NXP NCF3321 车规级 NFC 前端 IC 简述

一、前言

NCF3321 是世平集团代理的 NXP 所研发的新一代车规级 NFC 前端 IC，相比上代 NFC 前端 IC 性能提升巨大、支持多类型多协议卡检测、支持手机模拟 NFC 识别、支持手机与卡共同检测、宽范围工作温度工作更加稳定。

NCF3321 是一款高度集成的高性能、完全符合 NFC 论坛标准的 13.56 MHz 非接触式通信前端 IC，它采用了出色的调制和解调概念，完全集成了不同类型的非接触式通信方法和协议。NCF3321可确保与下一代 NFC 手机的最大互操作性。NCF3321 针对门把手应用进行了优化，并实现了具有超低功耗卡检测的大功率发射器功能。

本文将从芯片规格、特性优点与功能描述等方面简述 NCF3321。

二、芯片规格

2.1 模块框图

NCF3321 内部模块图

橙色：主机接口；绿色：时钟与复位；灰色：地；红色：供电；紫色：电容器稳定输出；蓝色电容器稳定输出；黄色：天线连接；

2.2 引脚信息

NCF3321 引脚信息图

QFN40 引脚描述表

引脚号	标识	类型	描述
1	VBATPWR	输出	连接到 39 引脚和发射电源
2	VSS	供电地	地
3	VSS_REF	供电地	PMU 地
4	VREF	输出	高静态参考电压，通过 100nF 隔离电容连接到地
5	VBAT	供电	系统供电，用于提供模拟与数字模块、存储器和内部参考电压
6	VUP_TX	供电	用于发射机 LDO 输入电源电压
7	TXVCASC	输出	TX 去耦电容，连接到 VDDPA
8	VSS	供电地	地
9	VDDPA	供电	发射机供电
10	TXVCM	输出	发射机电压共模，通过 220nF 隔离电容连接到地
11	TX1	输出	天线驱动输出1
12	VSS_PA	供电地	发射机地
13	TX2	输出	天线驱动输出 2
14	RXN	输入	接收机“负”输入
15	RXP	输入	接收机“正”输入
16	VMID	输出	稳定电容连接输出，连接到天线的电对称点（通常是天线地）
17	VSS	供电地	地
18	XTAL1	输入	晶体/系统时钟输入
19	XTAL2	输出	晶体时钟输出（放大器反向信号输出）
20	AUX_3	输出	测试总线 3
21	AUX_1	输出	测试总线 1
22	AUX_2	输出	测试总线 2
23	VSS	供电地	地
24	ATX_A	输出	串行数据输出
25	ATX_B	输入	串行时钟
26	ATX_C	输入	芯片选择
27	ATX_D	输入	串行数据输入
28	IRQ	输出	主机通信/事件中断信号
29	VDDIO	供电	IO 板供电
30	GPIO3	输出	通用输出 3
31	GPIO2	输出	通用输出 2
32	GPIO1	输出	通用输出 1
33	GPIO0	输出	通用输出 0
34	n.c.
35	VSS	供电地	地
36	VDDC	输出	数字内核电源，通过 220nF 隔离电容连接到地
37	VEN	输入	硬件复位，低电平有效（独立于 VPVDD）
38	VDDNV	输出	非易失性存储电源，通过 220nF 隔离电容连接到地
39	VBATPWR	供电	连接到引脚 1 和发射机电源
40	VSS_PWR	供电地	地

 

三、特性

3.1 热特性

操作条件

符号	参数	条件	最小值	普通值	最大值	单位
	工作环境温度	在静止空气中与 4 层 JEDEC PCB 上焊接的外露引脚，发射器输出电流高达 350mA	-40	+25	+85	℃

 

HWQFN40 封装热特性

符号	参数	条件	普通值	单位
	从连接点到环境的热阻	HWQFN40 封装在自由空气中焊接在 4 层 JEDEC PCB 外露焊盘上	53	K/W

 

连接点温度

符号	参数	条件	最小值	最大值	单位
	连接点最高温度			+125	℃

 

热关机温度

符号	参数	条件	普通值	单位
	温度传感器检测到温度过高导致芯片关机		+125	℃

3.2 静态特性

VEN 引脚

符号	参数	条件	最小值	普通值	最大值	单位
	高电平输入电压		0.7*			V
	低电平输入电压		0		0.3*	V
	高电平输入电流				1	uA
	低电平输入电流		-1			uA
	输入电容			5		pF
	终止 ULPCD 必须 VEN 时间		5			ms

 

GPIO（GPIO_0，GPIO_1，GPIO_2，GPIO_3）引脚

符号	参数	条件	最小值	普通值	最大值	单位
	高电平输入电压		0.65*VDDIO		VDDIO+0.5	V
	低电平输入电压		-0.5		0.35*VDDIO	V
	高电平输出电压		VDDIO-0.4		VDDIO	V
	低电平输出电压		0		0.4	V
	高电平输出电流				3	mA
	低电平输出电流				3	mA
	高电平输入电流				1	uA
	低电平输入电流				1	uA
	弱上拉电阻		40	50	62	KΩ
	弱下拉电阻		40	50	62	KΩ

 

CLK1，CLK2 引脚

符号	参数	条件	最小值	普通值	最大值	单位
	峰峰输入电压		0.4		1.65	V
	高电平输入电流	VI=1.65 V，不省电，激活模式			7	uA
	低电平输入电流	VI=0 V，不省电，激活模式			1	uA
δ	工作周期		35		65	%
	CLK1 引脚的输入电容	VDD=1.8 V，VDC=0.65 V，VAC=0.9V（p-p）		1		pF
	CLK2 引脚的输入电容	VDD=1.8 V，VDC=0.65 V，VAC=0.9V（p-p）		1		pF

 

IRQ 引脚

符号	参数	条件	最小值	普通值	最大值	单位
	高电平输出电压		-0.4			V
	低电平输出电压		0		0.4	V
	高电平输出电流				3	mA
	低电平输出电流				3	mA
	负载电容				10	pF
	下降时间		1		3	ns
	上升时间		1		3	ns
	下拉电阻		40		62	KΩ

 

ATX_B，ATX_C，ATX_D 引脚

符号	参数	条件	最小值	普通值	最大值	单位
	高电平输入电压		0.65*			V
	低电平输入电压		-0.5		0.35*	V
	高电平输入电流				1	uA
	低电平输入电流				1	uA
	输入电容			5		pF

 

ATX_A 引脚

符号	参数	条件	最小值	普通值	最大值	单位
	高电平输出电压		-0.4			V
	低电平输出电压		-0.4		0.4	V
	高电平输出电流				3	mA
	低电平输出电流				3	mA
	负载电容				10	pF
	下降时间		1		3	ns
	上升时间		1		3	ns

 

RXp，RXn 引脚

符号	参数	条件	最小值	普通值	最大值	单位
	动态输入电压				1.8	V
	输入电容			1		pF
	从 RXN，RXP 引脚到 VMID 引脚的输入阻抗	读取，卡和 P2P 模式			15	KΩ

 

TX1，TX2 引脚

符号	参数	条件	最小值	普通值	最大值	单位
	高电平输出电压	和内部VDDPA LDO				V
	低电平输出电压	和内部VDDPA LDO	0	200		mV

AUX1，AUX2，AUX3 引脚（调试输出）

符号	参数	条件	最小值	普通值	最大值	单位
	高电平输出电压	作为调试信号输出引脚	VDDIO-0.4		VDDIO	V
	低电平输出电压	作为调试信号输出引脚	0		0.4	mV
	高电平输出电流				3.0	mA
	低电平输出电流				3.0	mA
	负载引脚的输出电容			5	10	pF

四、功能描述

4.1 主控制器连接

NCF3321 连接到具有快速 SPI 接口(15 Mbit/s)的主机微控制器，用于配置 NFC 数据交换和高级 NFC 协议实现。支持基于 TLV 帧优化，以减少主机控制器上的命令处理消耗并减少命令响应延迟。允许在一帧内发送多个命令，并按顺序处理。这大大减少了事务的握手时间，从而缩短了事务的总时间。

4.2 时钟供应

NCF3321使用外部27.12 MHz晶体振荡器作为时钟源来产生射频场及其内部数字逻辑。另外其内部锁相环允许使用 12、24、32 和 48 MHz 外部时钟源（在 EEPROM 寄存器 CLK_INPUT_FREQ，0012h 中配置）。这允许在实现上述时钟频率之一的系统中节省 27.12 MHz 晶体振荡器。

4.3      发射器 LDO（TX_LDO）

发送器输出驱动由发送器 LDO 提供，它可以降低外部噪声并用于 DPC 功能以降低发送器的供电电压。设置 TX_LDO 输出电压为高间隔 100mV 与复杂的控制环路、实时电流检测一起确保 DPC 调节不会被意外识别为接收数据。

4.4      低功耗卡检测

低功耗卡检测（LPCD）允许在轮询 NFC 对应物（如卡与手机）期间节省电池电量。通常，低功耗卡检测提供允许在一定时间内将读卡器断电达到安全能源的功能。一段时间后，阅读器会再次激活以轮询卡片，如果没有检测到卡，读卡器再次返回断电状态。在轮询时间内，主机控制器可以设置为省点模式，NCF3321 的中断请求将在检测到卡或手机引起天线失谐的情况下唤醒主机控制器。

低功耗卡检测有以下两种模式：

• 允许最大检测范围的 LPCD（基于软件）模式，为了检测卡的存在，该模式使用 I/O 通道信息。
• 最大程度节省电流的 ULPCD（基于硬件）模式，为了检测卡的存在，该模式仅使用振幅信息。

4.5 动态功耗控制 2.0（DPC 2.0）

新一代动态功耗控制（DPC 2.0）具有发射器实时电流测量功能，无需与主机交互可自主工作。对于时间紧迫的应用程序（如支付）避免额外的主机控制器处理负载非常重要，小于 1ms 的快速控制相应时间允许使用优化的天线匹配。

4.6 自适应波形控制（AWC）

自适应波形控制（AWC）有助于将波形保持在规格限制内，即使在天线失谐的情况下任然可以将波形保持在规格内。这简化了耗时的天线匹配程序，并且无需采取任何匹配折中方案。

4.7 接收信号电平控制

接收器信号链有一个自动控制 RF 输入衰减器与一个实时基带放大器（BBA）组成，此功能提供一个优秀的通信范围用于与标签、卡和手机通信。

4.8 射频调试

实施全面与创新的调试功能用于支持 NFC 读卡器开发，即使是非标准兼容的卡与手机。芯片集成的示波器允许对接收器信号执行非侵入式调试，无需将额外的电线连接到芯片。通过配置灵活的触发条件来捕获西片内部信号，采样到的内部数据存储在 RAM 存储器中，通过 SPI 传输到主机为控制器内，并通过 NFC Cockpit 开发工具在 PC 上可视。NFC Cockpit 工具支持虚拟适配接口（VCOM），允许将 NFC Cockpit 与任何微控制器一起使用。模拟调试信号（AUX1、AUX2）同样可用，并可连接示波器进行模拟与数字信号调试。

接收器信号经过优化以应对嘈杂的环境，这在含有 TFT 阵列或 DC-DC 模块的 NFC 系统内是非常有效的。

4.9 自动 EMD 错误处理

自动 EMD 处理无需与主机交互即可自动执行，放款了主机控制器的时序要求。支持根据 ISO/IEC 14443 和 EMVCo 3.0 协议自动处理 EMD 错误。此外，EMD 错误处理是广泛可配置的，这允许在将来可根据规范的更改进行相关调整。

4.10 固件升级

NCF3321 支持已下载固件的安全更行。安全固件下载模式使用专用命令集，但与用于设备 NFC 操作的标注主机接口命令没有框架区别。在安全固件更新模式下，NCF3321 无需对 SPI 接口线进行专门的物理处理。固件下载不需要处理任何硬件引脚，而是通过命令激活下载模式然后进行硬件重置，从复位启动后，NCF3321 将处于下载模式。

4.11 寄存器配置

NCF3321 的内部寄存器存储易失性配置数据，可由主机接口访问，在上电、硬件复位和待机的情况下内部寄存器被复位为可配置的初始值。

专用 RF 协议配置和天线相关配置在非易失性存储器中存储，这种配置通常只在生产过程中进行一次，并由主机微控制器发出的命令执行。

4.12 EEPROM 配置

NCF3321 的非易失性 EEPROM 存储器用于存储需要保存的配置数据，以防 NCF3321 未连接到任何电源电压情况下丢失数据。专用 RF 协议的配置和天线相关配置在此非易失性存储器内定义，并通过主机接口命令复制到易失性寄存器。此外，其他在电源断开时需要保存的配置数据也存储在该 EEPROM 存储器中，列如 DPC、LPCD 和 ULPCD 的配置信息。

4.13 RF 配置

NCF3321 允许基于命令 Load_RF_configuraton 和非易失性存储器（EEPROM）中的预定义用户配置数据进行快速 RF 协议选择。

一方面，可以完成调制相关参数的配置（例如选择 ISO/IEC14443-A），另一方面可以配置特定于天线的参数。

由于篇幅所限本文仅介绍 NCF3321 部分内容。

 

五、参考文献

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


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作者：Hobo Xu / 许宁