1≥负载电流值I load/1000。
第二电流采样器采样冗余电流源中冗余电流I pass，采样比例大于等于1000:1，采样电流值二I sample2≥冗余电流值I pass /1000；与第一电流采样不一样的地方是，第二电流采样器驱动被采样的冗余电流源。
尾电流源IB使得采样电流值一I sample1与采样电流值二I sample2之和电流值保持不变，保证冗余电流值I pass与负载电流值I load之和不变。
通过计算可得流过VDD_H的总电流近似等于：
I T ≈I load+ I pass +I B
由于电流采样率达到了1000:1，I B可以忽略，因此I T可以进一步近似为：
I T≈I load+I pass =1000*I sample1+1000*I sample2=1000*I B
由于I B不变，则可以得到I T不变，从而实现了屏蔽卡片功耗的功能。
在实际工作中当负载电流I load减小时，则I sample1减小。由于I B恒定，且I B=I sample1+I sample2，则I sample2增大，I pass也会随之增大，从而保证了I T不变。反之当I load增大时，通过上述反馈系统的作用，I T同样为保持不变。
参看图3，为本发明具体实施之二的非接触智能卡芯片自动电流平衡电路结构图。该具体实施例，所述非接触智能卡芯片自动电流平衡电路，包括参考电压Vref、误差放大器0、功率管MP1、核心电压VDD_L，第一采样电阻R1、第二采样电阻R2、功率管MP2、误差放大器1、功率管MP3、功率管MP4、功率管MP5、晶体管MN1和尾电流源IB。
功率管MP2、误差放大器1及功率管MP3组成第一电流采样器，完成对功率管MP1中负载电流Iload的镜像采样功能，采样比例为1000:1。误差放大器1确保功率管MP1和功率管MP2的漏源电压相等，提高镜像准确度。
功率管MP4为第二电流采样器，功率管MP5和晶体管MN1为冗余电流源，功率管MP5与功率管MP4构成电流镜结构。功率管MP4驱动功率管MP5，电流比例为1:1000。功率管MP4、功率管MP5与功率管MP1、功率管MP2构成的电流镜保持对称。晶体管MN1为功率管MP5的负载。
在此电路结构中，由于去除了中间电压域VDD_M电压下的电流调节器、电压检测器以及去耦电容C1，在保证功耗屏蔽功能同时，自动电流平衡电路的面积下降了50%。
需要说明的是，上述实施方式仅以示意方式说明本发明的基本思路，与本发明中有关的组成电路而非按照实际实施时的组成电路数目、形状、器件排列方式、连接方式绘制。其实际实施时各电路的型态、数量、连接方式、器件排列方式、器件参数可为随意的改变。
以上所述的实施例仅是本发明较佳的实施例而已，不能限制本发明技术方案的延伸。凡属本领域技术人员在本发明技术方案基础上所作的任何公知技术的修改、等同变化和显而易见的改换等，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种非接触智能卡自动电流平衡电路，其特征在于，所述自动电流平衡电路包括参考电压Vref、误差放大器、功率管、核心电压，第一采样电阻、第二采样电阻、第一电流采样器、第二电流采样器、冗余电流源和尾电流源，其中，参考电压Vref输入误差放大器，误差放大器连接功率管，功率管连接核心电压、第一采样电阻和第二采样电阻；参考电压Vref、误差放大器、功率管、第一采样电阻和第二采样电阻构成负反馈系统，第一采样电阻和第二采样电阻采样核心电压形成采样电压，并将采样电压反馈到误差放大器的输入端，误差放大器将参考电压与采样电压的电压差放大，并调节功率管，流过功率管的电流值大于等于核心电压的负载电流值；
第一电流采样器采样负载电流，采样比例大于等于1000:1，采样电流值一≥负载电流值/1000；
第二电流采样器采样冗余电流源中冗余电流，采样比例大于等于1000:1，采样电流值二≥冗余电流值/1000，第二电流采样器驱动被采样的冗余电流源；
尾电流源使得采样电流值一与采样电流值二之和的电流值保持不变，保证冗余电流值与负载电流值之和不变。
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