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拆解:仅0.5美元的Dialog最新蓝牙芯片架构设计实例 [复制链接]

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万物互联虽然还只是个美好的愿景,但越来越多更加智能的物联网应用,确实正在让我们的工作和生活变得便捷和有意思。随着可穿戴设备、自动驾驶、智能家居等新兴领域的崛起,数以亿计的物联网设备将接入网络。据BI Intelligence预测,到2025年全球将安装超过550亿个物联网设备。优秀的企业总是能看的远并读懂时代的需求,并抢先赢得市场。Dialog半导体公司便是这样的一家企业。他们总是在不断探索新的市场中,获得长足的发展。

万物互联虽然还只是个美好的愿景,但越来越多更加智能的物联网应用,确实正在让我们的工作和生活变得便捷和有意思。随着可穿戴设备、自动驾驶、智能家居等新兴领域的崛起,数以亿计的物联网设备将接入网络。据BI Intelligence预测,到2025年全球将安装超过550亿个物联网设备。优秀的企业总是能看的远并读懂时代的需求,并抢先赢得市场。Dialog半导体公司便是这样的一家企业。他们总是在不断探索新的市场中,获得长足的发展。

Dialog半导体公司推出了最新的全球尺寸最小、功率效率最高的蓝牙5.1 SoC SmartBond TINY™ DA14531及其模块。据介绍,DA14531具备高集成度,仅需6颗外部无源器件、1个时钟源、1个电源即可实现完整的蓝牙低功耗系统,尺寸仅为其前代产品的一半,封装尺寸仅为2.0 x 1.7 mm。SmartBond TINY模块结合了DA14531主芯片的各项功能,尺寸预计小于 10x16mm,并完成跨地区全面认证,客户可以轻松快速的将该SoC加入到他们的产品开发中。

Dialog 半导体公司低功耗连接事业部总监Mark de Clercq回顾产品开发历程时表示,为了实现更小尺寸、更低功耗、更高功率效率的目标,Dialog 半导体公司对芯片架构进行了很多重塑,比如IP电路完全都是全新设计,虽然现在看起来非常简单,但要实现这样的尺寸和功率,确实是做了非常多的创新。
Dialog 半导体公司低功耗连接事业部总监Mark de Clercq 下面,我们跟着DA14531诞生历程,来深度了解下这家伟大公司的创芯历程。

BLE的市场机会在哪?

物联网由感知层、网络层和应用层一一组建而成。 在网络层,低功耗成为物联网不可避免的趋势。 而蓝牙凭借功耗低、稳定性好、成本低、传输距离与速度性能好等多种优势,已成为物联网终端通讯最佳的解决方案之一。 SIG最新发布的《蓝牙市场最新资讯(Bluetooth Maket update 2019)》中指出,2019年全球蓝牙设备出货量40亿台左右,而到了2023年这一数据将增长到54亿台,低功耗蓝牙单模设备年出货量将超16亿,复合增长率大概在8%左右。 不过,虽然物联网有着广阔的应用前景,但因传感器成本高、应用场景多样化、个性需求碎片化、以及大数据积累和深度挖掘程度不够、网络攻击带来的安全隐患等原因,使得物联网发展仍多停留在发展探索阶段。 Dialog半导体公司也深谙物联网当前的发展现状,但伟大的公司之所以伟大,不只是跟上市场的发展,更是市场的助推手,不断探索新的市场,使得蛋糕能够做大。 新市场在哪?

Mark de Clercq把物联网理解成金字塔,金字塔底端设备量会比较大,越往上走越高端,设备使用量越小,成本也越高。最顶端的金字塔的塔尖主要是一些定制化产品;逐渐往下走就开始从定制向标准化转变,如标准化可充电设备;再往下走是标准化可替换的设备;最底层的则是标准化一次性设备。其中最底层标准化一次性设备市场机会最大。

IoT金字塔

首先,标准化一次性的底层设备有很多现在是还没有实现无线连接,如打印机、咖啡机、机顶盒、插线板等,因为给它们添加无线连接的成本太高了。 其次,还有很多的系统和设备,设备开发者花了很多时间去进行MCU 运行,不想再花更多的时间去给它添加连接功能。 此外,大部分这些设备的用户界面并不是非常成熟,或者说多样化,可能就只有几个非常简单的按钮。 随着智能时代的到来,用户也希望能让它们变得越来越智能。 这时候就可以通过把蓝牙低功耗连接功能用低成本的方式,让它添加到这些设备或系统上去,使得设备上的用户界面能够转移到手机上。 这不仅让设置更便捷,从手机上就可以对这些设备进行设置,同时在维护的时候,还可以进行联网诊断,维护人员可以从手机上看到同样用户界面上的一些诊断信息。 此外,还有一类很关键且很现实的应用需求,就是智慧医疗。 虽然大家对这个领域已经比较熟悉,但是过去的设备使用还是比较有局限性的。 比如说吸入器或注射相关的设备。 对于吸入设备来说,比如说有慢性阻塞性肺病的人,像哮喘是需要长期用药的,还有像糖尿病患者需要实时去注射胰岛。 对于患者而言,记录自己药物的使用时间、用量和药物类型,每天会是非常大的负担。 人在记录的时候,不免会有一些意外情况或记录不准确的时候,比如说吃完药忘记记录,当再想起时靠回忆来补记当时吃药的时间和用量等,这样的记录往往误差很大。 医务人员需要准确数据来调整治疗方案的时候,得到不准确的数据就会影响治疗。 为了能够减少人为的不确定性,可以用蓝牙低功耗的连接功能,使得吸入器的设备可以直接传送到手机上,然后直接传送到医生那里,这样能够得到更加准确的实时的数据,也能够使得病人得到更好的治疗。

AIoT时代,应用呈现碎片化和多样化,产品开发都要结合到真实的行业应用场景中,才有可能真正得以落地开花。Mark de Clercq介绍说:“DA14531 整体的理念就是要助推下一波十亿无线连接的IoT 设备,尤其是比较专注的消费设备、智慧医疗、工业物联网、智能家具、智能家电等几个垂直行业。这些领域有一个共性,由于设备蓝牙连接成本太贵,而不得不搁浅智能互联。Dialog 希望推出一款新品,保证产品性能的前提下,大幅度降低成本,让更多设备变得智能起来。”

0.5美元:精打细算将成本降至极致

为将蓝牙技术推广普及到更多的设备上,助推下一波十亿IoT设备的智能互联,Dialog半导体公司把把0.5 美元当作是一个门槛,即向任何的系统添加蓝牙低功耗连接功能的成本,要降低到0.5美元。Mark de Clercq介绍说:“0.5 美元的门槛,我们主要是针对高的年用量,也就是1000 万片用量的一次性设备。而且0.5 美元不仅仅包含蓝牙芯片本身,还包括其它如外部的无源器件和晶振等。”

在IoT生态系统的构建中,低功耗成为物联网不可避免的趋势。在降低成本的同时,必须保证性能不仅不能打折扣,最好还能是集成更多功能,拥有更高性能。下面我们一步步拆解,看看这0.5美元是如何实现的。

DA14531 SmartBond™ TINY 电路框图

首先,我们来了解下这款芯片的架构。 具体看DA14531 SmartBond™TINY 的电路框图,它支持蓝牙5.1 的核心规范协议栈,有复位电路,有无线电的部分,有所有需要的外设,在左边也有内存的部分。 它可以作为独立的芯片系统来使用,同时也可以作为模块嵌入到更大的微控制器单元当中。 集成的DC-DC 转换器,不仅支持降压模式、升压模式,还支持旁路模式,使得外围器件可以节省了0.2美元。 其中旁路模式是非常必要的,因为有的应用对于成本非常敏感,但对于功率却不太敏感,这时候旁路模式就可以省掉电感器和电容器,这样在整个成本上就能够节省3 美分。 Mark de Clercq特别指出,目前Dialog半导体公司是唯一一家公司把升压模式DC-DC 转换器集成到器件当中,或者是蓝牙低功耗器件当中的。 我们再来看输出功率,无线电可编程的输出功率,是-19.5 到2.5dBm,灵敏度是-94dBm。 同时又保持了智能唤醒的功能,即便是所有的GPIO 都处于休眠的时候也是保持活跃的,因此有外部的触发可以将它们唤醒。 电池的设计变得越来越小,其中重要的一点是不能一次性去吸入太大的电流。 在电源管理方面,专门增加了峰值电流限制器,使得从电池当中得到的电流在峰值的时候可以得到限制,不至于一下子把电池给毁坏了。 通过这些设计,就能够实现一些关键的数字:

  • 在室温25 摄氏度的时候可以保持240nA 的休眠电流。
  • 如果是在相对低温5 摄氏度进行冷存的时候,可以150nA 的休眠电流。
  • 在睡眠的模式是700nA 以及1.6uA,所有内存都是处于活跃状态,随时可以被唤醒。
    Mark de Clercq特别强调说: “发射电流和接收电流的数字并不只是针对无线电,而是整个的发射、接收加在一起的数字。 将电流和电压相乘之后,可以实现小于10 甚至小于7 毫瓦的功率,这个数字是非常了不起的。 客户可以根据应用需要来灵活调整输出功率。 ” 此外,DA14531是能够实现真正的单个32MHz 外部晶振的运行。 虽然Dialog半导体公司上一代产品也具备这个特点,而且一些竞品也有这样的特点,但是还是有很多的应用会需要32kHz 的外部晶振。 因此DA14531的晶振电路做了重新设计,确保90%以上的设备不再需要32kHz 的晶振,可以实现单个32MHz 外部晶振独立运行,并且不会造成功率损耗。 在这一块,成本又可降低0.07美元。 我们再来看看DA14531在封装上的表现。 首先是芯片的面积,1.7×2.0mm的封装尺寸,可以很大程度上节省晶圆物料。 其次,将芯片外部元件保持在最小的量上,外部元件最后把它减少到只剩下6 颗无源器件,包括2 个电感器、3 个电容器和1 个外部晶振,而且也实现了单个外部晶振的运行,不会有任何的功率损耗。 封装设计用的是双层电路板的设计,没有微过孔,因为微过孔会增加成本,所以通过这样的设计也节省了电路板的成本。
    最后,针对电源、电池,除了考虑节省成本、降低功耗等关键要素之外,Dialog半导体公司还最大程度的考虑设备被废弃之后,电池是否对环境有所影响,宗旨便是将影响降低到最后。 经过跟客户的共同努力,最后选择了对环境影响最小的一次性电池,比如说一次性氧化银电池、锌空电池、碱性或钮扣电池。 Mark de Clercq最后总结说: “SmartBond TINY基于强大的32位ARM® Cortex M0+™,具有集成的内存及一套完整的模拟和数字外设,在最新的IoT连接EEMBC基准 IoTMark™-BLE 上获得了破纪录的18300高分。 其架构和资源允许它作为独立的无线微控制器使用,或者为已经有微控制器的现有设计添加RF数据传输通道。 SmartBond TINY解决了IoT设备尺寸和成本上升的挑战,它以更小的芯片尺寸和占板尺寸,降低了实现完整系统的成本,并确保性能质量无竞争对手能及。 ”

    蓝牙低功耗连接技术未来可期

    Dialog半导体公司有最广泛的蓝牙低功耗SoC和模块的产品组合,主要针对的细分市场是连网消费设备、智慧医疗设备、智能家居和智能家电的市场。迄今为止Dialog已经出货了3亿颗蓝牙低功耗SoC,而且年平均增长率是50%左右。据了解,Dialog半导体公司蓝牙低功耗主要有两个产品系列,均支持最新的蓝牙5.1 标准:一是针对高端市场的DA146XX 产品系列;二是针对中低端市场的DA1469X 系列产品,主打灵活性和简便性。

    Mark de Clercq分享说:“此次推出的DA14531芯片已经开始量产,封装提供了FCGQFN和WLCSP两种封装,开发套件提供Pro专业版和USB dongle版本。在软件方面首先支持最新的蓝牙5.1核心规范。它有外设支持,而且可以支持更高的数据速率(码流),同时还有软件的在线升级功能。”

此帖出自RF/无线论坛

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