CN1126057C - 无或有触点混合工作的微电路 - Google Patents

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Abstract

具有无或有触点两种工作方式的微电路包括：专用于无触点工作方式的通信装置(2)；专用于有触点工作方式的通信装置(3)；及这两种工作方式公用的电子装置(4)；一个用于感应地接收交流电压(Va)的线圈(L)；交流电压(Va)的整流电路(Pd)，用于输出微电路的第一供电电压(Vcc1)；至少一个供电端子(P1)，用于接收微电路的第二供电电压(Vcc2)；一个第一供电电压(Vcc1)或第二供电电压(Vcc2)的配电线(5)；一个设在供电端子(P1)及配电线(5)之间的开关装置(6，13)；开关装置的控制装置(7，8)，后者被设计用来：检测线圈(L)端子上的所述交流电压(Va)，当在供电端子上存在第二供电电压(Vcc2)时闭合开关装置(6，13)，或当线圈端子上存在交流电压(Va)时优先地断开开关装置。

Description

无或有触点混合工作的微电路
本发明涉及无或有触点两种工作方式的微电路。
芯片卡及总地装在便携载体上的电子芯片的市场目前包括两种领域：称为“有触点”的应用领域及“无触点”的应用领域。在不久的将来，无触点的芯片卡将有极大的发展，而同时，各种有触点卡将继续被使用。因此，为了使芯片卡市场合理化，有人考虑开发混合工作即有或无触点的微电路，它可以与所有类型的芯片卡阅读器通信。
由美国专利US5,206,495公知一种具有无或有触点两种工作方式的芯片卡微电路。我们将回忆一下它的结构，以下括号内表示的参考标号相应于该文献中的图3。
现有技术的微电路(2)包括用于有触点工作方式的触头端子(3)及用于无触点工作方式的感应线圈(4，5)。感应线圈与一个整流电路(2.1.1)相连接，用于在无触点工作方式时提供直流供电电压。在有触点工作方式时，由供电端子(16)提供直流供电电压U2。
基本上，该现有技术的文献提出，通过一个多路器(2.1.3)向一微计算机(2.2)发送由触点端子(3)接收的信号及由线圈(4，5)接收的信号。由线圈(4，5)接收的信号通过一个变换器(2.1.4)施加给多路器(2.1.3)。微计算机(2.2)由此形成对这两种工作方式共用的信号处理装置，及多路器(2.1.3)形成根据微电路工作方式使微计算机连接到触点(3)或连接到变换器(2.1.4)的支路。用于控制多路器(2.1.3)的工作方式鉴别是由一个具有两输入端(E1，E2)的比较器(2.1.2)作出的，该比较器在其输出端(E3)输出一个施加于多路器(2.1.3)的鉴别信号。比较器(2.1.2)在第一输入端(E2)上接收来自供电端子(I6)的直流电压U2，及在第二输入端(E1)上接收来自整流器(2.1.1)的直流电压U1。
尽管初看起来现有技术的微电路能满足要求，但实际上它具有各种缺点。
第一缺点涉及借助上述比较器装置(2.1.2)的工作方式检测，在比较器的输入端(E1，E2)上接收供电电压U1及U2。电压U1，U2同样地通过二极管(D1，D2)被施加在供电输入端(E4)上，这些二极管对于不使比较器两输入端(E1，E2)短路是必不可少的。然而，这些二极管引起由比较器接收的供电电压的明显下降，例如在CMOS集成电路中为1伏。因此，为使比较器(2.1.2)工作，微电路的最小供电电压U1或U2应大于比较器最小供电电压1伏。由于在无触点方式时由整流器(2.1.1)输出的电压U1依赖于线圈(4，5)中感应电压的幅值，因此也依赖于微电路离开磁场源的距离(感性耦合)，二极管(D1)上电压的降低应由感性耦合增大来补偿，这引起芯片卡及卡阅读器之间在磁场发射功率不变时允许的通信最大距离的明显下降。为了形成概念，在以标准频率13.56MHz感应供电的、并可工作在1伏量级的非常低电压下工作的芯片卡(CMOS技术)，在二极管(D1)中的1V电压降低代表最大卡/阅读器距离减少了若干厘米，为使比较器供电输入端(E4)上为1V电压，供电电压U1至少应为2V。
该现有技术微电路的另一缺点是有触点及无触点方式的供电电压U1，U2之间的控制可能含糊不清。“含糊不清”是指供电电压U1及U2同时出现的情况。尤其是，本申请人发现，使用者的手指在无触点方式时接触触点端子会向微电路中注入静电电荷，这可能干扰甚至阻止微电路的工作。在现有技术的该文献中，建议输出工作方式鉴别信号的比较器输出端(E3)最好根据电压U1，U2的值不是含糊不清的。然而，本发明是建立在以下认识的基础上：为了在同时出现电压U1，U2及均为高电平时比较器(2.1.2)的输出端不是含糊不清的，应该将优选权任意地仅给予这两个电压中的一个。如果，为了消除与触头端子上寄生静电电压相关的含糊情况，将优先权给予了无触点方式的电压U1，则当出现电压U1时比较器的输出端应为1，而不管电压U2如何。如果比较器输出端不依赖电压U1，就会得出设置比较器没有任何用处的结论。归根到底，运用对于确定工作方式不含糊的比较器的想法当其实施时会引起某些问题。
现有技术的微电路的另一缺点在于：为使在变换器(2，1，4)输出端(K1-K5)上出现的无触点方式信号全部地与来自触点(I1-I6)的信号相兼容，正如现有技术中所指出的，必需使变换器(2.1.4)将这些信号转换成根据有触点方式的通信协议接收的信号。更确切地，是根据标准ISO7816所给出的信号。在一个芯片卡各个触点端子上接收信号分别包括：串行形式的数据，时钟信号，置零信号，供电电压。由此可见，变换器(2，1，4)应该在相应的输出端(K1-K6)上提供出各个标准串行形式的信号。因此，实际上，变换器(2，1，4)应是一个“协议变换器”或“适配器”，它具有极大的复杂性及高实施成本。这里同样地，运用对一个共用通信处理装置输入复用信号的想法的实施实际上会遇到很大困难。
因此，本发明的目的在于提供一种具有两种工作方式的微电路：
-它能够以简单的形式由传统的无触点及有触点类型的接口电路来实施，
-它包括不出现上述问题的工作方式检测器，
-它包括一个供电电压分配电路，用于在接通电源时管理有触点方式电压及无触点方式电压之间可能的冲突，并保证防止静电放电的保护。
总地，本发明提出一种微电路：
-无多路复用输入信号，有触点及无触点方式的通信(或接口)装置在硬件上是不同的，
-包括一个与在有触点方式接收供电电压的端子相连接的开关，无触点方式供电电压可直接发送到微电路内部供电线上而无电压损耗，
-其中工作方式鉴别是由感应线圈端子上交流电压的检测作出的，而不是由整流交流电压的检测作出的，及
-其中将优先权给予出现交流电压时的无触点方式。
更具体地，本发明提供了一种具有无或有触点两种工作方式的微电路，它包括：专用于无触点工作方式的通信装置，专用于有触点工作方式的通信装置，及这两种工作方式共用的电子装置；一个线圈，用于通过感应接收交流电压；交流电压的整流电路，用于输出微电路的第一供电电压；至少一个供电端子(P1)，用于接收微电路的第二供电电压；一个第一供电电压或第二供电电压的配电线；一个设置在供电端子及配电线之间的开关装置；开关装置的控制装置，它被设计用于：检测线圈端子上的交流电压，当在供电端子上存在第二供电电压时闭合开关装置，或当在线圈端子上存在交流电压时优先地断开开关装置。
根据一个实施方式，整流电路的输出端直接地并永久地与配电线相连接。
根据一个实施方式，开关装置的控制装置包括一个检测交流电压的振荡的检测器。
根据一个实施方式，开关装置的控制装置包括一个交流电压的阈值检测器。
根据一个实施方式，开关装置的控制装置包括一个升压电路，它输出一个闭合开关装置的电压。
根据一个实施方式，升压电路包括第一电荷泵，其输出通过一个晶体管连接到一个储能电容器，该晶体管受与第一电荷泵同相位工作的第二电荷泵的控制。
根据一个实施方式，开关装置包括一个NMOS晶体管及一个串联的PMOS晶体管，用于预防正及负静电放电。
根据一个实施方式，专用于有触点方式的通信装置直接地由供电端子供电，面对两种工作方式共用的装置由配电线供电。
本发明同样涉及包括根据本发明微电路的一种芯片卡。
在以下将结合附图详细描述根据本发明的具有两种工作方式的微电路、微电路供电电压分配***及该分配***某些单元的各种实施方式的结构的这些特征及另外特征，其附图为：
图1表示根据本发明的用于芯片卡或其它便携载体的混合工作方式的微电路的总体结构；
图2以框图方式概要地表示根据本发明用于图1微电路的供电电压分配的***；
图3是图2中以一个框形式表示的开关控制电路的电路图；
图4表示图3控制电路的一个实施例的变型；
图5表示图4中以一个框形式表示的升压电路的电路图；
图6A至6E表示图5中升压电路的工作波形；
图7是图2中以一个框形式表示的交流电压检测器的电路图；及
图8表示图7中检测器的另一实施方式。
图1非常概要地表示了根据本发明的具有两种工作方式的微电路的总体结构，该微电路可用于芯片卡或所有其它集成电路的便携载体。在微电路1中的电子装置以三个框2，3，4的形式表示。框2代表专用于无触点方式通信的电子装置组件，框3代表专用于有触点方式通信的装置组件，及框4代表共用两种工作方式的装置，每个装置在功能及硬件上彼此不同。
在无触点方式中，该微电路***放在例如由一个芯片卡阅读器发射的振荡磁场中。框2通过一个在端子上的线圈L接收数字数据，在该线圈的端子上由电磁感应出现一个幅度调制或频率调制的交变电压Va。并且框2例如包括：一个解调电路，一个时钟信号发生或抽取电路，及一个保证无触点通信协议管理的电路，后者中可选择包括通信冲突的管理。由框2实现的功能在专门无触点工作的电路中其本身是传统的。此外，交变电压Va由一个二极管或晶体三极管组成的整流桥Pd整流，该整流桥通过一个滤波电容Cf输出无触点方式的供电电压Vcc1。当然，实际上线圈L可用仅一个线圈或多个线圈的形式实现，例如以传统的方式包括用于接收电能的第一线圈及用于传送数据的第二线圈。
在有触点方式时，该微电路通过一个供电端子P1及一个接地端子P2接收一个供电电压Vcc2，通常它为直流电压。电压Vcc2可通过一外部装置如芯片卡阅读器或与微电路载体连成一体的蓄电池块施加到端子上。通常，框3通过一个触点端子P3接收及发送数字数据。另外可设置在图1中未示出的其它标准端子，用来对框3施加时钟信号及复位信号RST。框3保证有触点方式通信协议的管理，数据的同步等，这些功能其本身在有触点芯片卡的微电路中是有用的。
最后，框4涉及这两种工作方式，并包括这两种工作方式的公共资源，例如一个可编程及可电擦除的存储器EEPROM，用于存储识别数据，业务数据，...。框4可同样包括一个微处理机或线接逻辑装置，用于实现高级的传统操作，例如用加密法产生认证码，由卡阅读器提供密码验证，在存储器中记录数据，等，不过，这些装置的某些部分可转移到框2及3中。
框4及框2和3之间的数据通信可用任何方式来获得，例如通过借助缓冲电路平行地交换数据包来获得。根据本发明电路的内部，不需要使框4及其它框之间的数据传送标准化及规定协议的转换。同样地，框4可包括一个用于从框3输入数据的输入/输出口及另一个用于从框2输入数据的输入/输出口等，可由本技术领域专业人员任意选择。
通过一根内部配电线5将一种供电电压Vcc1或Vcc2配给框2，3及4是由根据本发明的分配***10保证的，它在图2中被更详细地表示。
***10包括一个设置在端子P1及配电线5之间的开关6，而整流桥Pd的输出在这里直接地与配电线5相连接。开关6受到一个电路7的控制，后者在其第一输入端接收电压Vcc2及在其第二输入端接收信号CTL。信号CTL由一个交变电压Va的检测器8提供，该检测器连接在线圈L的端子上并由电压Vccint供电。习惯上，我们以下考虑，当在线圈L上存在交变电压Va时检测器8的输出为1，而在相反情况下为0。控制电路7的工作如下：
1)当电压Vcc2不为零及信号CTL为0(在线圈L上无电压Va)，电路7使开关6闭合，以使得电压Vcc2出现在配电线5上。
2)当信号CTL为1时(在线圈L上检测到电压Va)，电路7优先地断开开关6，不管电压Vcc2为零或不为零，以使得仅有由电压Va整流产生的电压Vcc1出现在配电线5上。
其次，第三种情况是端子P1上的电压Vcc2为零及信号CTL为0。当两个电压Vcc1或Vcc2均不存在时，开关6的状态是无关紧要的，但它由于缺少供电电压通常是断开的。
并且，当电压Vcc1及Vcc2不为零时，控制电路7将优先权给予电压Vcc1——通过断开开关6的方式。根据本发明的***10能够管理在接上电源时电压Vcc1及Vcc2可能的冲突，并同时保护配电线5免于来自端子P1可能的静电放电。
当然，***10仅在接通电源时起作用。一旦供电电压稳定了，***10的状态可用任何方式锁定，例如借助于在大多数有触点或无触点微电路中设有的传统信号POR(Power On Reset)。
此外，通过对线圈L上电压Va的直接检测识别无触点方式是本发明的一个方面，它使得当线圈L出现感应磁场的那一瞬时就迅速地断开开关6。尤其是，检测器8可用振荡检测器的形式实现，如后面将看到的，它比阈值检测器快得多。
图3表示开关6及控制电路7的一个实施例。这里该开关是一个晶体管NMOS13，它的漏极连接到端子P1及其源极连接到配电线5。控制电路使用一个反相门14的形式，它在其输入端接收信号CTL；及其输出端连接到晶体管13的栅极。为了保证当电压Vcc2出现时(这就是说在电压Vcc2未出现在配电线5以前)使晶体管13接通，反相门14的供电端子连接到端子P1并直接地接收电压Vcc2。同时，逻辑门14的输入端通过一个高阻值的稳定电阻15接地，以便在无信号CTL时维持0电位。如虚线所示，同样在门14的输出端及电压Vcc2之间可设置电阻15。最后，如果按照相反的规定当在线圈L上检测出电压Va时信号CTL应为0而非1，则要附加另一反相门与门14串联。
根据刚才所述的实施方式，显然，在配电线5上出现的电压Vccint明显地小于电压Vcc2，其原因是晶体管13的门限电压VT，对于MOS晶体管通常它为1伏的量级。该问题不如无触点方式供电时的电压降严重，因为可以通过芯片卡阅读器电压值的简单调节使电压Vcc2增大，而无触点方式的电压Vcc1依赖于芯片卡与卡阅读器之间的距离。不过，这样的电压损失在供电电压Vcc2相当低时是不希望有的，这例如是由于卡阅读器及触点端子P1之间寄生电阻或当电压Vcc2是由电池块提供时引起的。
图4表示一种能够改善该缺点的控制电路的实施方式20。该控制电路20包括一个电压Vcc2的升压电路21，它的输出端输出电压Vhv。最好，电压Vhv至少等于(Vcc2+VT)，以便补偿晶体管12的门限电压VT。将电压Vhv施加在反相门14的供电端子上，于是该反相门的逻辑“1“电平就变为等于Vhv。
此外，图4所示的控制电路20被设计来保证电压Vhv相对电压Vccint的隔离，后者代表信号CTL逻辑“1”的电平。为此，反相门14的输出端连接到反相门16的输入端，反相门16的输出端又连接到反相门14的输入端，由此该组合形成了一个双向反相门。门14及16的各输入端分别连接到NMOS参考晶体管17、18的漏极D，它们的源极S接地。最后，晶体管18的栅极G受信号CTL的控制，及晶体管17的栅极受信号CTL的反相信号的控制，该反相信号由反相门19输出。
控制电路20的工作如同一个反相门：为0的信号CTL通过门19使晶体管17导通，导通的晶体管17使门14的输入端置成0，而门14的输出端将电压Vhv输出到晶体管13的栅极G上。
图5表示一个由于其简单而显得有利的升压电路21的实施例，这里它是根据电荷泵原理工作的倍压器。电路21被由振荡器22输出的幅值为Vcc2而相位相反的两个矩形波信号H1、H2驱动。振荡器22以传统方式包括一个由奇数的多个反相门级联地形成的闭环。信号H1及H2的波形被表示在图6A及6B上。升压电路21包括两个电荷泵23，24，每个电荷泵包括：一个NMOS晶体管23-1，24-1，用于在其漏极D上接收电压Vcc2；及一个连接到晶体管源极S的电容23-2，24-2。晶体管23-1，24-1的栅极G被施加信号H1，及电容23-2，24-2的自由端被施加信号H2。在电荷泵23及24的输出端、即由节点NA及NB表示的输出端上，在一个稳定时间后，将具有如下电平n1及n2之间的振荡电压：
  n1＝Vcc2-VT，当H1＝1及H2＝0时
及n2＝2Vcc2-VT，当H1＝0及H2＝1时
VT是NMOS晶体管的门限电压。为了形成概念，节点NA及NB的电压被表示在图6C上。
将节点NB的电压施加在一个NMOS晶体管52的漏极D上，其源极S连接在一个输出电压Vhv的储能电容器Cst上。晶体管25的栅极电压VG通过PMOS晶体管26受节点NA的控制，晶体管26在其栅极G上接收电压Vcc2，该晶体管26的作用是当信号H1为1时使电压VG与节点NA隔离。当电压VG这样地与节点NA隔离时，受信号H1控制的一个NMOS晶体管27使晶体管25的栅极G与地连接，以便阻断该晶体管及防止电压Vhv泄漏到节点NB。由于这样的控制，晶体管25仅使节点NB上的电压电平n2通过并保证使电容器Cst快速充电到等于n2的值再扣除晶体管25门限电压值VT，即：
Vhv＝2Vcc2-2VT
为了形成概念，图6D表示电压VG的波形，及图6E表示升高电压Vhv出现的波形。
图7表示以振荡检测器30形式实现的检测器8的一个有利实施例。检测器30包括由两个头尾串联的反相门32、33构成的一个双向反相门31，它的输入端及输出端可由两个分别受电压Va的正半波Va1及负半波Va2控制的MOS晶体管34、35置为0。一个带有两个互补时钟输入端CK及/CK的、标号为36的D触发器通过其输入端CK与双向门31相连接，输入端CK通过一个反相门37返连到输入端/CK上。触发器36的输入端D被保持于1(即为电压Vccint)及输出端Q输出信号CTL。因此，当在线圈L的端子上出现振荡电压时，晶体管34及35被彼此交替导通。触发器D首先在其输入端CK上接收一个上升沿，然后在其输入端/CK上接收一个上升沿。这时输出端Q则“复制”输入端D，故信号CTL变为1。
如上面指出的，一旦供电电压Vcc1或Vcc2稳定了，分配***10可被锁定。例如，在图7上信号CTL可借助第二个D触发器被锁定，该触发器的输入端接收信号CTL，而其时钟输入端接收接通电源的传统信号POR。
刚才所述的振荡检测器30具有特别快速的优点，仅电压Va的一次完整振荡(即两个半波Va1和Va2)足以使信号CTL变为1。在图8上表示出用阈值检测器40形成的检测器8的另一实施方式。虽然其触发非常慢，但该电路40同样可被使用。电压Va的一个半波、例如Va1通过一个二极管被加到电容器41上，最好该电容被选择为小量值。该电容器41连接在NMOS晶体管42的栅极。晶体管42连接在地与双向反相门43的输入端之间，双向反相门的输出端输出信号CTL。当电容器41充电达到晶体管42的门限电压VT时，晶体管42变为导通并将门43的输入端置0，该门43的输出CTL变为1。在双向门43的输出端可设置复位到0的晶体管43，它由信号RST控制。
在前面，我们描述了本发明的各种实施方式，其中图2的开关6使用NMOS晶体管的形式。然而，显然本领域的技术人员清楚，可设置多个晶体管或其它任何换流装置来实现开关功能。尤其是，本领域的技术人员将注意到，处于断开(非导通)状态的NMOS开关晶体管能阻止正电压对地的静电放电，但能使负电压的静电放电接通。因此，根据本发明的一个实施方式，将NMOS晶体管与一个PMOS晶体管串联，用来阻止负电压的静电放电。
此外，在涉及开关控制电路，线圈端子交变电压检测器等方面本发明可以有许多另外的实施变型及改进。
另外，本发明可以具有各种应用。并且，结合参照图1及2，如果微电路的框4需强制地连接到配电线5以便在微电路1的两种工作方式时能被供电的话，框3的供电输入端则相反地可直接连接到端子P1上，-譬如说若框3的电特性与整流电压Vcc1不兼容。
最后，应当指出，以上所述的电压分配***包括最少的元件并允许达到所希望的结果，具有最小成本及使微电路硅芯片表面的容积减小。但是，并不反对设置其它的开关装置，例如在输出整流电压Vcc1的二极管桥Pd的输出端及配电线5之间设置一个开关，并只须符合本发明目的地由一个升压电路控制该开关，以便不使芯片卡与其阅读器之间的无触点通信范围减小。该附加开关譬如在电压Vcc1出现时闭合，而在其它情况下断开，并允许专用于无触点工作方式的电路与电压Vcc2隔离。

Claims (11)

1.具有无或有触点两种工作方式的微电路，包括：
-专用于无触点工作方式的通信装置(2)，专用于有触点工作方式的通信装置(3)，及这两种工作方式共用的电子装置(4)，
-一个线圈(L)，用于通过感应接收交流电压(Va)，
-所述交流电压(Va)的整流电路(Pd)，用于产生微电路的第一供电电压(Vcc1)，
-至少一个供电端子(P1)，用于接收微电路的第二供电电压(Vcc2)；
-一个第一供电电压(Vcc1)或第二供电电压(Vcc2)的配电线(5)；
-一个设置在供电端子(P1)及配电线(5)之间的开关装置(6，13)，及
-开关装置的控制装置(7，8，20，21，30，40)，其特征在于该开关装置的控制装置包括：
-检测装置(8，30，40)，它被设计用于检测线圈(L)端子上交流电压(Va)的存在，并输出不同于第一交流供电电压(Vcc1)的控制信号(CTL)，当未检测到交流电压(Va)时，控制信号(CTL)具有第一值，当检测到交流电压(Va)时，控制信号(CTL)具有第二值，及
-用于闭合和断开开关装置(6，13)的装置(7，20，21)，它被设计用来：当第二供电电压(Vcc2)存在及控制信号(CTL)具有第一值时，闭合开关装置；及当控制信号具有所述第二值时，优选地断开开关装置。
2.根据权利要求1的微电路，其特征在于：
-开关装置(6，13)的自然状态是断开状态，
-用于闭合和断开开关装置(6，13)的装置(7，20，21)由供电端子(P1)供电，以使得当没有第二供电电压(Vcc2)时，这些闭合及断开的装置(7，20，21)失电，及开关装置保持自然的断开状态。
3.根据权利要求1及2中的一项的微电路，其中整流电路(Pd)的输出端直接地并永久地与配电线(5)相连接。
4.根据权利要求1及2中的一项的微电路，其中所述检测装置包括一个交流电压(Va)的振荡检测器(30)。
5.根据权利要求1及2中的一项的微电路，其中所述检测装置包括一个交流电压(Va)的阈值检测器(40)。
6.根据权利要求1及2中的一项的微电路，其中用于闭合及断开开关装置(6，13)的装置(20)包括一个升压电路(21)，它输出一个闭合开关装置的升高电压(Vhv)。
7.根据权利要求6的微电路，其中升压电路(21)包括第一电荷泵(24)，其输出通过一个晶体管(25)连接到一个储能电容器(Cst)，该晶体管受与第一电荷泵同相位工作的第二电荷泵(23)的控制。
8.根据权利要求1及2中的一项的微电路，其中开关装置(6，13)包括一个具有导通门限电压(VT)的晶体管(13)。
9.根据权利要求8的微电路，其中开关装置(6)包括一个NMOS晶体管(16)及一个串联的PMOS晶体管。
10.根据权利要求1及2中的一项的微电路，其中专用于有触点方式的通信装置(3)直接地由供电端子(P1)供电，面对两种工作方式共用的装置(4)由配电线(5)供电。
11.包括根据权利要求1及2中的一项的微电路的芯片。
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