L'interface double pour cartes à puce simplifie les conceptions de lecteurs multicartes

L'interface double carte à puce LTC1955 offre une solution complète et compacte pour les applications multicartes. Le LTC1955 et cinq petits condensateurs sont tout ce qu'il faut pour interfacer deux supports de carte à un microcontrôleur hôte. Conçu pour être conforme à toutes les normes relatives aux cartes à puce, le LTC1955 peut être utilisé pour des prises de carte de taille normale, des prises de carte fournisseur plus petites (simlock) ou toute combinaison de prises de carte à puce et de carte fournisseur.

La Figure 1 montre le schéma fonctionnel du LTC1955, qui fonctionne à partir d'une batterie ou d'une alimentation régulée de 3,3V. La pompe de charge interne fournit une tension augmentée à deux régulateurs à faible perte sur la puce. Les LDO fournissent des sorties régulées programmables de 1,8V, 3V ou 5V à chacune des prises de carte à puce. Deux canaux unidirectionnels et un canal de communication bidirectionnel fournissent la traduction des signaux nécessaire pour faire l'interface entre un microcontrôleur à une tension d'alimentation et les cartes à puce à une autre tension d'alimentation. Les circuits de contrôle de l'horloge et de la réinitialisation des cartes à puce fournissent les fonctions logiques nécessaires pour éviter les glitchs ou autres violations des spécifications pendant l'activation ou la désactivation des cartes. Un circuit de détection de carte à puce sur chaque canal observe l'état d'un interrupteur mécanique et transmet l'information au microcontrôleur après l'expiration d'une période de rebond appropriée. Un simple port série adapté au microprocesseur fournit les données pour le contrôle des commandes et des états, ce qui minimise le nombre de fils. Enfin, le LTC1955 fournit toutes les détections de défauts et la protection ESD nécessaires pour être conforme aux normes EMV et ISO-7816-3 sur les cartes à puce. Cela inclut la détection de court-circuit, le retrait de la carte à puce pendant une transaction, les défauts de sous-tension et de surchauffe. En cas de défaut, la carte à puce est correctement désactivée et une sortie de défaut informe le microcontrôleur.

Pour simplifier la communication avec plusieurs cartes à puce, le LTC1955 comprend un port série pour les données de commande et d'état. Alors que les données de commande sont envoyées au port série, les données d'état sont renvoyées simultanément. En utilisant une interface simple à 4 fils, le LTC1955 est facilement contrôlé par un microcontrôleur avec un port série dédié ou par la manipulation de bits des broches d'E/S non dédiées. Comme les supports de carte peuvent se trouver sur une carte séparée du microcontrôleur, il est avantageux de limiter au maximum le nombre de fils de contrôle et d'état. En enchaînant en guirlande plusieurs LTC1955, il est possible de contrôler six cartes avec les mêmes quatre fils du port série.

Afin de prendre en charge les cartes 5V à partir d'une batterie ou d'une alimentation système 3.3V, le LTC1955 comprend une pompe de charge doublant la tension. La pompe de charge n'a besoin que d'un petit condensateur volant, d'un condensateur de dérivation d'entrée et d'un condensateur de stockage de charge de sortie pour fournir une capacité d'élévation - aucune inductance ou résistance de détection de courant n'est nécessaire. Les circuits de détection d'entrée déterminent la tension d'entrée disponible (PVBatt et SVBatt) et déterminent si la pompe à charge doit monter ou descendre en puissance pour fournir la tension requise pour les deux cartes. Par exemple, si la tension d'alimentation d'entrée est de 3,3V, et que la tension requise pour la carte à puce est de 5V, le LTC1955 fonctionne comme une pompe de charge pour fournir la tension la plus élevée. Sinon, si la tension d'alimentation d'entrée est de 4V et que la tension requise pour la carte à puce est de 3V ou de 1,8V, il descend automatiquement pour une meilleure efficacité.

Pour une flexibilité maximale, le LTC1955 comprend deux régulateurs à faible chute, un pour chacun des canaux de la carte. Les LDO peuvent être programmés indépendamment à 1,8V, 3V ou 5V. Les LDO contiennent un circuit de détection de défaut qui détermine si un défaut, soit une sous-tension, soit une surintensité, se produit au niveau de la tension V_CC pin.

L'ensemble du LTC1955, y compris le circuit de gestion de l'alimentation, est conçu pour consommer peu d'énergie dans des conditions de charge légère ou nulle. Sans charge (par exemple, une carte alimentée en mode d'arrêt de l'horloge), le courant d'alimentation n'est que de 250µA nominalement. Cela peut entraîner des économies d'énergie considérables dans les applications alimentées par batterie. De plus, le courant d'arrêt n'est que de quelques microampères.

Pour éviter un courant d'appel élevé pendant l'allumage, un circuit de démarrage progressif automatique rampe la tension de sortie de la pompe de charge (CPO) à un rythme lent. Les circuits de démarrage progressif ralentissent également le temps de montée de la tension V_CC pins lorsqu'un socle de carte est activé pour éviter les problèmes de démarrage et d'interférence avec la pompe de charge. Un bit d'état dans le port série indique au microcontrôleur quand la tension de sortie a atteint sa valeur finale. Ce signal active également les canaux de communication, garantissant ainsi une bonne conformité aux normes des cartes à puce. La figure 2 montre la rampe de tension d'alimentation de la carte ainsi que le signal interne CARD READY indiquant que la sortie particulière a atteint son état final.

Pendant la désactivation de la carte à puce, que ce soit par la commande de l'utilisateur ou par la désactivation automatique du défaut, le LTC1955 séquence correctement les broches de la carte à puce à 0V et décharge la carte à puce V_CC pin en moins de 200µs. La décharge rapide est importante pour garantir que les broches de la carte sont complètement effondrées avant que la carte à puce ne quitte le connecteur femelle. Cette exigence est spécifiée dans diverses normes relatives aux cartes à puce.

Sur le canal principal de la carte à puce (canal A), il y a quatre broches unidirectionnelles (CLKA, RSTA, C4A et C8A) et une broche bidirectionnelle (I/OA) pour communiquer avec la carte à puce. Ces broches se connectent directement à la prise de l'accepteur de carte à puce et ne nécessitent que peu ou pas de circuit supplémentaire.

Le canal I/OA, qui est un canal analogique I²C^™-entrée-sortie de style, fournit une translation de niveau ainsi qu'une protection contre les courts-circuits. Une technique analogique est utilisée sur ce canal pour permettre une véritable communication en duplex intégral avec la carte à puce. Cela est utile pour les protocoles de carte qui nécessitent un accusé de réception des données ou des affirmations "basses" simultanées similaires.

Pour répondre aux exigences strictes de temps de montée imposées par la norme ISO-7816-3 tout en conservant la dissipation de puissance et V_OL au minimum, un circuit accélérateur est intégré à chaque source de courant pull-up sur ce canal. Normalement, un petit courant, I_START, tire chaque broche bidirectionnelle vers son rail d'alimentation respectif. Un transistor à drain ouvert peut facilement surmonter I_START chaque fois qu'un niveau bas est affirmé. Lorsque le niveau bas est abandonné, I_START commence lentement à recharger la broche vers son rail. Un comparateur interne de détection de taux de bord remarque que le noeud se déplace vers le haut et active une grande source de courant d'excursion pour l'aider. Une fois que la source de courant plus importante commence à améliorer le taux de front du nœud, la décision d'amélioration est renforcée, ce qui fournit une forme dynamique d'hystérésis. Une fois que le nœud a atteint le rail d'alimentation, le comparateur se réinitialise et seul I_START est à nouveau disponible. La figure 3 montre la forme d'onde d'une broche bidirectionnelle. Le temps de montée de 10% à 90% est de l'ordre de 100ns. La broche DATA, qui transmet les informations au microcontrôleur au bon niveau de courant continu, possède un circuit pull up identique.

Les canaux d'horloge du LTC1955 fournissent le signal d'horloge décalé en niveau utilisé par la carte à puce pour la synchronisation. Les canaux d'horloge sont conçus spécifiquement pour la haute vitesse et peuvent transmettre fidèlement un signal de 10MHz. Ils disposent également de modes de diviseur d'horloge pour pouvoir s'adapter à des vitesses d'horloge système plus élevées. Deux entrées d'horloge, SYNC et ASYNC, offrent une flexibilité maximale en permettant à l'utilisateur de connecter les cartes à une horloge système haute vitesse libre pour les applications asynchrones ou à une sortie de microcontrôleur non dédiée pour les applications de cartes synchrones. Des modes d'arrêt de l'horloge, à la fois élevés et bas, sont disponibles pour économiser de l'énergie dans les applications sur batterie. Dans les applications de cartes synchrones, l'une des cartes ou les deux peuvent être désélectionnées et leurs broches d'horloge resteront dans leur état actuel.

Les canaux de réinitialisation transmettent le signal du microcontrôleur aux cartes à puce et peuvent également être verrouillés à l'état haut ou bas en sélectionnant ou en désélectionnant l'un des deux supports de carte.

Les canaux de réinitialisation et d'horloge sont désactivés et fournissent un niveau bas valide avant que la tension d'alimentation de la carte à puce n'ait atteint sa valeur finale. La désactivation peut être effectuée manuellement ou peut être provoquée par un défaut (par exemple, un court-circuit sur une broche de carte à puce) ou un défaut de sous-tension de l'ensemble du dispositif. La séquence de désactivation est conçue pour répondre aux normes applicables aux cartes à puce.

Des broches supplémentaires sont incluses sur le canal A pour s'adapter aux anciennes cartes qui utilisaient les emplacements de contact C4 et C8. Ces broches sont unidirectionnelles (sortie uniquement) et sont contrôlées par la même broche d'entrée de données que les broches E/S de la carte à puce.

Le LTC1955 intègre une solution de détection de carte qui ne nécessite pas de circuit de rebondissement ou de logiciel supplémentaire. Ce canal détecte la présence d'une carte à puce en forçant un petit courant et en surveillant la tension sur un interrupteur de détection mécanique. Une fois qu'une carte à puce est détectée, le canal démarre le minuteur de dé- rebond. La présence d'une carte n'est signalée au microcontrôleur que si la carte a été présente pendant au moins 20 ms. Le courant de détection du commutateur est généré par le LTC1955 ; aucun composant externe n'est donc nécessaire. Dès qu'une indication de carte valide se produit, le canal alerte le microcontrôleur en affirmant le bit CARD READY dans la sortie d'état du port série. Sur le canal A, il est possible de déterminer la présence d'une carte en observant simplement l'état de la broche DOUT sans exécuter le port série.

Les spécifications relatives aux défauts sur les broches des cartes à puce sont très strictes. Par exemple, la norme ISO7816-3 (section 1.4.8) spécifie que la prise de la carte à puce doit être capable de survivre à une "plaque métallique" se connectant entre un ou tous les contacts sans être endommagée. Pour faire face à ces conditions de défaut, le LTC1955 utilise la détection de tension sur ses broches à faible impédance pour détecter si cette broche est forcée à un niveau inapproprié. Par exemple, la tension sur la broche d'alimentation de la carte à puce, V_CCXest comparé à une référence interne pour déterminer si un court-circuit existe. Si un défaut persiste pendant une période prescrite, le LTC1955 désactive automatiquement la carte à puce respective et active la fonction FAULT sortie. Un petit délai d'attente empêche les fausses erreurs de tourmenter le microcontrôleur. Les canaux d'horloge et de réinitialisation répondent aux erreurs de manière similaire. Les niveaux numériques sur les sorties de ces canaux (CLK_X et RST_X) sont comparés à ceux qui sont présentés à leur entrée. Si ces signaux diffèrent pendant plusieurs microsecondes, un défaut est déclaré et la carte à puce est désactivée. Là encore, les FAULT la sortie alerte le microcontrôleur qu'un défaut électrique existe. Dans les deux cas, comme la carte à puce est désactivée, il n'y a pas de courant disponible pour délivrer un courant excessif pendant une période prolongée.

Les broches bidirectionnelles du côté carte à puce des canaux sont protégées contre les courts-circuits de la tension d'alimentation de la carte à puce au moyen d'un pull down à courant constant. Au lieu d'un simple transistor pull down pour transmettre un niveau bas à la carte à puce, ces canaux utilisent une mise en œuvre de source de courant. La source de courant de 5mA fournit suffisamment de courant pour respecter le taux de front et V_OL exigences tout en limitant le courant disponible pendant un défaut. Les normes disponibles pour les cartes à puce spécifient que pas plus de 15mA ne doivent circuler pendant les défauts sur ces broches. Bien sûr, les courts-circuits à la masse sur ces canaux sont indiscernables d'un signal normal et doivent être détectés par les routines de vérification des erreurs de données.

Le LTC1955 fournit tous les circuits de décalage de niveau et d'alimentation nécessaires à l'interface avec deux prises de carte à puce. Pour réduire davantage la complexité de la carte, la pièce comprend des canaux de détection de carte à puce avec un circuit de débogage intégré. Un port série simple permet de réduire le nombre de fils vers la carte du socle de carte à puce et peut facilement être étendu aux applications à 4 ou 6 cartes. Comme le LTC1955 fournit toutes les fonctions d'interface de carte à puce nécessaires, seuls des condensateurs de dérivation et un condensateur de pompe de charge sont requis pour le fonctionnement. Le fonctionnement du LTC1955 est conçu pour être simple et pour fournir un chemin presque transparent vers la carte à puce. Néanmoins, lorsqu'une condition d'erreur électrique se produit, le LTC1955 réagit rapidement en coupant l'alimentation de la carte à puce et en alertant le microcontrôleur. Le LTC1955 offre toutes ces fonctionnalités dans un boîtier QFN de 5 mm × 5 mm à profil bas (0,75 mm de haut) qui permet de gagner de la place.