新聞中心

EEPW首頁 > 物聯(lián)網(wǎng)與傳感器 > 編輯觀點(diǎn) > 標(biāo)準(zhǔn)化一次性設(shè)備是藍(lán)牙的新藍(lán)海,Dialog祭出低價超小SoC方案

標(biāo)準(zhǔn)化一次性設(shè)備是藍(lán)牙的新藍(lán)海,Dialog祭出低價超小SoC方案

—— 藍(lán)牙芯片成本降低至0.5美元,將觸發(fā)新一波十億IoT設(shè)備的誕生
作者:王瑩 時間:2019-11-11 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

人們通常把物聯(lián)網(wǎng)比喻成金字塔(如下圖),底端設(shè)備量龐大,越往上走越高端,設(shè)備使用量越小。成本方面,底端比較低,越往上成本越高。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201911/406951.htm

1573474149866544.jpg

最頂端的金字塔塔尖是定制化產(chǎn)品,成本是非常高昂的,但是用量并不多。逐漸往下走,就開始從定制向標(biāo)準(zhǔn)化去轉(zhuǎn)變。首先是標(biāo)準(zhǔn)化可充電的設(shè)備,再往下是標(biāo)準(zhǔn)化可替換的設(shè)備。目前市場上有很多的標(biāo)準(zhǔn)化可充電和可替換的設(shè)備。但是可能因?yàn)槌杀镜木壒蕸]有能夠完全實(shí)現(xiàn)無線連接的,是最底層的標(biāo)準(zhǔn)化一次性設(shè)備,數(shù)量約有十億計。例如咖啡機(jī)、注射器等,原因是給它們添加無線連接的成本太高了。

1 Dialog祭出TINY SoC

2019年11月,Dialog半導(dǎo)體推出小尺寸、高功率效率的5.1 SoC DA14531及其模塊,該芯片又名SmartBond TINY?,現(xiàn)已開始量產(chǎn)。制程55 nm。該芯片有兩大特點(diǎn):第一是低功耗、小系統(tǒng)尺寸和低系統(tǒng)成本的組合。第二是實(shí)現(xiàn)了高度的集成,能集成更多的功能,尤其是在模擬方面。

“SmartBond TINY把為任何系統(tǒng)添加低功耗連接功能的成本降低至0.5美元(*高年用量),將觸發(fā)新一波十億IoT設(shè)備的誕生?!惫镜凸倪B接事業(yè)部總監(jiān) Mark de Clercq自豪地稱,并介紹了公司在方面的業(yè)績:迄今為止,Dialog已經(jīng)出貨了3億顆藍(lán)牙低功耗SoC,而且年平均增長率是50%左右。Dialog藍(lán)牙芯片年出貨量達(dá)1億顆。”

1573474232874143.jpg

2 如何實(shí)現(xiàn)、高功率效率和小尺寸

TINY產(chǎn)品是為助推下一波十億IoT設(shè)備專門設(shè)計的。Dialog在這里把0.5美元當(dāng)作是一個門檻,稱任何系統(tǒng)添加藍(lán)牙低功耗連接功能的成本,要降低到0.5美元。這主要針對高年用量,也就是1千萬片用量的一次性設(shè)備。而且0.5美元不僅僅包含藍(lán)牙芯片本身,還包括外部的無源器件和晶振等。

盡管成本下降了,但是TINY在性能和尺寸上沒有做妥協(xié),芯片的尺寸非常小,成本非常低,而且它也支持最新的藍(lán)牙5.1標(biāo)準(zhǔn)的核心規(guī)范。

2.1 如何實(shí)現(xiàn)

1)提到成本,人們首先想到物料,用到的物料越少成本越低。TINY芯片的面積降到了1.7 mm×2.0 mm,這樣的小尺寸使晶圓物料可以節(jié)省很多。

1573474401834421.png

2)接下來看芯片的外部元件,也要保持在最小的量上。TINY外部元件最后減少到只剩下6顆的無源器件,包括2個電感器、3個電容器和1個外部晶振,而且也是實(shí)現(xiàn)了單個外部晶振的運(yùn)行,而且不會有任何的功耗。

3)電源和電池。在這方面,Dialog跟一次性設(shè)備領(lǐng)域的一些客戶去研究,看什么樣的電池更適合于一次性的設(shè)備。首先要降低功耗,使更小的電池能夠被用起來。而且上億的一次性設(shè)備用過之后,就會被廢棄,扔掉之后對環(huán)境也是有影響的,所以還要考慮這些電池對環(huán)境的影響。Dialog跟客戶一起努力去尋找對環(huán)境影響最小的一次性電池,例如一次性氧化銀電池、鋅空電池、堿性或鈕扣電池。

4)所有以上提到的元器件,都會安裝到PCB(印制板)上,也要保證占板成本能夠降到最低,所以采用了雙層電路板的設(shè)計方案。

2.2 如何實(shí)現(xiàn)高性能

EEMBC(嵌入式微處理器基準(zhǔn)評測協(xié)會)是世界領(lǐng)先的對于嵌入式微處理器進(jìn)行測評的協(xié)會,IoTMark是最近EEMBC組織剛剛新出臺的關(guān)于IoT測評的基準(zhǔn),藍(lán)牙低功耗方面叫IoTMark?-BLE,Dialog用這個基準(zhǔn)做了測評。

   IoTMark?-BLE主要是針對邊緣節(jié)點(diǎn)做的測評,它是把設(shè)備連接到傳感器上面,從傳感器去讀取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù),然后再從空中發(fā)送到另一設(shè)備上。所有設(shè)備都是連接在同一個傳感器上的,讀取和處理數(shù)據(jù)的方式也是一樣的,連接的參數(shù)也是相同的。

Dialog在這個測評當(dāng)中獲得了創(chuàng)歷史新高的18300的分?jǐn)?shù),也意味著TINY的功率效率要比競品高35%??梢?,TINY雖然在尺寸上非常小,但是在功率效率上一點(diǎn)都不弱。

image.png

 那么問題來了,Dialog用的是Cortex-M0,如何做到這樣的高跑分?Mark稱在做架構(gòu)設(shè)計的時候,Dialog把過去的設(shè)計丟開,從白紙開始從頭設(shè)計。Dialog先針對想要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo),對于架構(gòu)進(jìn)行了很多的重塑,例如很多IP電路并不是把以前的拿來修改一下,而是全新去設(shè)計。

3 從芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)看TINY的優(yōu)勢

TINY的競爭力是低價,再低價的價格能拼的過國內(nèi)的廠商嗎?Mark解釋道,中國很多的供應(yīng)商確實(shí)很強(qiáng)大,競爭力很強(qiáng)。但是TINY不僅強(qiáng)調(diào)低價,而是在成本、功耗和尺寸上做了通盤的考慮,所以這是TINY差異化的賣點(diǎn)。

那么,TINY的結(jié)構(gòu)有何秘籍?由TINY的電路框圖可見(下圖),它包含了所有獨(dú)立單片機(jī)(MCU)所需要的組件:它會支持藍(lán)牙5.1的核心規(guī)范協(xié)議棧,它有復(fù)位電路,有無線電的部分,有所有需要的外設(shè),也有內(nèi)存部分。

image.png

它可以作為一個獨(dú)立的芯片系統(tǒng)來使用,但是同時也可以作為模塊去嵌入到更大的MCU中。TINY集成的DC-DC轉(zhuǎn)換器,不僅支持降壓模式、升壓模式,還支持旁路模式。無線電可編程的輸出功率是-19.5~2.5 dBm,靈敏度是-94 dBm。同時又保持了智能喚醒的功能。

3.1 節(jié)省成本的策略

這樣全面豐富的架構(gòu)怎么節(jié)省成本?首先在電源管理方面,集成的升降壓DC-DC可成本節(jié)省0.2美元。目前Dialog是唯一一家公司把升壓模式DC-DC轉(zhuǎn)換器集成到藍(lán)牙低功耗器件中。為何要集成升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器?因?yàn)橐淮涡訧oT設(shè)備會有不同的電源的支持,例如上面提到的不同電池的化學(xué)成份是不同的,需要有升壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器的支持。另外,有的應(yīng)用對于成本非常敏感,但是如果對于功率不太敏感,TINY有旁路模式,可以省掉電感器和電容器,這樣在整個成本上能夠節(jié)省3美分(注:旁路模式下,功耗將增加30%左右)。

   那么電子產(chǎn)品世界記者的問題是:將升降壓都集成到產(chǎn)品中,這個難度有多大?Mark透露,Dialog在電源管理方面的專長非常強(qiáng)大,有很多相關(guān)的IP電路,可以做到。

集成了升降壓,成本上如何保持優(yōu)勢?Mark稱,對集成進(jìn)來在電路上進(jìn)行了設(shè)計,讓它的成本降到最低,而且升壓、降壓用的同樣的DC-DC轉(zhuǎn)換器。如果競品需要做升壓的話,就需要加外部器件,總體成本也就會增加?!八钥傮w來講,集成了降壓和升壓DC-DC,是比較有好處的?!?/p>

Dialog的封裝設(shè)計用的是雙層電路板,沒有微過孔,因?yàn)槲⑦^孔會增加成本,因而也節(jié)省了電路板的成本。

TINY能夠?qū)崿F(xiàn)真正的單個32MHz外部晶振的運(yùn)行,能夠節(jié)省7美分(100萬片用量時)。實(shí)際上,Dialog的上一代產(chǎn)品也具備這個特點(diǎn),而且一些競品也有這樣的特點(diǎn),不過,此次Dialog把晶振電路又重新設(shè)計了一下,確保90%以上的設(shè)備不再需要32kHz的晶振,可以實(shí)現(xiàn)單個32MHz外部晶振獨(dú)立運(yùn)行,并且不會造成功率損耗。

3.2 節(jié)省功率的設(shè)計

現(xiàn)在電池的設(shè)計會變得越來越小,因此一個關(guān)鍵點(diǎn)是不能一次性去吸入太大的電流。為此,TINY專門加了峰值電流限制器進(jìn)行電源管理,使從電池中得到的電流在峰值的時候可以得到限制,不至于一下子把電池給毀壞了。Dialog就能夠?qū)崿F(xiàn)一些關(guān)鍵的數(shù)字:在室溫25℃時可以保持240 nA的休眠電流,如果是在相對低溫的5℃冷藏時,只有150 nA的休眠電流。在睡眠的模式是700 nA以及1.6 uA,所有內(nèi)存都是處于活躍狀態(tài),隨時可以被喚醒。

 發(fā)射電流和接收電流的數(shù)字:這些數(shù)字并不只是針對無線電,而是包括整個的發(fā)射、接收加在一起的數(shù)字。將電流和電壓相乘之后,TINY可以實(shí)現(xiàn)小于10甚至小于7 mW的功率,這是非常了不起的。而且TINY可以讓客戶去選擇無線電的輸出功率,這樣可以根據(jù)應(yīng)用需不需要這么大的輸出功率去做靈活調(diào)整。

4 目標(biāo)市場

主要是消費(fèi)設(shè)備、智慧醫(yī)療、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能家具、智能家電幾個垂直行業(yè)是比較專注的。這些都是以前因?yàn)樘F沒有辦法去實(shí)現(xiàn)的連接。

一下有兩類例子。

1)輕松配置?,F(xiàn)有很多的系統(tǒng)和設(shè)備,設(shè)備開發(fā)者花了很多時間去設(shè)計MCU的運(yùn)行,不想再花更多的時間去添加連接功能。當(dāng)他們需要添加藍(lán)牙連接功能的時候,很多設(shè)備諸如打印機(jī)、咖啡機(jī)、機(jī)頂盒、插線板,現(xiàn)在都已經(jīng)變得越來越智能了。但是這些設(shè)備的用戶界面并不是非常豐富,可能就有幾個簡單的按鈕。

通過把藍(lán)牙低功耗連接功能用的方式,讓它添加到這些設(shè)備或系統(tǒng)上去之后,就可以使設(shè)備上的用戶界面能夠轉(zhuǎn)移到手機(jī)上去。這樣不僅設(shè)置起來非常方便,從手機(jī)上就可以對這些設(shè)備進(jìn)行設(shè)置;同時在維護(hù)時還可以進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)診斷。

image.png

2)智慧醫(yī)療的用例。過去的設(shè)備使用的還是比較有局限性的,只有體重秤、溫度計或溫度貼等可聯(lián)網(wǎng)。現(xiàn)在有了新的藍(lán)牙技術(shù),可以使能更多的智慧醫(yī)療設(shè)備,諸如吸入器或注射相關(guān)的設(shè)備。

對于吸入設(shè)備來說,例如有慢性阻塞性肺病、哮喘等是需要長期用藥的,還有糖尿病患者需要實(shí)時去注射胰島素。對于患者而言,記錄自己藥物的使用時間、用量和藥物類型,每天會是非常大的負(fù)擔(dān)。而且人在記錄的時候,不免會有一些意外情況或記錄不準(zhǔn)確的時候。為此,可以用藍(lán)牙低功耗的連接功能,使吸入器的設(shè)備的數(shù)據(jù)可以直接傳送到手機(jī)上,然后再傳送到醫(yī)生那里。

image.png

5 軟件和工具

Dialog不僅僅是從芯片器件本身,而且是從整個開發(fā)的一套鏈上面去幫助客戶能夠?qū)崿F(xiàn)更快、更輕松的量產(chǎn),以節(jié)省成本。Dialog這款芯片發(fā)布的時候有兩套開發(fā)套件:Pro專業(yè)版開發(fā)套件,USB開發(fā)套件。

此外,Dialog還提供SmartBond生產(chǎn)線工具,有的人認(rèn)為半導(dǎo)體公司提供的僅僅是芯片和軟件,但Dialog可以助力客戶,讓他們在生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)更快的生產(chǎn)。Dialog是能夠幫助客戶實(shí)現(xiàn)大批量、輕松的量產(chǎn),可以使設(shè)備的生產(chǎn)和測試有16臺設(shè)備同時并行,每臺設(shè)備測試耗時不到1 s。

6 大小批量需求都可滿足

如果客戶是低需求量,Dialog推出了SmartBond TINY模塊。模塊的另一好處是對于那些沒有RF經(jīng)驗(yàn),又想開發(fā)速度更快的客戶,模塊會更容易使用。而且這個模塊是跨地區(qū)全面認(rèn)證的。模塊方案也節(jié)省成本,在高用量的情況之下,模塊的成本會小于1美元。

image.png

在高年用量的情況下,TINY價格門檻是0.5美元,而且是整個包括外部器件的價格。

那么,模塊和芯片到底有何區(qū)別?據(jù)悉,模塊是實(shí)現(xiàn)快速上市最理想的解決方案,已經(jīng)預(yù)先完成認(rèn)證了。至于芯片,客戶采用起來要自己進(jìn)行一些認(rèn)證。所以要實(shí)現(xiàn)快速上市的話,模塊是最好的解決方案,不過價格會稍微貴一點(diǎn);但是當(dāng)客戶產(chǎn)品快速上市實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)之后,爭得更早的市場機(jī)遇,就可以再去考慮重新設(shè)計芯片,使成本再降下來。

6 關(guān)于無線連接的熱門問答

問:TINY看起來能取代有源RFID。但是現(xiàn)在在倉庫鏈用無源RFID也挺多,能把藍(lán)牙低功耗(包括TINY)和無源RFID做一個比較嗎?

Mark:無源RFID成本肯定更低,但是相對有局限性,例如要求多個不同的設(shè)備才能讀取數(shù)據(jù)。藍(lán)牙低功耗也是可以實(shí)現(xiàn)物品、資產(chǎn)的追蹤的,但是今天TINY的定位主要是取代有源RFID。

問:蘋果推出了搭載在iPhone 11上的UWB(超寬帶)芯片,您是怎么樣看待UWB芯片對于無線低功耗芯片的沖擊或影響的?

Mark:UWB跟藍(lán)牙低功耗是不同的技術(shù)路線,我個人相信安全性還是非常好的。但是這方面技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā),主要是針對精確定位功能,所以與藍(lán)牙功能其實(shí)可以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。所以在未來的實(shí)際場景中的部署,相信可以跟藍(lán)牙搭配去部署。UWB技術(shù)在功耗和成本方面,今天只適用于某些具體的應(yīng)用,未來應(yīng)該會有比較好的發(fā)展前景,所以也是值得大家關(guān)注的一個技術(shù)。

問:現(xiàn)在看到市場上有多種集成無線的方式,藍(lán)牙、ZigBee、2.4GHz等。依您看,主流的集成方式是不是硬件上的集成會越來越有限了,未來會不會更多從軟件上做提升,讓芯片更靈活、更智能?

Mark:不同的公司針對設(shè)備的不同需求,選用的集成方式也是不一樣的。舉個例子,此次發(fā)布的TINY所關(guān)注的大批量一次性的設(shè)備,其實(shí)并不需要靈活的可調(diào)節(jié)無線電的功能,這里主要的目標(biāo)是要最大程度地降低成本。

Dialog更高端的146XX家族的產(chǎn)品,提供更多的編程靈活性,支持BLE、專有的算法,在軟件方面可以做的更多。

問:從你們出貨的角度看,現(xiàn)在是不是客戶都采購藍(lán)牙5.1的芯片,沒有采購藍(lán)牙4.2和5.0的芯片了?

Mark:一般來說,新產(chǎn)品都會去支持最新的規(guī)范。新的藍(lán)牙規(guī)范出來之后,我們也會把舊的產(chǎn)品去升級一遍,讓它支持新的規(guī)范。如果是全新產(chǎn)品設(shè)計的話,都是支持最新的規(guī)范。

image.png




關(guān)鍵詞: 藍(lán)牙 低成本

評論


相關(guān)推薦

技術(shù)專區(qū)

關(guān)閉