面向物聯網系統的ST連接芯片組或模塊可破解射頻設計難題

winniewei 提交于 周六, 05/09/2020
面向物聯網系統的ST連接芯片組或模塊可破解射頻設計難題

Vishal GOYAL

技術營銷經理

南亞和印度地區

意法半導體

引言

Stastita[1]預測,到2025年,物聯網設備數量將超過750億,遠遠超過聯合國預測的2025年全球81億人口數量[2]。物聯網可能是科技公司的最大推動力量之一。物聯網設備最重要的特點便是聯網。

無線聯網的設備通過射頻無線電、天線和相關電路將電信號轉換為電磁波反之亦然。設計人員有兩個選擇可實現該電路:a)使用射頻芯片組并設計相關的射頻部分;b)使用已經安裝了射頻芯片組和相關射頻部分的模塊。在本文中,我們將比較這兩種方法,并幫助設計人員做出明智決定。

使用芯片組和模塊的射頻部分

采用芯片組方式實現的射頻部分由射頻IC、天線、巴倫和濾波器、匹配網絡、晶振、以及其他無源器件組成。下面是使用意法半導體的BlueNRG BLE SoC的參考實現原理圖

圖1:BlueNRG-2 參考原理圖

SEQ Figure \* ARABIC 1BlueNRG-2 參考原理圖

使用模塊方法的實現要簡單得多。與圖1相同的電路也可以使用現成的模塊來實現。下面是意法半導體的BlueNRG-M2SA模塊的引腳分配和內部框圖。該模塊是利用BlueNRG-2 SoC和相關電路實現的。

圖2:BlueNRG-M2SA引腳分配和內部框圖

SEQ Figure \* ARABIC 2BlueNRG-M2SA引腳分配和內部框圖

芯片組方法與模塊方法的比較

在選擇合適的方法時,要考慮三個主要方面:a)上市時間,b)認證,c)成本。我們將對每個方面進行回顧,以便從邏輯上理解透徹。

上市時間

使用芯片組設計射頻部分的步驟如下:

i)? 設計原理圖和布板

ii) PCB制造商制板

iii) 焊板

iv) 微調無源器件的值,以優化性能

v) 訂購模塊的所有組件,然后生產出模塊

vi) RF測試和認證

基于芯片組設計的射頻部分幾乎要花費3 - 6個月時間。它還需要多種資源,如射頻設計師、供應鏈和多個服務合作伙伴,如PCB制造商和EMS公司。該方法適用于大批量生產,但不適用于原型制作和小批量生產。

模塊則是為快速上市而設計的。使用模塊添加連接不需要具備任何RF專業知識。無線連接比較簡單,就像一個模塊化的即插即用組件,因為設計師得到一個現成的射頻部分,模塊化的實現非常快。因此,設計人員可以非常快速地將自己的產品推向市場。這對于原型制作和小批量生產尤其重要。

認證

幾乎任何電子設備都要經過通用放射測試。此外,配有射頻部分的器件也被視為有意放射體。因此,它們需要額外的認證,以確保它們放射的功率不會超過允許值,或干擾其他設備或頻段。在這方面,沒有全球通用的認證,每個國家或地區都有自己的標準。通常這些標準是相似的,但是它們仍然需要通過申請和相關過程。

此外大多數射頻技術BLEWi-FiGPRS都必須符合特定組織制定的標準。所以,它們也要通過這些認證。例如,意法半導體的BlueNRG SoCBlueNRG-M2SA 模塊的認證過程。

藍牙低功耗設備需要通過藍牙技術聯盟(管理藍牙標志使用的機構)的認證。它們還需要獲得不同國家和地區的RF認證。一些國家和地區確定的認證有FCC(美國)、RED(歐洲)、WPC(印度)、IC(加拿大)、SRCC(中國)、以及Type(日本)。

由于模塊已經經過測試并被認證為輻射裝置通過模塊實現的設計無需再做輻射裝置認證可被視為所用模塊的派生設備。下面是芯片組方法和模塊化方法的成本比較。

認證

項目

基于芯片組

基于模塊

預計節約

藍牙

測試

8000

0

8000 €

列表

8000

8000

CE

安全

3500

3500

2000 €

EMC
EMC

2500

2500

RF
RF

3500

1500

FCC

4000

1500

2500 €

認證過程耗時、繁瑣且成本高昂。如果產量夠大,可以通過規模經濟來分攤成本,但對小批量產品來說,分攤成本過高。

費用

本文已經討論了成本的一些要素。一般來講,成本包括

  • 電路設計成本
  • 設計人員成本、供應鏈成本和生產成本
  • 認證成本
  • 機會成本?

一般來說,如果年產量超過100-150K件,或者產品的形狀不允許采用專用模塊,這些成本是合理的。

意法半導體提供的模塊

意法半導體是世界領先的半導體公司,生產各種低功耗射頻器件和模塊。意法半導體提供的射頻芯片組和相關模塊見下表

技術

IC

模塊

說明

BLE

BlueNRG-MS網絡處理器

BlueNRG-M0A
BlueNRG-M0A

全功能 / 低功耗

BlueNRG-M0L
BlueNRG-M0L

低成本

BlueNRG-2應用處理器

BlueNRG-M2SA
BlueNRG-M2SA

全功能 / 低功耗

BlueNRG-M2SP
BlueNRG-M2SP

低成本

RF SubGhz 433MHz, 868Mhz, 915Mhz

SPIRIT1小無線

SPSGRF-868/915
SPSGRF-868/915

內置天線

SPSRFC-433/868/915
SPSRFC-433/868/915

UFL連接器,用于外部天線

一個需要考慮的非常重要的方面是,上面提到的所有芯片組和模塊均已納入10年長期供貨計劃。這意味著如果一家公司在其設計中使用了這些組件,那么意法半導體將從產品發布之日起的10年內持續提供這些組件,或提供完全兼容的替代品。

結論?

如果終端設備的形狀不能適應模塊或產量非常大則應采用芯片組方法以期實現合理的設計成本、生產成本和認證成本。如果公司希望專注于自己的核心競爭力并避免射頻設計的麻煩,模塊化方法應該是首選。模塊化方法也是原型制作和小批量生產的首選。如本文所述,意法半導體是低功率射頻技術領域的領軍企業,為各種應用場景提供廣泛的芯片組和模塊。

[1] https://www.statista.com/statistics/471264/iot-number-of-connected-devices-worldwide/

[2] https://www.usatoday.com/story/news/world/2013/06/13/un-world-population-81-billion-2025/2420989/

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