–不可复制 AN5364 应用笔记 如何保护ST25标签不受无线充电影响 引言 本文档描述了一种可以加到标签上与ST25器件一起使用的保护措施，以防止无线电源充电器（如Qi或其他感应电能传输技术）造成的损坏。
本文详细说明了保护措施对标签天线设计的影响-无论是在设计新天线时，还是在改造现有天线时。
AN5364-Rev2-November2020更多垂询，请联系您本地的意法半导体销售处 根据保密协议–不可复制 AN5364 问题描述
1 问题描述 无线充电是由一个负责产生电磁场的功率发射器（PTx）和一个负责将电磁场转换为其负载可用的电功率的功率接收器（PRx）组成。
该领域应用最广泛的技术是由无线充电联盟（WPC）开发的Qi标准。
图
1.无线充电 RFID/NFC标签是根据ISO/IEC14443、ISO/IEC15693和NFCForum等标准规范设计的。
如果RFID/NFC标签被置于PTx工作范围中，它可能暴露在超过标准规范（它就是根据这些标准规范设计的）所定义的极限值的功率等级中，导致被破坏。
即使基于ST25的标签在面对该效应时表现出比市场上其他标签更好的抵抗力，当它们被置于一个功率为15W的Qi充电系统中时，也可能被破坏。
如果应用中配备NFC功能（用于通信）的系统被置于感应充电器的工作范围内，就会出现这样的问题。
其他的例子有： •当一款内嵌双接口NFC芯片的可无线充电电池（如ST25DV）与充电器或手机交换信息的情况下。
•一款内嵌NFC芯片可无线充电的蓝牙®耳机（如ST25TV）在蓝牙®配对的情况下。
可以运用一种简单且经济划算的解决方案保护ST25器件。
AN5364-Rev2 page2/29 根据保密协议–不可复制 AN5364 保护措施描述
2 保护措施描述 保护措施是在标签天线和标签IC之间增加一个串联的电容元件。
在基于PCB的设计中，电容元件是一个分立电容。
在嵌入片上，以电容模的形式为器件提供保护。
图
2.带有功率传输保护元件的标签 当标签位于功率传输的工作范围中时，会发生以下情况：•感应PTx发出一个低频（低于200kHz，通常在120kHz左右）信号，可能带有高功率。
•ST25的设计目的是在非常大的磁场强度范围内工作，但其频率固定为13.56MHz。
其内部电压调节电路对低 频（LF）信号的影响可以忽略不计，从而使高电压到达芯片内部。
这就是必须将PTx发送的低频信号过滤掉的原因。
与天线串联的电容元件作为高通滤波器，其截止频率在功率发射器频率和ST25工作频率之间选择。
选择的电容值必须确保：•将PTx在ST25AC0、AC1引脚处感应的电压限制在芯片的最大额定值内•保持RFID/NFC系统的性能 AN5364-Rev2 page3/29 根据保密协议–不可复制 AN5364 如何衡量标签上的PTx风险
3 如何衡量标签上的PTx风险 PTx产生的磁场通过标签天线转换成电压。
图3说明了存在磁场时的NFC/RFID标签等效模型。
环形天线模型包括：•Voc：由天线传输的开路电压，其取决于磁场强度、天线尺寸和匝数•RA：等效天线串联电阻•LA：由LA=Xa/ω定义的等效电感，其中的XA是天线电抗 NFC/RFID芯片模型包括：•RS：芯片输入级的串联电阻分量•CS：芯片输入级的串联电容分量 AN5364-Rev2 page4/29 根据保密协议–不可复制图
3.存在磁场时的NFC/RFID标签等效模型 AN5364 如何衡量标签上的PTx风险 RA LA VOC 天线 RsAC0 VAC0-AC1CsAC1 NFC/RFID芯片 AN5364-Rev2 page5/29 根据保密协议–不可复制 AN5364 如何衡量标签上的PTx风险 在没有RFID/NFC芯片的情况下，可以通过测量标签天线引脚处的电压来衡量PTx对标签的影响。
事实上在没有芯片的时候，电路开路VAC0−AC1=Voc如需测量VOC：•在PTx和PRx之间的功率传输系统中放置没有RFID芯片的标签天线•通过示波器使用一个差分探头或使用两个探头（接地端连接在一起且浮空（不连接到任何其他点））探测天线 引脚。
警告：天线电压可能高达100Vpp，用户必须确保探头和示波器输入能够维持该电压。
最坏的情况是：当PRx负载值最小时，15W电能传输已设置且保持不变，并且PRx在天线平面上非常缓慢地滑离PTx，如图4所示。
图
4.对于NFC标签来说最坏的充电情况 这是因为PRx接收到的功率越来越少，因此请求PTx发送更多能量来弥补该损失。
当PRx缓慢移开时，磁场增加，直到PTx和PRx之间的通信中断或PTx超过其最大功率限值。
这就是即使PRx上的低负载也会导致PTx产生高磁场的原因。
我们认为值VOC=100V是观察到的最坏情况。
如果该电压超过下表中提供的最大额定值，必须采取保护措施以避免标签损坏。
ST25系列ST25TV,ST25DV ST25TA 表
1.ST25系列的电压限值 最大VOC，peak-peak(V)5.54.0 AN5364-Rev2 page6/29 根据保密协议–不可复制
4 如何选择保护电容值 这是带附加串联电容（用于过滤低频信号）的标签的等效模型。
AN5364 如何选择保护电容值 AN5364-Rev2 page7/29 根据保密协议–不可复制图
5.带滤波器的标签的等效模型 AN5364 如何选择保护电容值 R’
A L’
A VOC 天线 Cf滤波器 RsAC0 V’AC0-AC1CsAC1 NFC/RFID芯片 高Cf值更有助于将对天线设计和品质因子的影响降至最低，而更低的Cf值更有助于将功率变送器引起的损坏风险降至最低。
下表对此进行了总结。
AN5364-Rev2 page8/29 根据保密协议–不可复制 Cf值天线失谐LF保护 表
2.Cf值对标签系统的影响低高高 4.1 Cf对NFC标签调谐的影响 本节描述Cf对13.56MHz天线调谐的影响。
调谐天线时可以考虑增加Cf以改变复数阻抗。
AN5364 Cf对NFC标签调谐的影响 高低低 AN5364-Rev2 page9/29 根据保密协议–不可复制 AN5364 Cf对NFC标签调谐的影响 图
6.带滤波器的标签的等效模型（用于天线调谐） R’
A L’
A VOC 天线 ReqCeq 调谐等效 AN5364-Rev2 page10/29 根据保密协议–不可复制 AN5364 Cf对NFC标签调谐的影响 电容值Ceq的计算公式如下： Ceq = CfCsCf+Cs Cs的值在ST25数据表中以“内部调谐电容”的形式提供。
下表汇总了各种ST25产品的值。
设备 ST25DV-xxx-xxxxx3ST25TV64K-xxxx3 ST25TA02KB-xxxx5ST25TA512B-xxxxx5 ST25TA16K-xxxx3ST25TA64K-xxxx3 ST25TV02K-xxxx3 ST25TV02K-xxxx9 表
3.ST25器件的内部调谐电容 内部调谐电容（pF）28.5 502523.597 下面两个图表显示了总等效串联电容Ceq与面向不同ST25芯片内部调谐电容值Cchip的滤波电容Cf的函数关系。
图
7.等效电容（低Cchip） AN5364-Rev2 page11/29 根据保密协议–不可复制图
8.等效电容（高Cchip） AN5364 设计新天线时要考虑滤波器因素 4.24.3 4.3.1 4.3.2 综上所述，这些图形表明较高的Cf对总等效串联电容的影响较小，因此对天线调谐和标签特性的影响也较小。
设计新天线时要考虑滤波器因素 设计带有串联电容滤波器Cf的天线的过程与单独设计标签IC的过程相同，不过在计算正确的天线电感La时，要考虑IC调谐电容Cs，而在计算正确的天线电感La’时要考虑等效调谐电容Ceq。
如需详细信息，请参阅AN2866“如何设计用于ST25NFC/RFID标签的13.56MHz定制化天线”。
改造现有天线，考虑添加滤波器 如果改造现有带天线的标签并考虑添加滤波器，重要的是要知道如何改造天线以补偿电容值Cf。
前一章节表明，Cf值越低，则天线需要的校正越多。
下文值使用下列术语：La和Ra：在无滤波器的标签中使用的天线的等效电感和电阻。
La’和Ra’：在带滤波器的标签中使用的天线的等效电感和电阻。
新天线电感为了在使用电容滤波器Cf时保持标签调谐频率，必须将天线电感改为： La′≈CfC+fCsLa 至于天线几何形状，增加串联电容Cf需要增加匝数以补偿串联等效电容Ceq减小带来的影响。
对芯片电压的影响VAC1-AC0被标签用于远程供电，因此性能的关键操作点是允许芯片上电复位的值。
为评估当标签到接收弱RFID/NFC信号时滤波器对性能的影响，性能的变化（带滤波器和不带滤波器）用带滤波器的系统中芯片天线处的电压与无滤波器的系统中的电压之比来表示。
AN5364-Rev2 page12/29 根据保密协议–不可复制 AN5364 改造现有天线，考虑添加滤波器 4.3.3 假设La’是根据第4.3.1节新天线电感选择的，而且考虑到在谐振频率下工作，该增益表达为： VA′C0−AC1ω0VAC0−AC1ω
0 ≈ RsRs ++ RaRa′ 该表达式表明：如果Ra’等于或非常接近Ra，读取距离相等；如果Ra’与Rs和Ra相比明显增加，读取距离变短。
如第4.3节改造现有天线，考虑添加滤波器中可见，当Cf的值接近Cs的值时，需要增加许多天线匝数，这将大大增加天线的电阻，从而缩短标签的读取距离。
然而，应用测试表明：仅当Cf的值非常接近Cs的值时，该影响才确实存在。
因此，除非LF电压确实需要，否则使用的Cf值最好高于Cs两倍。
对标签品质因子的影响标签品质因子对负载效应有影响，也被NFCForum规范称为“目标设备对操作场的影响”。
由于该值受RFID/NFC规范的限制，因此如何表述标签品质因子对新天线的影响是非常有趣的。
如果L’a是根据第4.3.1节新天线电感选择的，标签的新品质因子表达式如下： Qt′ag≈QtagCfC+fCs⋅
1 − ΔRaRa′+Rs 其中： ΔRa=Ra′−Ra该表达式表明，如果Cf»Cs且R’a≈Ra，品质因子相等；否则，品质因子增大。
因此，如果Cf与Cs相当，并且增加了许多天线匝数，负载效应会显著增加。
注意，由于滤波电容器的存在，标签品质因子的变化与读取距离性能的变化无关：在Cf之前（而不是在芯片级），电压确实随Qtag而上升。
AN5364-Rev2 page13/29 根据保密协议–不可复制 AN5364 Cf对PTx保护的影响 4.4 Cf对PTx保护的影响 本节描述Cf值对针对PTx低频信号的防护有效性的影响。
VAC0-AC1的值可以表示为感应电压VOC、滤波电容Cf和芯片阻抗的函数（通过并联电阻Rp和并联电容Cp），如下图所示： AN5364-Rev2 page14/29 根据保密协议–不可复制图
9.带滤波器的标签的等效模型 AN5364 Cf对PTx保护的影响 R’
A L’
A VOC 天线 Cf滤波器 AC0 VAC0-AC1RpCp AC1NFC/RFID芯片 AN5364-Rev2 page15/29 根据保密协议–不可复制 AN5364 Cf对PTx保护的影响 VAC0−AC1=
1 − ω2CpLa′ + Ra′Rp + CpCf VOC+jω La′Rp + CpRa′ − 1RpCfω
2 已知芯片支持的最大值VAC0-AC1=VMAX_
1、其Rp（VAC0-AC1）和Cp，可以根据给定的感应电压确定能够保护芯片的Cf值。
下图显示了不同Cf值的电压衰减情况：VAC0−AC1Cf VA′C0−AC1Cf假设读卡器和标签之间有一个相互常量（VOC=V’OC）是一种一级近似法。
相同的图形适用于所有ST25Cp值。
对于符合ISO/IEC1569标准的ST25系列，Rp=150Ω；而对于符合ISO/IEC14434标准的ST25系列，Rp=100Ω。
图10.200kHz时的滤波衰减 下图更进一步，直接表示了给定VOC的安全操作区域：曲线下方的面积是VOC值，此时芯片没有损坏风险。
AN5364-Rev2 page16/29 根据保密协议–不可复制图11.LF电压由电容值滤波 AN5364 Cf对PTx保护的影响 在此图中：•已经用fPTx=200kHz进行了计算，而这是范围[80-200kHz]中最坏的情况。
•Cp的微小变化对结果的影响可以忽略不计，因此ST25DV和ST25TV具有相同的图形。
AN5364-Rev2 page17/29 根据保密协议–不可复制 附录
A 公式 该附录详细说明了文档正文中使用的公式的计算方法。
A.1 带保护功能的标签转换 下面是用于在各种等效模型拓扑之间进行转换的通用公式。
AN5364 公式 AN5364-Rev2 page18/29 根据保密协议–不可复制图12.等效模型转换 AN5364 带保护功能的标签转换 滤波器Cf 滤波器Cf 芯片 芯片 <=> Cs Cp Rp Rs 串联等效模型 并联等效模型 <=> CseqRseq <=> Cpeq Rpeq AN5364-Rev2 page19/29 转换1：其中： 转换2： 转换3：其中： 根据保密协议–不可复制 AN5364 带保护功能的标签转换 Cs = Cp
1 +Qc2ℎip2 Qcℎip Qcℎip = ωCpRp = 1ωCsRs Rs = Rp
1 + 1Qc2ℎip Cseq = CfCsCf+Cs Rseq=Rs Cpeq=Cseq Qe2q2 1+Qeq Qeq = 1ωCseqRseq = Cf+CsωCfCsRs = QcℎipCfC+fCs Rpeq=Rseq1+Qe2q AN5364-Rev2 page20/29 根据保密协议–不可复制 A.2 L’a=f(La)的表达式 下面是与第4.3.1节新天线电感对应的计算。
图13.带滤波器的标签的等效模型 AN5364 L’a=f(La)的表达式 R’
A L’
A VOC 天线 Cf滤波器 AC0 VAC0-AC1RpCp AC1NFC/RFID芯片 AN5364-Rev2 page21/29 根据保密协议–不可复制 AN5364 L’a=f(La)的表达式 带滤波器的系统： VAC0−AC1=
1 − ω2CpLa′ + Ra′Rp + CpCf VOC+jω La′Rp + CpRa′ − 1RpCfω
2 当模块最大时发生谐振：1+ω2CpLa′+ Ra′Rp + CpCf =
0 聚焦 POR 操作点，此处： Ra′Rp ≪
1 1 + CpCf Cf+Cp
1 La′=ω02Cp=Cf⋅ω02Cp 目标是与没有滤波器的系统保持相同的谐振频率（ω0）；对于没有滤波器的系统，可以证明: La ≈ 1ω02Cp 所以表达式变成： La′ ≈ Cf +CpCf ⋅ La AN5364-Rev2 page22/29 A.3A.4 根据保密协议–不可复制 AN5364 由滤波电容引起的电压衰减 由滤波电容引起的电压衰减 这是与第4.3.2节对芯片电压的影响（使用图
3.存在磁场时的NFC/RFID标签等效模型和图
5.带滤波器的标签的等效模型表示法）对应的计算方法。
VAC1−AC0ω0VA′C1−AC0ω
0 1 La′Rp + CpRa′ − 1RpCfω02 =G= 12+CpRa RpCpω
0 1 cpω02La′ + RpRa′Cp2ω02 = CpCf G= 1+Cp2RpRaω02 发生谐振的条件是：
1 − ω02CpLa′ + CpCf =
0 因此： ω02CpLa′ − CpCf =
1 因为Rp=Rs（1+Q2） 1+Qc2ℎipRa Rs1+Qc2ℎip G= Qc2ℎipRa′ 1+Rs1+Qc2ℎip
1 + Qc2ℎip + Qc2ℎipRaR 1+Qc2ℎip 1+ RaR =
2 sQc2ℎipRa′ = 1+Q2 s1+Ra′ 1+Qcℎip+Rs cℎipRs G= A2ΔRa A+QchipRs 数值应用：Qchip>10，所以Qc2ℎip 1+ RaRs ≫1表达式可以简化为： 1+Qc2ℎip 1+ RaRs G=1+Qc2ℎip1+RRa′s
1 + RaRs ≈1+Ra′ Rs
G ≈ RsRs ++ RaRa′ 标签的品质因子 本节显示与第4.3.3节对标签品质因子的影响对应的计算。
AN5364-Rev2 page23/29 根据保密协议–不可复制 AN5364 标签的品质因子 Qtag=RaR+sRsQcℎip Qt′ag=Ra′R+sRsQeq 其中 Qcℎip = 1ω0CsRs 且 Qeq = 1ω0CseqRseq 因此： Qt′ag= RsRa′+RS ⋅ 1ω0CfCsRs = RsRa′+RS ⋅ Cf+Csω0CfCsRs Cf+Cs 为了简化，分解 RsRa′+RS = RsRa+ΔRa+Rs 使用以下公式： b a+ c = ab + x x = b a+ c − ab = ab −abb+c +b c = ab ⋅ b −b−b+c c = b acb+ c 该公式中，b=Ra+Rs，c=∆Ra： Qt′ag = RsRa′+RS ⋅ Cf+Csω0CfCsRs − RsΔRaRa+RsRa′+RS Cf+Csω0CfCsRs = QtagCfC+fCs − QtagCfC+fCs ΔRaRa′+RS Qt′ag = Qtag Cf+CsCf 1− ΔRaRa′+RS AN5364-Rev2 page24/29 根据保密协议–不可复制 版本历史 日期2019年9月4日2019年9月13日 表
4.文档版本历史 版本 变更
1 初始版本。

2 更改了保密级别 AN5364 AN5364-Rev2 page25/29 根据保密协议–不可复制 AN5364 目录 目录 1问题描述...........................................................................2 2保护措施描述......................................................................3 3如何衡量标签上的PTx风险.........................................................4 4如何选择保护电容值................................................................7 4.1Cf对NFC标签调谐的影响.......................................................9 4.2设计新天线时要考虑滤波器因素.................................................12 4.3改造现有天线，考虑添加滤波器.................................................12 4.3.1新天线电感............................................................12 4.3.2对芯片电压的影响......................................................12 4.3.3对标签品质因子的影响...................................................13 4.4Cf对PTx保护的影响..........................................................14 附录
A 公式.....................................................................18 A.1带保护功能的标签转换.........................................................18 A.2L’a=f(La)的表达式............................................................21 A.3由滤波电容引起的电压衰减.....................................................23 A.4标签的品质因子..............................................................23 Revisionhistory.........................................................................25 AN5364-Rev2 page26/29 根据保密协议–不可复制 AN5364 表一览 表一览 表
1.表2. 表
3.表4. ST25系列的电压限值.................................................................6Cf值对标签系统的影响................................................................9ST25器件的内部调谐电容.............................................................11文档版本历史.....................................................................25 AN5364-Rev2 page27/29 根据保密协议–不可复制 AN5364 图一览 图一览 图
1.图2.图
3.图4.图
5.图6.图
7.图8.图
9.图10.图11.图12.图13. 无线充电........................................................................2带有功率传输保护元件的标签..........................................................3存在磁场时的NFC/RFID标签等效模型...................................................5对于NFC标签来说最坏的充电情况......................................................6带滤波器的标签的等效模型...........................................................8带滤波器的标签的等效模型（用于天线调谐）..............................................10等效电容（低Cchip）...............................................................11等效电容（高Cchip）...............................................................12带滤波器的标签的等效模型..........................................................15200kHz时的滤波衰减..............................................................16LF电压由电容值滤波...............................................................17等效模型转换....................................................................19带滤波器的标签的等效模型..........................................................21 AN5364-Rev2 page28/29 根据保密协议–不可复制 AN5364 重要通知-请仔细阅读意法半导体公司及其子公司（“ST”）保留随时对ST产品和/或本文档进行变更、更正、增强、修改和改进的权利，恕不另行通知。
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