NXP NCF3321 車規級 NFC 前端 IC 簡述

一、前言

NCF3321 是世平集團代理的 NXP 所研發的新一代車規級 NFC 前端 IC，相比上代 NFC 前端 IC 性能提升巨大、支持多類型多協議卡檢測、支持手機模擬 NFC 識別、支持手機與卡共同檢測、寬範圍工作溫度工作更加穩定。

NCF3321 是一款高度集成的高性能、完全符合 NFC 論壇標準的 13.56 MHz 非接觸式通信前端 IC，它採用了出色的調製和解調概念，完全集成了不同類型的非接觸式通信方法和協議。NCF3321可確保與下一代 NFC 手機的最大互操作性。NCF3321 針對門把手應用進行了優化，並實現了具有超低功耗卡檢測的大功率發射器功能。

本文將從晶片規格、特性優點與功能描述等方面簡述 NCF3321。

二、晶片規格

2.1 模塊框圖

NCF3321 內部模塊圖

橙色：主機接口；綠色：時鐘與復位；灰色：地；紅色：供電；紫色：電容器穩定輸出；藍色電容器穩定輸出；黃色：天線連接；

2.2 引腳信息

NCF3321 引腳信息圖

QFN40 引腳描述表

引腳號	標識	類型	描述
1	VBATPWR	輸出	連接到 39 引腳和發射電源
2	VSS	供電地	地
3	VSS_REF	供電地	PMU 地
4	VREF	輸出	高靜態參考電壓，通過 100nF 隔離電容連接到地
5	VBAT	供電	系統供電，用於提供模擬與數字模塊、存儲器和內部參考電壓
6	VUP_TX	供電	用於發射機 LDO 輸入電源電壓
7	TXVCASC	輸出	TX 去耦電容，連接到 VDDPA
8	VSS	供電地	地
9	VDDPA	供電	發射機供電
10	TXVCM	輸出	發射機電壓共模，通過 220nF 隔離電容連接到地
11	TX1	輸出	天線驅動輸出1
12	VSS_PA	供電地	發射機地
13	TX2	輸出	天線驅動輸出 2
14	RXN	輸入	接收機“負”輸入
15	RXP	輸入	接收機“正”輸入
16	VMID	輸出	穩定電容連接輸出，連接到天線的電對稱點（通常是天線地）
17	VSS	供電地	地
18	XTAL1	輸入	晶體/系統時鐘輸入
19	XTAL2	輸出	晶體時鐘輸出（放大器反向信號輸出）
20	AUX_3	輸出	測試總線 3
21	AUX_1	輸出	測試總線 1
22	AUX_2	輸出	測試總線 2
23	VSS	供電地	地
24	ATX_A	輸出	串行數據輸出
25	ATX_B	輸入	串行時鐘
26	ATX_C	輸入	晶片選擇
27	ATX_D	輸入	串行數據輸入
28	IRQ	輸出	主機通信/事件中斷信號
29	VDDIO	供電	IO 板供電
30	GPIO3	輸出	通用輸出 3
31	GPIO2	輸出	通用輸出 2
32	GPIO1	輸出	通用輸出 1
33	GPIO0	輸出	通用輸出 0
34	n.c.
35	VSS	供電地	地
36	VDDC	輸出	數字內核電源，通過 220nF 隔離電容連接到地
37	VEN	輸入	硬體復位，低電平有效（獨立於 VPVDD）
38	VDDNV	輸出	非易失性存儲電源，通過 220nF 隔離電容連接到地
39	VBATPWR	供電	連接到引腳 1 和發射機電源
40	VSS_PWR	供電地	地

 

三、特性

3.1 熱特性

操作條件

符號	參數	條件	最小值	普通值	最大值	單位
	工作環境溫度	在靜止空氣中與 4 層 JEDEC PCB 上焊接的外露引腳，發射器輸出電流高達 350mA	-40	+25	+85	℃

 

HWQFN40 封裝熱特性

符號	參數	條件	普通值	單位
	從連接點到環境的熱阻	HWQFN40 封裝在自由空氣中焊接在 4 層 JEDEC PCB 外露焊盤上	53	K/W

 

連接點溫度

符號	參數	條件	最小值	最大值	單位
	連接點最高溫度			+125	℃

 

熱關機溫度

符號	參數	條件	普通值	單位
	溫度傳感器檢測到溫度過高導致晶片關機		+125	℃

3.2 靜態特性

VEN 引腳

符號	參數	條件	最小值	普通值	最大值	單位
	高電平輸入電壓		0.7*			V
	低電平輸入電壓		0		0.3*	V
	高電平輸入電流				1	uA
	低電平輸入電流		-1			uA
	輸入電容			5		pF
	終止 ULPCD 必須 VEN 時間		5			ms

 

GPIO（GPIO_0，GPIO_1，GPIO_2，GPIO_3）引腳

符號	參數	條件	最小值	普通值	最大值	單位
	高電平輸入電壓		0.65*VDDIO		VDDIO+0.5	V
	低電平輸入電壓		-0.5		0.35*VDDIO	V
	高電平輸出電壓		VDDIO-0.4		VDDIO	V
	低電平輸出電壓		0		0.4	V
	高電平輸出電流				3	mA
	低電平輸出電流				3	mA
	高電平輸入電流				1	uA
	低電平輸入電流				1	uA
	弱上拉電阻		40	50	62	KΩ
	弱下拉電阻		40	50	62	KΩ

 

CLK1，CLK2 引腳

符號	參數	條件	最小值	普通值	最大值	單位
	峰峰輸入電壓		0.4		1.65	V
	高電平輸入電流	VI=1.65 V，不省電，激活模式			7	uA
	低電平輸入電流	VI=0 V，不省電，激活模式			1	uA
δ	工作周期		35		65	%
	CLK1 引腳的輸入電容	VDD=1.8 V，VDC=0.65 V，VAC=0.9V（p-p）		1		pF
	CLK2 引腳的輸入電容	VDD=1.8 V，VDC=0.65 V，VAC=0.9V（p-p）		1		pF

 

IRQ 引腳

符號	參數	條件	最小值	普通值	最大值	單位
	高電平輸出電壓		-0.4			V
	低電平輸出電壓		0		0.4	V
	高電平輸出電流				3	mA
	低電平輸出電流				3	mA
	負載電容				10	pF
	下降時間		1		3	ns
	上升時間		1		3	ns
	下拉電阻		40		62	KΩ

 

ATX_B，ATX_C，ATX_D 引腳

符號	參數	條件	最小值	普通值	最大值	單位
	高電平輸入電壓		0.65*			V
	低電平輸入電壓		-0.5		0.35*	V
	高電平輸入電流				1	uA
	低電平輸入電流				1	uA
	輸入電容			5		pF

 

ATX_A 引腳

符號	參數	條件	最小值	普通值	最大值	單位
	高電平輸出電壓		-0.4			V
	低電平輸出電壓		-0.4		0.4	V
	高電平輸出電流				3	mA
	低電平輸出電流				3	mA
	負載電容				10	pF
	下降時間		1		3	ns
	上升時間		1		3	ns

 

RXp，RXn 引腳

符號	參數	條件	最小值	普通值	最大值	單位
	動態輸入電壓				1.8	V
	輸入電容			1		pF
	從 RXN，RXP 引腳到 VMID 引腳的輸入阻抗	讀取，卡和 P2P 模式			15	KΩ

 

TX1，TX2 引腳

符號	參數	條件	最小值	普通值	最大值	單位
	高電平輸出電壓	和內部VDDPA LDO				V
	低電平輸出電壓	和內部VDDPA LDO	0	200		mV

AUX1，AUX2，AUX3 引腳（調試輸出）

符號	參數	條件	最小值	普通值	最大值	單位
	高電平輸出電壓	作為調試信號輸出引腳	VDDIO-0.4		VDDIO	V
	低電平輸出電壓	作為調試信號輸出引腳	0		0.4	mV
	高電平輸出電流				3.0	mA
	低電平輸出電流				3.0	mA
	負載引腳的輸出電容			5	10	pF

四、功能描述

4.1 主控制器連接

NCF3321 連接到具有快速 SPI 接口(15 Mbit/s)的主機微控制器，用於配置 NFC 數據交換和高級 NFC 協議實現。支持基於 TLV 幀優化，以減少主機控制器上的命令處理消耗並減少命令響應延遲。允許在一幀內發送多個命令，並按順序處理。這大大減少了事務的握手時間，從而縮短了事務的總時間。

4.2 時鐘供應

NCF3321使用外部27.12 MHz晶體振盪器作為時鐘源來產生射頻場及其內部數字邏輯。另外其內部鎖相環允許使用 12、24、32 和 48 MHz 外部時鐘源（在 EEPROM 寄存器 CLK_INPUT_FREQ，0012h 中配置）。這允許在實現上述時鐘頻率之一的系統中節省 27.12 MHz 晶體振盪器。

4.3      發射器 LDO（TX_LDO）

發送器輸出驅動由發送器 LDO 提供，它可以降低外部噪聲並用於 DPC 功能以降低發送器的供電電壓。設置 TX_LDO 輸出電壓為高間隔 100mV 與複雜的控制環路、實時電流檢測一起確保 DPC 調節不會被意外識別為接收數據。

4.4      低功耗卡檢測

低功耗卡檢測（LPCD）允許在輪詢 NFC 對應物（如卡與手機）期間節省電池電量。通常，低功耗卡檢測提供允許在一定時間內將讀卡器斷電達到安全能源的功能。一段時間後，閱讀器會再次激活以輪詢卡片，如果沒有檢測到卡，讀卡器再次返回斷電狀態。在輪詢時間內，主機控制器可以設置為省點模式，NCF3321 的中斷請求將在檢測到卡或手機引起天線失諧的情況下喚醒主機控制器。

低功耗卡檢測有以下兩種模式：

• 允許最大檢測範圍的 LPCD（基於軟體）模式，為了檢測卡的存在，該模式使用 I/O 通道信息。
• 最大程度節省電流的 ULPCD（基於硬體）模式，為了檢測卡的存在，該模式僅使用振幅信息。

4.5 動態功耗控制 2.0（DPC 2.0）

新一代動態功耗控制（DPC 2.0）具有發射器實時電流測量功能，無需與主機交互可自主工作。對於時間緊迫的應用程序（如支付）避免額外的主機控制器處理負載非常重要，小於 1ms 的快速控制相應時間允許使用優化的天線匹配。

4.6 自適應波形控制（AWC）

自適應波形控制（AWC）有助於將波形保持在規格限制內，即使在天線失諧的情況下任然可以將波形保持在規格內。這簡化了耗時的天線匹配程序，並且無需採取任何匹配折中方案。

4.7 接收信號電平控制

接收器信號鏈有一個自動控制 RF 輸入衰減器與一個實時基帶放大器（BBA）組成，此功能提供一個優秀的通信範圍用於與標籤、卡和手機通信。

4.8 射頻調試

實施全面與創新的調試功能用於支持 NFC 讀卡器開發，即使是非標準兼容的卡與手機。晶片集成的示波器允許對接收器信號執行非侵入式調試，無需將額外的電線連接到晶片。通過配置靈活的觸發條件來捕獲西片內部信號，採樣到的內部數據存儲在 RAM 存儲器中，通過 SPI 傳輸到主機為控制器內，並通過 NFC Cockpit 開發工具在 PC 上可視。NFC Cockpit 工具支持虛擬適配接口（VCOM），允許將 NFC Cockpit 與任何微控制器一起使用。模擬調試信號（AUX1、AUX2）同樣可用，並可連接示波器進行模擬與數字信號調試。

接收器信號經過優化以應對嘈雜的環境，這在含有 TFT 陣列或 DC-DC 模塊的 NFC 系統內是非常有效的。

4.9 自動 EMD 錯誤處理

自動 EMD 處理無需與主機交互即可自動執行，放款了主機控制器的時序要求。支持根據 ISO/IEC 14443 和 EMVCo 3.0 協議自動處理 EMD 錯誤。此外，EMD 錯誤處理是廣泛可配置的，這允許在將來可根據規範的更改進行相關調整。

4.10 固件升級

NCF3321 支持已下載固件的安全更行。安全固件下載模式使用專用命令集，但與用於設備 NFC 操作的標註主機接口命令沒有框架區別。在安全固件更新模式下，NCF3321 無需對 SPI 接口線進行專門的物理處理。固件下載不需要處理任何硬體引腳，而是通過命令激活下載模式然後進行硬體重置，從復位啟動後，NCF3321 將處於下載模式。

4.11 寄存器配置

NCF3321 的內部寄存器存儲易失性配置數據，可由主機接口訪問，在上電、硬體復位和待機的情況下內部寄存器被復位為可配置的初始值。

專用 RF 協議配置和天線相關配置在非易失性存儲器中存儲，這種配置通常只在生產過程中進行一次，並由主機微控制器發出的命令執行。

4.12 EEPROM 配置

NCF3321 的非易失性 EEPROM 存儲器用於存儲需要保存的配置數據，以防 NCF3321 未連接到任何電源電壓情況下丟失數據。專用 RF 協議的配置和天線相關配置在此非易失性存儲器內定義，並通過主機接口命令複製到易失性寄存器。此外，其他在電源斷開時需要保存的配置數據也存儲在該 EEPROM 存儲器中，列如 DPC、LPCD 和 ULPCD 的配置信息。

4.13 RF 配置

NCF3321 允許基於命令 Load_RF_configuraton 和非易失性存儲器（EEPROM）中的預定義用戶配置數據進行快速 RF 協議選擇。

一方面，可以完成調製相關參數的配置（例如選擇 ISO/IEC14443-A），另一方面可以配置特定於天線的參數。

由於篇幅所限本文僅介紹 NCF3321 部分內容。

 

五、參考文獻

[1] DS787721-Data Sheet NCF3321(2.1).pdf，NXP


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作者：Hobo Xu / 許寧