移动智能手机的爆炸式使用及其不断扩展的功能改变了支付世界。除了消费者希望用手机支付商品之外，零售商和服务提供商还必须能够在新的和常见的地方接受支付，比如食品卡车、房屋，甚至是高速公路旁。像所有电池供电的设备一样，这些移动支付系统在两次充电之间的运行时间是一个持续的挑战。

与长时间运行相反，非接触式(NFC)支付技术需要大量的电力来为现场任何卡(picc)或手机供电。近年来，EMV非接触式规范的变化进一步增加了所需的功率，而现代紧凑设计减小了天线尺寸并增加了现场的射频寿命。

这种功率虽然很重要，但只是对系统电池的一种需求。处理器、液晶显示器、无线通信(Wi-Fi、蓝牙、蜂窝)、热敏收据打印机等，都在争夺电池的电力份额。加热是高功率使用的另一个重要考虑因素，移动系统通常密封紧密，以帮助保护它们免受环境问题的影响，并且只能通过其框架和外壳散热。

本应用说明考虑了降低Maxim安全NFC微控制器上非接触式接口的功耗需求的方法。

低功耗轮询

许多销售点(POS)终端固定在一个位置，并且总是连接到电源。这些系统通常使用全速应用程序轮询，因为功率是无限的，但对于移动支付系统，功率使用至关重要。移动系统必须考虑系统的所有功率需求。但是，本应用说明只考虑NFC接口。

轮询基础知识

轮询是NFC读取器在其操作卷中查找卡的过程。在一个典型的例子中，读卡器激活字段，然后必须等待5.1毫秒，等待卡片上电。在此之后，为a型卡发送唤醒命令(WUPA)，然后再过5.1毫秒，为B型卡发送唤醒命令(WUPB)。假设没有卡片响应这些命令，读卡器关闭字段。总的来说，这个过程需要大约11.2ms。图1显示了基本的轮询过程。

电流消耗

由于NFC并不总是处于活动状态，因此平均功耗是关键指标。权力的基本公式是:

P = iv

V(电压)在这里可以被认为是固定的，因此I(电流)与功耗有直接关系。图2显示了轮询时当前使用的简单视图。

有两种状态;Active(轮询)和Inactive(关机)。为了计算轮询时使用的平均电流，比较该字段处于活动状态和非活动状态时的占空比。显然，更活跃的时间意味着更高的电流消耗。这可以使用以下方法计算:

典型工作电流

非接触式接口有几个不同的电源域或轨道:

• 数字:数字基带(DBB)，寄存器，状态机等，通过V(MAIN)供电

• 收到:通过V(DD_RF_RX)和V(DD_RF_1V)供电的数字转换器(adc)，混频器等

• 传输:通过V(DD_RF_TX)供电的功率放大器等

到目前为止，发射机消耗的功率最大，在3.3V或1.2瓦时，典型的有效工作电流为365mA。每个系统的发射机实际消耗的电流是不同的，因为通过EMC滤波器、天线匹配电路以及天线的外部连接对于每个系统都是唯一的。同样，天线附近的外部负载，如大型金属部件，可以增加传输场感知到的负载。

本应用说明仅考虑发射轨及其相关功率。当不主动传输时，所有非接触式电源在掉电模式下的功耗为数据表参数:I(DDA_RF_PD) 4.4µA典型。然而，在不发射时，发射轨上的电流实际上为零，因此假设在磁场不通电时没有电力使用。

低功耗轮询的概念

轮询期间使用的电力的总体减少来自最小化活动传输时间。系统不使用磁场传输的时间越长，耗电量就越少。但是，如果系统延迟过长，则会影响用户体验。用户不应该觉得这个系统很慢。理想情况下，低功耗轮询必须在最小化功耗和保持合理的客户体验之间取得平衡。

本应用程序说明涵盖了两种减少活动轮询时间的机制:

1. 降低轮询率。

2. 减少了在现场检测卡片的时间。

系统可以使用的另一种减少轮询功耗的方法是仅在预期付款时启用轮询。例如，只有在卖方将销售金额输入POS并将设备交给付费客户后，才能激活轮询。它也可以被禁用，如果一个替代支付接口被激活，接触卡或磁条等。这种方法是特定于应用程序的，超出了本应用说明的范围。

降低轮询率

减少轮询次数是减少功耗的最明显方法。所需要做的就是在连续轮询尝试之间添加一个可编程延迟。回想一下，标准轮询需要约11.2ms，然后在重复序列之前进行持续约5.1ms的NFC重置。

在一次没有检测到卡的轮询尝试之后，POS可以简单地禁用该字段，并延迟或休眠一段较长的时间，而不是连续轮询。这个非活动时间越长，所消耗的平均轮询功率就越低。然而，正如前面所讨论的，系统不应该过度延迟，因为这会对客户体验产生负面影响。

对于此应用程序注释，选择400ms的轮询间延迟，这是节省电力和客户体验之间的一个很好的折衷。这个值是支付应用程序可以并且应该作为整个系统优化的一部分进行调优的起点。例如，系统可能愿意在轮询尝试之间忍受更长的时间，以节省更多的电力，而代价是迫使客户更长时间地持有他们的卡。

减少卡片检测时间

这种方法比较复杂，应该与降低的轮询率结合使用。这个想法是在不花费整个~11.2ms的EMV轮询时间的情况下检测现场的潜在卡片。如果通过这种方法检测到潜在的卡，则读卡器继续进行标准激活以确定它是否是实际的支付卡。如果未检测到潜在卡，则尽快禁用该字段。

为了实现这一点，Maxim的安全NFC微控制器利用了现场检测(FD)功能。当主动传输时，该特征对场进行采样并确定其近似电平。这比等待所需的上电时间和发送WUPA/WUPB命令所需的时间要短得多。当卡片进入读卡器的工作容量时，由于其天线等开始从场中收集功率，因此会略微降低场电平。卡片通常在场地上放置的负载越靠近天线，卡片的负载就会增加。

不同的卡在场上表现出不同的负荷。有些可能只减少几个FD最低有效位(LSBs)。为了最大限度地提高FD特性的灵敏度，在系统设计的天线匹配阶段，必须注意正确设置接收器分压器电阻，并可能调整接收器衰减。目标是在字段为空时，使测量的FD级别尽可能接近最大值255而不超过它。

请注意:如果呈现给接收者的字段级别太大，它可能总是报告255作为FD级别，而不管字段中卡片的负载。

此外，如果该场在空时测量的值较低，例如100，则检测灵敏度要低得多，并且可能根本无法检测到潜在卡，或者仅在非常靠近读取器天线时才检测到。有关详细信息，请参阅PCD天线匹配指南和AFE调谐指南。

要做到这一点，首先必须对字段进行采样以确定空字段级别。对于本应用程序笔记，这是通过在示例首次激活时对字段进行5次采样来完成的，并且对字段级别进行平均并记录。

随后的卡检测尝试激活测量当前FD电平的字段。如果当前字段低于记录的空字段级别，则表示字段中有潜在的卡，并继续进行完全激活。

过程:

1. 如上所述，建立空字段FD阈值。

2. 在轮询间延迟之后，激活阅读器的射频场。用于此的RF驱动程序还初始化外设并执行各种校准程序。

3. 测量FD水平。

4. 关闭射频场。

5. 将测量到的FD电平与空阈值进行比较，如果测量到的电平较低，则继续进行完整的EMV轮询过程，以激活并操作电位卡。

6. 根据应用程序需求，开始轮询间延迟并返回步骤2或停止轮询。

应用程序与EMV证书轮询

重要的是要注意，EMV Level 1测试所需的轮询方法不同于应用程序中应该使用的轮询方法。所需的轮询例程由EMV的设备测试环境(DTE)规范指定，以满足测试工具需求。具体来说，如果在字段中没有找到卡，则证书轮询不会发出重置。它只是发送另一轮WUPA和WUPB命令，而不需要交错重置。

请注意NFC复位过程完全禁用该字段5.1ms，足够长的时间使存在的卡失去电源和上电复位(POR)。

认证轮询仅在检测到问题(如碰撞等)或由测试机器本身指示时才重置字段。如果没有检测到卡片，应用程序轮询将重置该字段。因此，证书轮询使用了所有功能中最高的功能。

设备自动加热

激活射频场可能会消耗大量功率，根据系统配置，功率可达1.2W或更多。虽然发射器阻抗很小，但超过一个安培的通道会导致设备自热。当器件升温时，为磁场供电的晶体管效率降低，导致磁场强度略有降低。建议对现场进行占空比开关，以减轻这种自热现象。

将设备置于安全网格或外壳内的系统安全要求可能进一步阻碍来自安全微控制器的设备散热。

即使使用基本的低功耗轮询，也可以减少由于自热引起的任何问题。然而，EMV认证测试需要最高功率轮询。如果磁场持续时间过长，热量可能会导致磁场强度略有降低。如果场强余量不足，则可能发生测试失败。总的来说，强烈建议在EMV认证期间，在没有进行任何测试时禁用该字段，并且在必要时，暂停测试并定期禁用该字段，以允许设备冷却。

热参数

NFC发射机附近的芯片区域的热阻(西塔(JA))略高于数据表中169针球栅阵列(BGA)封装在21°C/W和18.75°C/W时的详细数据。结温的预测取决于有多少功率被耗散。记得:

T(j) = T(a) + (西塔(ja) × p (d))

其中T(J)为结温，T(A)为环境温度，P(D)为封装中耗散的功率。因此，耗散的功率直接决定结温。电源由V(DD_RF_TX)轨供电，电压3.3V。消耗的电流取决于几个变量，如外部天线匹配、选择的驱动强度和操作占空比。传输驱动器强度由最终应用软件选择，但它通常是最大驱动器可能。工作占空比之前已经讨论过，并且与功耗有直接的线性关系，即，如果只有25%的活动时间，则只有25%的功耗和25%的温度升高。应注意保证器件在任何相当长的时间内不超过绝对最高结温125°C。

外部天线匹配

外置EMC滤波器、匹配网络和PCD天线的阻抗是影响发射机功耗的重要因素。图3显示了发射机驱动器看到的输入阻抗(R(IN))的简化概述。

请注意: R(IN)是一个复杂的阻抗，由网络中的所有元件决定，包括电阻、电容、电感和天线线圈。

阻抗应使用13.56MHz的网络分析仪进行测量。理想情况下，该阻抗应该在安装在最终系统组件时进行测量，因为附近的导电材料会影响结果。详细信息请参见《PCD天线匹配指南》。

在确定R(IN)之后，可以使用以下公式来估计电流消耗，该公式被确定为图4所示数据的拟合线。

I(tx) = 754.95 × r (in)(-0.513)

功耗对比

下图显示了在各种轮询过程中V(DD_RF_TX)轨道的当前使用情况。表1显示了它们使用的功率的比较。使用Keithley DMM7510万用表捕获这些电流图，并使用python脚本绘制。每个情节使用不同版本的卡片检测，这可以直观地看到。找到卡后，应用程序开始完全激活(WUPA、anticcollision、SELECT、RATS)，最后发送邻近支付系统环境应用协议数据单元(PPSE APDU)。从响应应用程序协议数据单元(RAPDU)响应中检索应用程序标识码(AID)。有些卡也包含卡名字符串，但如果没有，则从已知卡类型的表中查找AID。在每个图中，显示了几次轮询尝试，但没有找到卡片，随后是完整的激活序列和PPSE APDU交换。

EMV L1证书轮询

图5显示了EMV L1认证期间使用的轮询。

请注意: WUPA和WUPB的前两个序列没有找到卡片，但第三个WUPA得到有效响应。

这开始激活序列和AID检索。有趣的是，在这些命令之后，甚至可以看到卡片(PICC)的响应，因为电流的变化要小得多。PPSE完成后，卡复位。

请注意:此序列仅用于演示目的，实际支付序列包括多个APDU交换，并可能在最后删除过程。

不断轮询

这种轮询变化不断地轮询进入字段的卡。但是，与证书轮询相比，在没有找到卡之后，该字段将被重置。图6显示了可以识别检测周期的当前使用情况，即字段两次激活之间的时间。回想一下，field on的激活要求是5.1ms，然后是WUPA，再延迟5.1ms，然后是WUPB。如果对这两个字段都没有响应，则重置该字段5.1ms。检测周期为17.6ms，非活动时间为5.1ms。这代表了71%的有效现场工作比和100%的认证轮询。

基本低功耗轮询

这里我们降低了系统的轮询率以降低功耗。轮询以与前一个示例相同的方式进行。但是，在没有找到卡片后，不是发出5.1ms的重置，而是停用该字段。当该字段被禁用时，应用程序在重复序列之前延迟或休眠400ms。400ms是快速响应和大量节能之间的一个很好的折衷。图7显示了此轮询方案的当前图。这显然比持续轮询使用更少的功率。检测周期从17.6ms增加到412ms，而非活动时间从5.1ms增加到400ms。这表示活跃的现场占空比为2.9%，而恒定轮询的占空比为71%。

场级卡片检测

这种方法通过减少检测卡片所需的活动现场时间，扩展了前一种方法所提供的省电功能。而不是使用完整的~11.2ms轮询序列，它只激活字段足够长的时间来测量字段级别。如果电平低于检测阈值，则开始正常轮询序列来处理该卡。有关此方法的更多详细信息，请参见减少卡片检测时间一节。使用这种方法，系统只需要激活字段657us，与标准轮询时间11.2ms相比，这是一个巨大的改进(17倍)。这表示有效的现场占空比仅为0.16%，而基本的低功耗轮询为2.9%。为了进一步减少这种活动场时间，未来版本的射频驱动程序可能会提供专用的卡感应例程。图8显示了字段级卡检测。

结论

表1中总结的结果清楚地显示了这些低功耗轮询方法所节省的电能。有些系统和应用程序可能不需要最小化功耗，但都应该考虑轮询占空比对整个系统热预算的影响。

此外，开发人员可以很容易地修改检测周期，以提供所需的节能和响应能力。

请注意:最后的表项加倍的非活动时间为现场电平检测方法，线性减少平均电流的一半。

应用程序代码

显示低功耗轮询技术的应用程序示例代码包含在最新的非接触式支持包版本中，作为NFC DTE示例的一部分。