WPI NXP PCF7991 调谐

一、 PCF7991 简介

作为 NXP PEPS 架构 LF 芯片的“老大哥”,PCF7991(代号 ABIC1)设计的目的便是在 125kHz 这一频段,结合幅移键控(简称 ASK)的技术向钥匙(简称 Transponder)发送数据;同时还基于幅值调制/相位调制(AM/PM)的原理,读取来自钥匙的数据。如 1.1 所示。

 

1.1 基站端与钥匙 LF 数据通讯

而 NXP 在对于 PCF7991 的介绍中更多的是涉及 IMMO 的通讯方式,而在本篇章中我们将主要针对 PKE 功能进行讲解。换言之,从基站端到钥匙的 125kHz 数据传输将是本次的重点。

因为基站数据传输采用的是幅移键控,所以这其中将涉及到幅值调制,而在 PCF7991 中,幅移键控的调制深度为 100%,所以又可将其称为一种特殊的幅移键控——二进制振幅键控(OOK)。而这该调制可以通过主控芯片对 PCF7991 串口的控制来实现。具体来说就是通过 SCLK、DOUT 以及 DIN 这 3 个串口对 PCF7991 Configuration Pages 进行写入,再计算采样相位,进行通用设置,然后通过 WRITE_TAG(_N) 开启透传。这之后用户通过控制 DIN 的电平高低变化,即可实现天线驱动的关闭和开启,这也就完成了 OOK 调制。

 

二、 调谐的原因

在 PEPS LF 这部分调谐是非常有必要的一部分,对于 PCF7991 而言也不例外。在用户对这颗低频芯片进行类似 2.1 的操作时,肯定会注意到 GET_CONFIG_PAGE 2 以及 GET_CONFIG_PAGE 3 回传的状态位 ANTFAIL 发生了置位。而这有一部分原因就是 LF 天线选择存在问题,或者更准确地说是天线失谐了。

2.1 PCF7991 配置流程

2.2 是 GET_CONFIG_PAGE 命令发送之后各自的响应,其中如果 PAGE2 以及 PAGE3 响应的 bit 4 为 1,则说明天线有失谐的可能。

 

2.2 GET_CONFIG_PAGE 响应

天线失谐,则意味着低频数据不会被调制到 125kHz 载波上,这也就意味着在钥匙接收天线正常的情况下,双方的通信有可能受影响。另外对于 PCF7991 而言,天线失谐还会导致天线故障。这也就导致天线电流以及 Tap Point 的电压无法处于正常的工作状态,具体来说就是电流电压值偏低,如 2.3 所示。

 

2.3 失谐情况下,天线电流(CH4,绿色)很低

电流值较低可以理解为基站 LF 信号发射功耗受限,这将会影响到 PKE 的通讯距离,如果需要解决这一问题,LF 天线调谐是非常有必要的。

 

三、 调谐方法
1. 使用网络分析仪调谐

在调谐的过程中,用户可以使用网络分析仪来判断 125kHz 是否是谐振点,不仅如此使用网络分析仪还可以测量包含  Rrf 以及 Rcopper  在内的天线阻抗的实部 Rant,该参数主要是由 3.1 中的 Ra 决定,并且会决定天线的最大电流。

 

3.1 包含 EMI 保护的天线电路

而在调试的过程中,可以先将该部分电路与芯片端的 TX1,TX2 以及 RX 引脚断开,然后将天线电路需要接入 TX1 以及 TX2 的末端接入网络分析仪(注意天线需要保持连接以构成完整的回路),之后只需要调整 La 或者 Ca(当然这里建议先确定好 La,再去调整 Ca 容值),保证 125kHz 阻抗虚部尽可能为 0,实部便是  Rant,如 3.2

 

3.2 网分 125kHz 呈阻性, Rant = 32.375Ω(图像仅作说明使用)

2. In-system调谐

对天线调谐,还可以利用示波器进行,用户可以将探头放置于 Tap Point 的位置,因为在正弦波的半个周期内,均会出现因为驱动开关而形成的 5V-step,如果 5V-step 位于波峰和波谷之外的位置,则说明天线失谐,如 3.3;反之则证明天线经过了调谐,如 3.4

 

3.3 5V-step 不在波峰和波谷(CH2,蓝色),天线失谐

 

3.4 5V-step 位于波峰波谷(CH1,黄色),天线调谐

 

四、 注意事项

在进行天线调谐的过程中推荐先确定天线的感值,对于大多数峰值电流在 200mA 的应用中,推荐选择 400uH ~ 500uH,而 200uH~250uH 则可以用在 Burst Mode 中。

电感确定好之后,可以开始调整 Ca,Ca 与其串联电容 Cs 共同构成谐振电容。Cs 可以选取大一点的容值,并且对于精度要求可以不用太高。但是 Ca 就需要使用高精度,NP0 电容(排除烙铁焊接等情况对容值的干扰),由于容值属于 nF 级别,所以为了选料方便一点,Ca 的封装也尽可能大一些(0603 以上)。

五、 参考文献
  • 1) f7991at.pdf
  • 2) AN99075-V2.pdf
  • 3) Circuit design guide.pdf

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