探秘PN7160/PN7161 NFC控制器：设计、特性与应用

一、引言

在当今的科技世界里，近场通信（NFC）技术已经无处不在，它为移动支付、数据传输、智能设备交互等领域带来了极大的便利。NXP的PN7160和PN7161 NFC控制器，凭借其强大的功能和出色的性能，在众多NFC解决方案中脱颖而出。今天，我们就来深入了解一下这两款控制器。

文件下载：PN7161B1EV C100Y.pdf

二、产品概述

2.1 总体介绍

PN7160和PN7161是带有NCI接口和集成固件的NFC控制器。其中，PN7161在PN7160的基础上，还支持苹果的“Enhanced Contactless Polling”（ECP）功能，但该功能需正式授权后才可使用。在后续的文档描述中，若无特殊说明，PN7160将指代PN7160和PN7161。

2.2 设计优势

PN7160专为集成在移动设备和符合NFC标准（NFC Forum、NCI）的设备而设计。它基于NXP上一代NFC设备的经验进行开发，具备诸多优势：

• 低PCB占用面积和减少外部物料清单：有助于减小设备体积，降低成本。
• 优化架构实现低功耗：在不同模式（如待机、低功耗轮询循环）下均可有效降低功耗。
• 高效集成电源管理单元：允许直接从2.8V至5.5V的扩展电池供电范围获取电源，还支持外接如NXP PCA941xA的DC - DC转换器以提供更多输出功率。

2.3 射频前端特性

PN7160嵌入了新一代射频非接触式前端，支持多种传输模式，如NFCIP - 1、NFCIP - 2、ISO/IEC14443、ISO/IEC 15693、MIFARE和FeliCa等规范。其优势在于：

• 高性能：一方面具有更高的灵敏度，另一方面能够在有源负载调制通信中工作，支持小天线形状因子。
• 高输出功率：通过从2.7V至5.25V为发射机输出级供电，可提供更高的输出功率，达到1.3W。
• 灵活的负载调制：具备增强的动态负载调制幅度（DLMA）功能，可根据外部场强优化和增强负载调制幅度，在卡模式下实现更远的通信距离；还能对A、B和F类型进行独立的LMA相位调整，步长为5°。
• 动态功率控制：在读取器模式下可充分利用最大功率，同时不超过标准规定的零距离最大允许功率。
• 高灵敏度接收：卡模式接收机灵敏度达到20mV₍ₚ₋ₚ₎，并支持单端接收机。

三、功能特性与优势

3.1 高度集成的模块

PN7160拥有高度集成的解调器和解码器、带缓冲的输出驱动器，可使用最少的外部组件连接天线。此外，还集成了RF电平检测器和自动设备发现的轮询循环，大大简化了设计过程。

3.2 广泛的协议支持

RF协议方面，它支持众多标准和模式，包括ISO/IEC 14443A、B的PICC和PCD模式、FeliCa PCD模式、MIFARE PCD加密机制（MIFARE 1K/4K）、NFC Forum标签T1T - T5T、NFCIP - 1和NFCIP - 2协议、NFC Forum P2P、读取器和卡模式认证以及ISO/IEC 15693/ICODE VCD模式等。PN7161还支持苹果的“Enhanced Contactless Polling”。

3.3 丰富的主机接口

支持NCI协议接口（符合NFC Forum标准化）、I²C - bus高速模式和SPI - bus，并且通过灵活的时钟供应概念，便于与其他设备集成。内部振荡器可连接27.12MHz晶体，集成的PLL单元可利用设备参考时钟，为系统设计提供了更多的灵活性。

3.4 智能电源管理

集成的电源管理单元可直接连接电池（2.5V至5.5V电压供应范围），支持不同的低功耗状态配置，如硬电源关闭状态和由固件激活的待机状态。即使主机关闭，也能进入自主模式，并可通过RF场、内部定时器和主机接口自动唤醒。

3.5 数据存储与安全

集成非易失性存储器，可存储数据和可执行代码以实现定制化功能，还具备抗撕裂支持，确保在撕裂事件发生后能正常恢复。

3.6 标准合规性

完全符合NFC Forum设备要求和NCI 2.0标准，保证了其在NFC生态系统中的兼容性和互操作性。

四、应用场景

PN7160/PN7161的应用范围十分广泛，涵盖了以下领域：

• 移动设备：如智能手机、平板电脑等，实现移动支付、数据传输等功能。
• 便携式设备：包括个人数字助理、笔记本电脑、可穿戴设备等，为设备之间的近距离交互提供支持。
• 消费设备：如智能家电、智能家居等，实现设备的智能控制和互联。
• 智能家居网关：作为智能家居系统的核心，实现不同设备之间的通信和管理。

五、性能参数速览

以下是PN7160的一些关键性能参数：	参数	条件	最小值	典型值	最大值	单位
电池供电电压（V BAT ）	卡模拟和被动目标；V SS = 0V	2.5	-	5.5	V
读取器、主动发起者和主动目标；V SS = 0V	2.8	-	5.5	V
V DD(UP)输入供电电压	读取器、主动发起者和主动目标；V SS = 0V	2.8	-	5.8	V
除硬电源关闭状态外的其他情况；V SS = 0V	2.5	-	5.8	V
V DD(PAD)供电电压	主机接口供电电压；V SS = 0V	1.65	1.8	1.95	V
3.0	3.3	3.6	V
电池供电电流（I BAT ）	硬电源关闭状态；V BAT = 3.6V；T = 25 °C	-	10.5	16	μA
待机状态；V BAT = 3.6V（增强型RF检测器）	-	32	52	μA
待机状态；V BAT = 3.6V（低灵敏度RF检测器）	-	21	36	μA
低功耗轮询循环；V BAT = 3.6V；T = 25 °C；循环时间 = 500ms	-	100	-	μA
PCD模式下连续总电流消耗；V BAT = 3.6V	-	-	290	mA
电流限制阈值（I th(Ilim) ）	发射机电流限制器	270	300	330	mA
总功耗（P tot ）	PCD模式，典型V DD(TX) = 5.25V，V DD(UP) = 5.8V和V BAT = 3.6V；包括V BAT 和V DD(UP) 的功率	-	-	620	mW
环境工作温度（T amb ）	JEDEC PCB - 0.5	- 30	-	+ 85	°C

六、固件版本

6.1 版本12.50.09

• 支持在自主NDEF模式下从NFC进行NDEF写入。
• 在EMVCo配置文件中支持ECP（仅PN7161）。
• 优化了启用ECP时的卡移除程序（仅PN7161）。
• 为ISO/IEC 15693添加了PRBS支持。此版本仅作为固件更新文件提供，硬件上不可用。

6.2 版本12.50.06

• 进行了更改以支持NFC Forum CR12。
• 添加了用于配置动态功率控制（DPC）的辅助命令。同样，此版本仅作为固件更新文件提供，硬件上不可用。

6.3 版本12.50.05

这是初始版本，生产样品将搭载此版本的固件。

七、订购信息

PN7160和PN7161有不同的封装和配置可供选择，如VFBGA64和HVQFN40封装。同时，不同的型号对应不同的控制接口（I²C - bus或SPI - bus）和固件版本。具体的产品变体和订购信息可参考文档中的详细表格。

八、标记信息

8.1 VFBGA64封装标记

标记信息包含产品版本标识、扩散批次序列号、组装批次ID、制造代码等，通过不同的行进行区分，其中制造代码还包含扩散中心代码、组装中心代码、RoHS合规指示符、制造年份和周以及产品生命周期状态代码。

8.2 HVQFN40封装标记

标记信息同样包括产品版本标识、扩散批次ID、组装ID号和制造代码等，不同的行有不同的含义。

九、功能描述

9.1 系统模式

9.1.1 系统电源模式

• 全功率模式：电池供电（V BAT ）和焊盘供电（V DD(PAD) ）均可用，即使主系统关闭，也可在卡模拟模式下显示NDEF消息。
• 自主模式：在特定条件下，即使主机关闭，设备也能独立工作。
• 低功率模式：电池供电可用，但焊盘供电不可用，此时仅支持卡模拟模式。
• 电源关闭模式：系统未从任何电源获取供电或处于硬电源关闭状态。

9.1.2 PN7160电源状态

• 硬电源关闭（HPD）状态：通过设置VEN电压< 0.4V进入，此时PN7160的功耗最低。
• 待机状态：由主机或软件编程使VEN电压为高，部分PN7160模块保持供电，可通过多种唤醒源（如主机接口、天线RF电平检测器、内部定时器）切换到活动状态。
• 活动状态：又分为空闲、监听和轮询三种子模式。在空闲模式下，RF接口未激活；在监听模式下，设备监听外部设备；在轮询模式下，设备主动搜索和通信。

9.2 主机接口

PN7160支持I²C - bus目标接口（最高3.4 MBaud）和SPI - bus目标接口（最高7 MBaud），但同一时间只能激活一个接口。接口选择在IC制造过程中确定，不同的订购编号对应不同的接口版本。主机接口可通过WKUP_REQ输入引脚或I²C - bus地址唤醒。

十、总结

PN7160和PN7161 NFC控制器以其高度集成、低功耗、广泛的协议支持和灵活的电源管理等特性，为各种NFC应用提供了强大而可靠的解决方案。无论是移动设备还是智能家居领域，它们都能发挥重要作用。电子工程师在设计NFC相关产品时，可以充分考虑这两款控制器，以实现更高效、更便捷的通信功能。大家在实际应用中，是否遇到过类似NFC控制器的一些特殊需求或挑战呢？欢迎在评论区分享。