現代支付系統的移動性越來越強，因此，電力非常寶貴。非接觸式支付技術需要強大的功率來激勵運營量并為呈現給它的任何支付卡供電。本應用筆記介紹了使用Maxim Secure NFC微控制器可顯著降低支付系統功耗要求的想法。這些方法都用圖表詳細說明，這些圖表顯示了每個方法在實際系統上的當前使用情況。還提供了應用程序代碼。

介紹

移動智能手機使用的爆炸式增長及其不斷擴展的功能改變了支付世界。除了希望用手機支付商品的客戶之外，零售商和服務提供者還必須能夠在新的和通常的地方、食品卡車、房屋甚至高速公路邊接受付款。與所有電池供電設備一樣，這些移動支付系統在兩次充電之間可以運行的時間是一個持續的挑戰。

與長時間運行直接相反，非接觸式（NFC）支付技術需要強大的功率來為現場任何卡（PICC）或移動電話供電。近年來，EMV非接觸式規范的變化進一步增加了所需的功率，而現代緊湊型設計減小了天線尺寸并增加了現場的RF負載。

這種功率雖然很大，但只是對系統電池的一個需求。處理器、LCD、無線通信（Wi-Fi、藍牙、蜂窩）、熱敏收據打印機等都在爭奪電池電量。加熱是大功率使用的另一個重要考慮因素，移動系統通常密封嚴密，以幫助保護它們免受環境問題的影響，并且只能通過其框架和外殼散熱。

本應用筆記探討了降低Maxim安全NFC微控制器非接觸式接口功耗的方法。

低功耗輪詢

許多銷售點 （POS） 終端固定在一個位置，并且始終連接到電源。這些系統通常使用全速應用程序輪詢，因為功率是無限的，但對于移動支付系統，電源使用至關重要。移動系統必須考慮系統的所有功率需求。但是，本應用筆記僅考慮NFC接口。

輪詢基礎知識

輪詢是NFC讀卡器在其工作卷中查找卡的過程。在一個典型的例子中，讀卡器激活該字段，然后必須等待5.1ms才能使存在的卡通電。在此之后，為A型卡發送喚醒命令（WUPA），然后在另外5.1ms后，發送B型卡的喚醒命令（WUPB）。假設沒有卡響應這些命令，讀卡器將關閉該字段。總的來說，這個過程需要~11.2ms。圖 1 顯示了基本的輪詢過程。

圖1.基本輪詢。

電流消耗

由于NFC并不總是處于活動狀態，因此平均功耗是關鍵指標。功率的基本公式是：

P = IV

V（電壓）在這里可以被認為是固定的，因此I（電流）與功耗有直接關系。圖 2 顯示了輪詢時使用的電流的簡單視圖。

圖2.輪詢功耗周期。

有兩種狀態;活動（輪詢）和非活動（關閉電源）。要計算輪詢時使用的平均電流，請比較磁場處于活動狀態時和不活動時的占空比。顯然，更多的活動時間意味著更高的電流消耗。這可以使用以下公式計算：

典型工作電流

非接觸式接口具有幾種不同的電源域或電源軌：

數字：數字基帶 （DBB）、寄存器、狀態機等，通過 V 供電主要

模擬接收：模數轉換器 （ADC）、混頻器等通過 V 供電DD_RF_RX和 VDD_RF_1V

模擬傳輸：通過V供電的功率放大器等DD_RF_TX

到目前為止，該發射器消耗的功率最多，在 365.3V 或 3.1 W 時的典型有效工作電流為 2mA。每個系統的發射器實際消耗的電流都不同，因為通過EMC濾波器，天線匹配電路以及最后的天線的外部連接對于每個系統都是唯一的。同樣，天線附近的外部負載（例如大型金屬部件）會增加發射場感知的負載。

本應用筆記僅考慮發射軌及其相關功率。當不主動傳輸時，所有非接觸式電源在掉電模式下的功耗為數據手冊參數：IDDA_RF_PD4.4μA（典型值）但是，發射軌上的電流在未傳輸時實際上為零，因此假設在磁場未通電時沒有功耗。

低功耗輪詢的概念

輪詢期間所用功率的總體減少來自最小化活動傳輸時間。系統沒有現場傳輸的時間越長，使用的功率就越少。但是，如果系統延遲過度，則會影響客戶體驗。系統不應讓客戶感到緩慢。理想情況下，低功耗輪詢必須在最小化功耗和保持合理的客戶體驗之間取得平衡。

本應用筆記介紹了兩種減少活動輪詢時間的機制：

降低輪詢率。

減少在現場檢測卡片的時間。

系統可用于降低輪詢功耗的另一種方法是僅在預期付款時啟用輪詢。例如，只有在賣方將銷售金額輸入POS并將設備交給付費客戶后，才能激活輪詢。如果首先激活備用支付界面、聯系人卡或磁條等，也可以禁用它。此方法特定于應用，超出了本應用筆記的范圍。

降低輪詢率

減少輪詢頻率是降低功耗的最明顯方法。所需要的只是在順序輪詢嘗試之間添加可編程延遲。回想一下，標準輪詢需要 ~11.2ms，然后持續 ~5.1ms 的 NFC 復位，然后再重復序列。

在未檢測到卡的輪詢嘗試之后，POS 可以簡單地禁用該字段，并延遲或休眠一段時間，而不是繼續輪詢。此非活動時間越長，消耗的平均輪詢功率就越低。但是，如前所述，系統不應過度延遲，因為這會對客戶體驗產生負面影響。

本應用筆記選擇400ms的輪詢間延遲，作為節能和客戶體驗之間的良好折衷。此值是支付應用程序可以并且應該作為整體系統優化的一部分進行調整的起點。例如，系統可能愿意在輪詢嘗試之間忍受更長的時間，以節省更多電量，但代價是迫使客戶將卡保留更長時間。

減少卡片檢測時間

此方法更復雜，應與降低的輪詢速率結合使用。這個想法是在現場檢測潛在的卡，而無需花費完整的~11.2ms的EMV輪詢時間。如果通過此方法檢測到潛在的卡，則讀卡器將繼續進行標準激活，以確定它是否是實際的支付卡。如果未檢測到潛在的卡，則會盡快禁用該字段。

為此，Maxim的安全NFC微控制器利用現場檢測（FD）功能。主動傳輸此特征時，對場進行采樣并確定其近似水平。這可以在比等待所需的通電時間和發送 WUPA/WUPB 命令更短的時間內完成。當卡進入讀卡器的工作音量時，當其天線等開始從現場收集功率時，它會略微降低場電平。卡通常放置在場上的負載越大，卡離天線越近。

不同的牌在場上呈現不同的負載。有些可能只將場減少幾個FD最低有效位（LSB）。為了最大限度地提高FD特性的靈敏度，在系統設計的天線匹配階段，必須注意正確設置接收器分壓電阻，并可能調整接收器衰減。目標是在字段為空時使測量的FD水平盡可能接近最大值255，而不會超過該最大值。

注意：如果呈現給接收器的場電平太大，則無論現場卡的負載如何，它都可能始終將 255 報告為 FD 電平。

此外，如果磁場測量的數值較低，例如空時為100，則檢測靈敏度要低得多，并且可能根本無法檢測到潛在的卡，或者僅在非常靠近讀卡器天線時才檢測到。有關更多詳細信息，請參閱 PCD 天線匹配指南和 AFE 調諧指南。

為此，首先必須對字段進行采樣以確定空字段級別。對于本應用筆記，這是通過在首次激活示例時對場進行5次采樣來完成的，并對場電平進行平均和記錄。

隨后的卡檢測嘗試會激活測量當前FD水平的字段。如果當前字段始終低于記錄的空字段級別，則表示字段中存在潛在卡，并且完全激活繼續進行。

程序：

如上所述，建立空字段 FD 閾值。

輪詢間延遲后，激活讀取器的射頻場。用于此目的的RF驅動器例程還初始化外設并執行各種校準程序。

測量FD水平。

停用射頻場。

將測量的FD水平與空閾值進行比較，如果測量的水平較低，則繼續執行完整的EMV輪詢程序以激活并在潛在卡上操作。

開始輪詢間延遲并返回到步驟 2 或停止輪詢，具體取決于應用程序要求。

應用程序與 EMV 認證輪詢

重要的是要注意，EMV 1 級測試所需的輪詢方法與應用程序中應使用的輪詢方法不同。所需的輪詢例程由 EMV 的設備測試環境 （DTE） 規范指定，以滿足測試工具要求。具體而言，如果在字段中找不到卡，則認證輪詢不會發出重置。它只是發送另一輪 WUPA 和 WUPB 命令，而無需交錯重置。

注意：NFC 重置程序將完全禁用該字段 5.1 毫秒，足以讓存在的卡斷電和上電復位 （POR）。

認證輪詢僅在檢測到問題（如碰撞等）或測試計算機本身指示時重置字段。如果未檢測到卡，應用程序輪詢將重置該字段。因此，認證輪詢使用最高的功率。

設備自加熱

激活RF場可能會消耗大量功率，根據系統配置，可提供高達1.2W或更高的功率。雖然發射器阻抗很小，但通道超過一安培會導致器件自熱。隨著器件升溫，為磁場供電的晶體管效率降低，導致磁場強度略有降低。建議打開和關閉場的占空比，以減輕這種自發熱。

將器件置于安全網狀或外殼內的系統安全要求可能會進一步阻礙安全微控制器的器件散熱。

即使使用基本的低功耗輪詢，也可以減少由于自發熱而導致的任何問題。但是，EMV認證測試需要最高功率輪詢。如果磁場保持開啟時間過長，熱量可能會導致磁場強度略有降低。如果場強余量不足，則可能會發生測試失敗。總體而言，強烈建議在EMV認證期間，在沒有主動執行測試時禁用該字段，并在必要時暫停測試并定期禁用該字段以允許設備冷卻。

熱參數

熱阻（θ和） 表示 NFC 發射器附近的芯片面積略高于數據手冊中 169 引腳球柵陣列 （BGA） 封裝中詳細描述的 21°C/W 與 18.75°C/W 的芯片面積。 結溫的預測取決于功耗。回想一下：

TJ= T一個+ （i和× PD)

其中 TJ為結溫，T一個為環境溫度，PD是封裝中耗散的功率。因此，功耗直接決定了結溫。電源由 V 提供DD_RF_TX電源軌為 3.3V。消耗的電流取決于幾個變量，例如外部天線匹配、所選驅動強度和工作占空比。傳輸驅動強度由最終應用軟件選擇，但它通常是可能的最大驅動。工作占空比之前已經討論過，它與功耗有直接的線性關系，即，如果只在25%的時間內處于活動狀態，則功耗僅為25%，溫度升高僅為25%。應注意保證器件在任何較長的時間內不超過 125°C 的絕對最大結溫。

外部天線匹配

外部EMC濾波器、匹配網絡和PCD天線的阻抗是影響發射器功耗的重要因素。圖3顯示了輸入阻抗的簡化概述（R在） 由發射器驅動程序看到。

圖3.發送驅動器看到的輸入阻抗。

注：R在是一種復阻抗，由網絡中的所有組件決定，包括電阻器、電容器、電感器和天線線圈。

阻抗應使用13.56MHz的網絡分析儀測量。理想情況下，當安裝在最終系統組件中時，應測量該阻抗，因為附近的導電材料會影響結果。有關更多詳細信息，請參閱PCD天線匹配指南。

確定 R 后在，可以使用以下公式估計電流消耗，該公式確定為圖4所示數據的擬合線。

我德克薩斯州= 754.95 × R在?0.513

圖4.阻抗與發射電源電流的關系

電源使用比較

下圖顯示了 V 的當前使用情況DD_RF_TX在各種輪詢程序中。表 1 顯示了每種電源的比較。這些電流圖是使用吉時利 DMM7510 萬用表捕獲的，并使用 python 腳本繪制。每個圖都使用不同版本的卡片檢測，可以直觀地看到。找到卡后，應用程序開始完全激活（WUPA，ANTICOLLISION，SELECT，RATS），最后發送接近支付系統環境應用協議數據單元（PPSE APDU）。從響應應用程序協議數據單元 （RAPDU） 響應中，檢索應用程序標識符代碼 （AID）。某些卡還包含卡名稱的字符串，但如果沒有，則會從已知卡類型的表中查找 AID。在每個圖中，顯示了幾次輪詢嘗試，但沒有找到卡，然后是完整的激活序列和PPSE APDU交換。

EMV L1 認證輪詢

圖 5 顯示了 EMV L1 認證期間使用的輪詢。

注意：WUPA 和 WUPB 的前 2 個序列未找到卡片，但第三個 WUPA 獲得有效響應。

這將開始激活序列和 AID 檢索。有趣的是，在這些命令之后甚至可以看到卡（PICC）響應，因為電流的變化要小得多。PPSE完成后，卡將被重置。

注意：此序列僅用于演示目的，實際的支付序列包括更多的APDU交換，并且最后可能會刪除過程。

圖5.帶有命令標簽的 EMV L1 認證輪詢。

持續輪詢

此輪詢變體不斷輪詢進入字段的卡。但是，與認證輪詢相比，在未找到卡后，將重置該字段。圖 6 顯示了可以識別檢測周期的當前使用情況，即字段兩次激活之間的時間。回想一下字段打開 5.1 毫秒的激活要求，然后是 WUPA，另一個 5.1 毫秒延遲然后是 WUPB。在對任何一個都沒有響應后，該字段將重置為 5.1 毫秒。檢測周期為17.6ms，非活動時間為5.1ms。這表示活動現場占空比為 71%，而認證輪詢為 100%。

圖6.持續輪詢。

基本低功耗輪詢

在這里，我們降低系統的輪詢速率以降低功耗。輪詢的進行方式與上一個示例中的相同。但是，在未找到卡后，該字段不會發出 5.1ms 的重置，而是停用。禁用該字段時，應用程序會延遲或休眠 400 毫秒，然后重復該序列。400ms 是讀取響應能力和大量節能之間的良好折衷。圖 7 顯示了此輪詢方案的當前圖。這顯然比持續輪詢消耗更少的功率。檢測周期從 17.6ms 增加到 412ms，但非活動時間從 5.1ms 增加到 400ms。這表示活動現場占空比為 2.9%，而持續輪詢為 71%。

圖7.基本低功耗輪詢。

現場級卡檢測

此方法通過減少檢測卡所需的活動場時間，擴展了先前方法提供的節能效果。它不使用完整的 ~11.2ms 輪詢序列，而是僅激活字段足夠長的時間以測量字段電平。如果級別低于檢測閾值，它將開始正常輪詢序列以處理卡。有關此方法的更多詳細信息，請參閱減少卡檢測時間部分。使用這種方法，系統只需要激活 657us 的字段，與 17.11ms 的標準輪詢時間相比，這是一個巨大的改進 （2x）。這意味著有效現場占空比僅為0.16%，而基本低功耗輪詢為2.9%。為了進一步減少這種有源場時間，未來版本的RF驅動器可能會提供專用的卡檢測例程。圖 8 顯示了現場級卡檢測。

圖8.現場級卡檢測。

結論

表 1 中總結的結果清楚地顯示了這些低功耗輪詢方法提供的節能效果。某些系統和應用可能不需要最小化功耗，但所有系統和應用都應考慮輪詢占空比對整體系統熱預算的影響。

此外，開發人員可以輕松修改檢測周期，以提供所需的節能和響應能力。

注意：將場電平檢測方法的非活動時間加倍的最后一個表條目線性地將平均電流減少一半。

輪詢說明	T不動（毫秒）	T做（毫秒）	我平均（毫安）
EMV L1 認證輪詢	0	12.437	365
EMV 常量輪詢	5.164	12.437	257.9
基本低功耗輪詢（400ms）	400.026	11.952	10.6
現場級檢測輪詢（400ms）	399.736	0.657	0.603
場級檢測輪詢（外推800ms）	799.736	0.657	0.304

應用程序代碼

顯示低功耗輪詢技術的應用示例代碼作為NFC DTE示例的一部分包含在最新的非接觸式支持包版本中。

審核編輯：郭婷