面向物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的ST連接芯片組或模塊可破解射頻設(shè)計(jì)難題

引言

Stastita^[1]預(yù)測(cè)，到2025年，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量將超過(guò)750億，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)聯(lián)合國(guó)預(yù)測(cè)的2025年全球81億人口數(shù)量^[2]。物聯(lián)網(wǎng)可能是科技公司的最大推動(dòng)力量之一。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備最重要的特點(diǎn)便是聯(lián)網(wǎng)。

無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備通過(guò)射頻無(wú)線(xiàn)電、天線(xiàn)和相關(guān)電路將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電磁波，反之亦然。設(shè)計(jì)人員有兩個(gè)選擇可實(shí)現(xiàn)該電路：a)使用射頻芯片組并設(shè)計(jì)相關(guān)的射頻部分；b)使用已經(jīng)安裝了射頻芯片組和相關(guān)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(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)的射頻部分由射頻IC、天線(xiàn)、巴倫和濾波器、匹配網(wǎng)絡(luò)、晶振、以及其他無(wú)源器件組成。下面是使用意法半導(dǎo)體的 BlueNRG  BLE SoC的參考實(shí)現(xiàn)原理圖。

圖1：BlueNRG-2 參考原理圖

使用模塊方法的實(shí)現(xiàn)要簡(jiǎn)單得多。與圖1相同的電路也可以使用現(xiàn)成的模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。下面是意法半導(dǎo)體的BlueNRG-M2SA模塊的引腳分配和內(nèi)部框圖。該模塊是利用BlueNRG-2 SoC和相關(guān)電路實(shí)現(xiàn)的。

圖2：BlueNRG-M2SA引腳分配和內(nèi)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(shí)，要考慮三個(gè)主要方面：a)上市時(shí)間，b)認(rèn)證，c)成本。我們將對(duì)每個(gè)方面進(jìn)行回顧，以便從邏輯上理解透徹。

上市時(shí)間

使用芯片組設(shè)計(jì)射頻部分的步驟如下：

i)   設(shè)計(jì)原理圖和布板

ii)   請(qǐng)PCB制造商制板

iii)   焊板

iv)   微調(diào)無(wú)源器件的值，以?xún)?yōu)化性能

v)   訂購(gòu)模塊的所有組件，然后生產(chǎn)出模塊

vi)   RF測(cè)試和認(rèn)證

基于芯片組設(shè)計(jì)的射頻部分幾乎要花費(fèi)3 - 6個(gè)月時(shí)間。它還需要多種資源，如射頻設(shè)計(jì)師、供應(yīng)鏈和多個(gè)服務(wù)合作伙伴，如PCB制造商和EMS公司。該方法適用于大批量生產(chǎn)，但不適用于原型制作和小批量生產(chǎn)。

模塊則是為快速上市而設(shè)計(jì)的。使用模塊添加連接不需要具備任何RF專(zhuān)業(yè)知識(shí)。無(wú)線(xiàn)連接比較簡(jiǎn)單，就像一個(gè)模塊化的即插即用組件，因?yàn)樵O(shè)計(jì)師得到一個(gè)現(xiàn)成的射頻部分，模塊化的實(shí)現(xiàn)非?？?。因此，設(shè)計(jì)人員可以非?？焖俚貙⒆约旱漠a(chǎn)品推向市場(chǎng)。這對(duì)于原型制作和小批量生產(chǎn)尤其重要。

認(rèn)證

幾乎任何電子設(shè)備都要經(jīng)過(guò)通用放射測(cè)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(rèn)證，以確保它們放射的功率不會(huì)超過(guò)允許值，或干擾其他設(shè)備或頻段。在這方面，沒(méi)有全球通用的認(rèn)證，每個(gè)國(guó)家或地區(qū)都有己的標(biāo)準(zhǔn)。通常這些標(biāo)準(zhǔn)是相似的，但是它們?nèi)匀恍枰ㄟ^(guò)申請(qǐng)和相關(guān)過(guò)程。

此外，大多數(shù)射頻技術(shù)（如BLE、Wi-Fi或GPRS）都必須符合特定組織制定的標(biāo)準(zhǔn)。所以，它們也要通過(guò)這些認(rèn)證。例如， 意法半導(dǎo)體的 BlueNRG  SoC和 BlueNRG-M2SA  模塊的認(rèn)證過(guò)程。

藍(lán)牙低功耗設(shè)備需要通過(guò)藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（管理藍(lán)牙標(biāo)志使用的機(jī)構(gòu)）的認(rèn)證。它們還需要獲得不同國(guó)家和地區(qū)的RF認(rèn)證。一些國(guó)家和地區(qū)確定的認(rèn)證有FCC（美國(guó)）、RED（歐洲）、WPC（印度）、IC（加拿大）、SRCC（中國(guó)）、以及Type（日本）。

由于模塊已經(jīng)經(jīng)過(guò)測(cè)試并被認(rèn)證為輻射裝置，通過(guò)模塊實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)無(wú)需再做輻射裝置認(rèn)證，可被視為所用模塊的派生設(shè)備。下面是芯片組方法和模塊化方法的成本比較。

認(rèn)證過(guò)程耗時(shí)、繁瑣且成本高昂。如果產(chǎn)量夠大，可以通過(guò)規(guī)模經(jīng)濟(jì)來(lái)分?jǐn)偝杀?，但?duì)小批量產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，分?jǐn)偝杀具^(guò)高。

費(fèi)用

本文已經(jīng)討論了成本的一些要素。一般來(lái)講，成本包括

-       電路設(shè)計(jì)成本

-       設(shè)計(jì)人員成本、供應(yīng)鏈成本和生產(chǎn)成本

-       認(rèn)證成本

-       機(jī)會(huì)成本

一般來(lái)說(shuō)，如果年產(chǎn)量超過(guò)100-150K件，或者產(chǎn)品的形狀不允許采用專(zhuān)用模塊，這些成本是合理的。

意法半導(dǎo)體提供的模塊

意法半導(dǎo)體是世界領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，生產(chǎn)各種低功耗射頻器件和模塊。意法半導(dǎo)體提供的射頻芯片組和相關(guān)模塊見(jiàn)下表

一個(gè)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(zhǎng)期供貨計(jì)劃。這意味著如果一家公司在其設(shè)計(jì)中使用了這些組件，那么意法半導(dǎo)體將從產(chǎn)品發(fā)布之日起的10年內(nèi)持續(xù)提供這些組件，或提供完全兼容的替代品。

結(jié)論

如果終端設(shè)備的形狀不能適應(yīng)模塊或產(chǎn)量非常大，則應(yīng)采用芯片組方法以期實(shí)現(xiàn)合理的設(shè)計(jì)成本、生產(chǎn)成本和認(rèn)證成本。如果公司希望專(zhuān)注于自己的核心競(jìng)爭(zhēng)力并避免射頻設(shè)計(jì)的麻煩，模塊化方法應(yīng)該是首選。模塊化方法也是原型制作和小批量生產(chǎn)的首選。如本文所述，意法半導(dǎo)體是低功率射頻技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)，為各種應(yīng)用場(chǎng)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/