Solution Guide Gesamtlösungen für NFC-Schaltungen

Gesamtlösungen für NFC-Schaltungen
NFC ist eine Abkürzung für Near Field Communication; es handelt sich um eine Art drahtloser Kommunikation mit kurzer Reichweite.
NFC ist eine Funktion, die Datenkommunikation und Authentisierung durchführen kann, wenn zwei NFC-kompatible Geräte in die Nähe zueinander gebracht werden, und ihr Einsatz in Smartphones hat in den letzten Jahren stark zugenommen.
Auch in Peripheriegeräten einschließlich tragbarer Endgeräte, wie z.B. Smart-Uhren, ist ein zunehmender Einsatz von NFC zu beobachten.
NFC wird in vielen Situationen eingesetzt, u.a. beim bargeldlosen Bezahlen und bei der Authentifizierung von Verbindungen mit Peripheriegeräten, und es wird erwartet, dass es auf dem Weg zu einer berührungslosen Gesellschaft für noch vielfältigere Anwendungen eingesetzt werden wird.
Dieser Artikel stellt die wichtigsten Komponenten vor, die in NFC-Schaltungen verwendet werden: NFC-Antenne, Magnetblech, LC-Filterinduktivität, Ein-End-Schaltungsbalun und elektrischer Doppelschichtkondensator (EDLC/Superkondensator).

In NFC-Schaltkreisen verwendete Hauptkomponenten

Abbildung 1(a) Differentialmodus

Abbildung 1(a)

Eine in einer NFC-Schaltung verwendete Schaltung ist in Abbildung 1(a) dargestellt.

Die NFC-Kommunikation arbeitet mit einem elektromagnetischen Induktionsverfahren, weshalb im Allgemeinen Schleifenantennen verwendet werden.
Eine Antennenanpassungsschaltung und ein LC-Filter, die aus einer Induktionsspule und einem Kondensator bestehen, werden zwischen der Antenne und dem NFC-Steuer-IC eingefügt.

Wie in Abbildung 1(b) dargestellt, wird jedoch in einigen Fällen eine Single-End-Antenne angeschlossen. Bei diesem Format wird das Single-End-Signal in den Differenzmodus umgewandelt, so dass zur Durchführung der Modusumwandlung ein Balun verwendet werden muss.

Abbildung 1(b) Single-End-Modus

Abbildung 1(b)

NFC-Antenne und Magnetblech

Die NFC-Kommunikation verwendet ein elektromagnetisches Induktionsverfahren, und wenn die Antenne eine Trägerwelle von einem Lese-/Schreibgerät empfängt, führt ein IC-Chip die Signalverarbeitung durch (Abbildung 2a).
Wenn diese Antenne in ein elektronisches Gerät, wie z.B. ein Smartphone, eingebaut ist, kann sich in der Nähe der Antenne Metall befinden.
In diesem Fall fließt in dem Metall ein induzierter Strom und es wird ein Magnetfeld erzeugt, das dem vom Lese-/Schreibgerät erzeugten Magnetfeld entgegengesetzt ist. Dadurch wird das Magnetfeld von der Trägerwelle aufgehoben, was die Kommunikationsentfernung verkürzt und eine Kommunikation unmöglich macht (Abbildung 2b).
Wie in Abbildung 2c dargestellt, hat die hohe Permeabilität, wenn magnetisches Material zwischen der Spule und dem Metall vorhanden ist, den Effekt, dass der vom Lese-/Schreibgerät erzeugte magnetische Fluss begrenzt wird. Infolgedessen kann die Erzeugung des induzierten Stroms im Metall eingeschränkt werden, und es können gute Kommunikationsbedingungen aufrechterhalten werden.
TDK bietet magnetische Bleche zur Installation zwischen der Antenne und dem Metall sowie Antenneneinheiten, die das magnetische Blech und die Antenne integrieren.

Tabelle 1. NFC-Antenne und Magnetblech
Serie NFC-Antenne
(Dünner Typ)
NFC-Antenne
(integrierter Typ WPC Rx)
Magnetplatte
P# MCS Serie In Entwicklung WR Serie IFL/IBF Serie
Produkt-Außenansicht
Merkmale Die Antennendesign-Technologie und die Technologie der magnetischen Blechumformung werden eingesetzt, um Produkte herzustellen, die dünner sind und höhere Eigenschaften als frühere Produkte haben. Komponenten, die sich ideal für den Einbau in mobile Geräte eignen, werden durch die Integration einer drahtlosen Energieübertragungsspule vom Typ elektromagnetische Induktion geschaffen. Hohe Permeabilität und geringer magnetischer Verlust bei 13,56 MHz
Abbildung 2. Kommunikationsstatus, wenn sich Metall in der Nähe der NFC-Antenne befindet
Abbildung 2. Kommunikationsstatus, wenn sich Metall in der Nähe der NFC-Antenne befindet

Induktoren für NFC-LC-Filter

Induktoren für LC-Filter müssen enge Toleranzen erzeugen, um Verluste durch Impedanzfehlanpassung mit der Antenne zu reduzieren.
Wie in Tabelle 2 dargestellt, handelt es sich bei den MLF/MLJ-Serien von TDK um Produktreihen mit J-Toleranzen (± 5 %).

Um eine Abnahme der Antennenleistung zu verhindern, ist es auch wichtig, den Induktionsverlust bei 13,56 MHz, der Kommunikationsfrequenz, zu kontrollieren.
Dazu ist es notwendig, dass der Wechselstromwiderstand (Rac) niedrig gehalten wird und dass auch bei Stromzufuhr ein niedriger Rac-Wert beibehalten wird.
Die MLJ-W-Serie von TDK erreicht einen niedrigen Rac, während die neue MLJ-H-Serie auch dann einen niedrigen Rac erreicht, wenn ein großer Strom angelegt wird.
Wie in Abbildung 3 zu sehen ist, bleibt der Rac des MLJ1005H auch im Hochstrombereich niedrig.
Auf der anderen Seite ist der Rac des MLJ1005W im Niedrigstrombereich niedrig, und das optimale Produkt kann in Abhängigkeit von den tatsächlich verwendeten Stromwerten ausgewählt werden.

Tabelle 2. Induktoren für NFC LC-Filter
Serie MLF1608D
MLF1005V
MLJ1608W
MLJ1005W
MLJ1005HIn Entwicklung
Art STD Hochstrom
Low Loss (Geringer Verlust)
erhöhte Spannung (Hochstrom)
Super Low Loss (Supergeringer Verlust)
Größe [mm] 1608 / 1005 1608 / 1005 1005
L Toleranz [%] +/- 5 +/- 5 +/- 5
L-Wert [uH] 0.10 – 0.82 (1608 size)
0.10 – 0.56 (1005 size)
0.10 – 0.56 (1608 size)
0.075 – 0.56 (1005 size)
0.056 - 0.20
Aktuell [mA] 70 – 200 (1608 size)
120 – 180 (1005 size)
400 – 800 (1608 size)
250 – 550 (1005 size)
480 - 950
Abbildung3. Wechselstromwiderstand gegen Sinuswellenstrom bei 13,56 MHz
Abbildung3. Wechselstromwiderstand gegen Sinuswellenstrom bei 13,56 MHz
Abbildung3. Wechselstromwiderstand gegen Sinuswellenstrom bei 13,56 MHz

NFC-Single-End-Schaltungs-Baluns

Ein Balun ist ein Element, das zum Umschalten zwischen einer symmetrischen Schaltung und einer unsymmetrischen Schaltung verwendet wird. Es ist auch möglich, die Impedanz durch Änderung des Windungsverhältnisses zweier Spulen umzuwandeln.
Baluns, die in NFC-Schaltungen verwendet werden, haben oft ein Windungsverhältnis von 1:1 und halten die Einfügungsdämpfung im 13,56 MHz-Band gering.
Die proprietäre Technologie von TDK ermöglicht schlankere und kompaktere Produkte.

Tabelle 3. NFC-Single-End Schaltungs-Balun
Serie ATB1610HD-20011-T06
In Entwicklung
Produkt-Außenansicht
Größe [mm] 1610
Höhe [mm] 0.65 max
UB/B [ohm] 20 : 20
Bemessungsstrom [mA] 400mA
Merkmale Kompakter, kostengünstiger Typ, ideal für den NFC-Einsatz

Elektrische Doppelschicht-Kondensatoren (EDLCs/Superkondensatoren) für Smartcards

Dünne elektrische Doppelschichtkondensatoren (EDLCs/Superkondensatoren) sind ideal für kontaktlose IC-Karten, die NFC verwenden.
Sie können nicht nur schnell die Energie speichern, die zum Wiederbeschreiben der Anzeige auf elektronischem Papier benötigt wird, sie haben auch den Vorteil, dass sie im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien ein sehr sicheres Energiespeichergerät sind.

Abbildung 4. Beispiel für den Aufbau einer batterielosen Smartcard der nächsten Generation
Abbildung 4. Beispiel für den Aufbau einer batterielosen Smartcard der nächsten Generation