Stastita[1]预测,到2025年,物联网装置数量将超过750亿,远超过联合国所预测之2025年全球将达81亿人口的数量[2]。物联网可能是科技公司的最大推动能量之一。物联网装置最重要的特点可能是连网。
无线连网装置透过射频无线电、天线和相关电路将电讯号转换为电磁波,反之亦然。设计人员有两个选择可实现该电路:a)使用射频晶片组并设计相关的射频部分;b)使用已经安装的射频晶片组和相关射频部分的模组。在本文中,我们将比较这两种方法,并帮助设计人员做出明智的决定。
使用晶片组和模组的射频
采用晶片组方式实现的射频是由射频IC、天线、巴伦和滤波器、配对网路、晶振、以及其他无源元件所组成。图一是使用意法半导体的BlueNRG BLE SoC的参考实现原理图。
使用模组方法要简单许多。与图一相同的电路也可以使用现成的模组来实现。图二是意法半导体的BlueNRG-M2SA模组的脚位分配和内部框图。该模组是使用BlueNRG-2 SoC和相关电路实现的。
图二 : BlueNRG-M2SA脚位分配和内部架构图 |
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晶片组与模组的比较
在选择合适的方式时,要考虑三个主要层面: (a)上市时间、(b)认证、(c)成本。我们将针对各种面向进行回顾,以便从逻辑上了解。
上市时间
使用晶片组设计射频的步骤如下
1.设计原理图和配置
2.透过PCB制造商开发PCB板、焊板
3.微调无源元件之数值,以优化性能
4.订购模组所有元件,然后生产出模组
5.RF测试和认证
晶片组设计的射频几乎需要花费3 - 6个月时间。它还需要多种资源,如射频设计师、供应链和多个服务合作伙伴,如PCB制造商和EMS公司。该方法适用于大量生产,但不适用于原型制作和小量生产。
模组则是为快速上市而设计的。使用模组增加连线功能不需要具备任何RF专业知识。无线连线比较简单,就像一个模组化的随插即用的元件,因为设计师得到一个现成的射频,模组化的实现非常快。因此,设计人员可以非常快速地将自己的产品推向市场。这对于原型制作和小量生产尤其重要。
认证
几乎任何电子装置都要经过通用放射测试。此外,配有射频的元件也被视为有意放射体。因此,它们需要额外的认证,以确保其放射功率不会超过允许值,或干扰其他装置或频段。在这方面,没有全球通用的认证,每个国家或地区都有自己的标准。通常这些标准是相似的,但它们仍然需要透过申请和相关过程。
此外,大多数射频技术(如BLE、Wi-Fi或GPRS)都必须符合特定组织制定的标准。所以,它们也要通过这些认证。
让我们透过意法半导体的BlueNRG SoC和BlueNRG-M2SA 模组了解认证。
蓝牙低功耗装置需要通过蓝牙技术联盟(管理蓝牙商标使用的机构)的认证。它们还需要获得不同国家和地区的RF认证。一些国家和地区确定的认证有FCC(美国)、RED(欧洲)、WPC(印度)、IC(加拿大)、SRCC(中国)、以及Type(日本)。
由于模组已经经过测试并被认证为辐射装置,透过模组实现的设计无需再进行辐射装置认证,其将被视为另一种电子装置。下面是晶片组方法和模组化方法的成本比较。
认证
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项目
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晶片组
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模组
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预估节省之成本
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蓝牙
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测试
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8000
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0
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8000 €
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列表
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8000
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8000
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CE
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安全
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3500
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3500
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2000 €
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EMC
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2500
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2500
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RF
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3500
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1500
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FCC
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4000
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1500
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2500 €
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认证过程耗时、繁琐且成本高昂。如果产量够大,就可透过规模经济来分摊成本,但对小量产品来说,成本摊提过高。
费用
本文已经讨论了成本的一些要素。一般来讲,成本包括
-电路设计成本
-设计人员成本、供应链成本和生产成本
-认证成本
-机会成本
一般来说,如果年产量超过10-15万个,或者产品的形状不允许采用专用模组,这些成本是合理的。
意法半导体提供的模组
意法半导体是世界领先的半导体公司,生产各种低功耗射频元件和模组。意法半导体提供的射频晶片组和相关模组可参见下表
技术
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IC
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模组
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说明
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BLE
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BlueNRG-MS网路处理器
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BlueNRG-M0A
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全功能 / 低功耗
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BlueNRG-M0L
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低成本
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BlueNRG-2应用处理器
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BlueNRG-M2SA
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全功能 / 低功耗
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BlueNRG-M2SP
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Low Cost
低成本
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RF SubGhz 433MHz, 868Mhz, 915Mhz
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SPIRIT1 radio
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SPSGRF-868/915
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内建天线
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SPSRFC-433/868/915
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UFL连接器,用于外部天线
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需要慎重考虑的是,上述提及的所有晶片组和模组均已纳入10年长期供货计画。这意味着,如果一家公司在其设计中使用了这些元件,那么意法半导体将从产品推出之日起的10年内持续提供这些元件,或提供完全相容的替代品。
结论
如果终端设备的形状不能适应模组或产量非常大,则应采用晶片组方法以期实现合理的设计成本、生产成本和认证成本。如果公司希望专注于自己的核心竞争力并避免射频设计的麻烦,模组化方法应该是首选。模组化方法也是原型制作和小批量生产的首选。如本文所述,意法半导体是低功率射频技术领域的领军企业,为各种应用场景提供广泛的晶片组和模组。
(本文作者Vishal GOYAL为意法半导体南亚与印度区技术行销经理)
[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/