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標準化一次性設備是藍牙的新藍海,Dialog祭出低價超小SoC方案

—— 藍牙芯片成本降低至0.5美元,將觸發新一波十億IoT設備的誕生
作者:王瑩時間:2019-11-11來源:電子產品世界收藏

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

本文引用地址:http://www.mzugvc.icu/article/201911/406951.htm

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最頂端的金字塔塔尖是定制化產品,成本是非常高昂的,但是用量并不多。逐漸往下走,就開始從定制向標準化去轉變。首先是標準化可充電的設備,再往下是標準化可替換的設備。目前市場上有很多的標準化可充電和可替換的設備。但是可能因為成本的緣故沒有能夠完全實現無線連接的,是最底層的標準化一次性設備,數量約有十億計。例如咖啡機、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?,現已開始量產。制程55 nm。該芯片有兩大特點:第一是低功耗、小系統尺寸和低系統成本的組合。第二是實現了高度的集成,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),將觸發新一波十億IoT設備的誕生。”公司低功耗連接事業部總監 Mark de Clercq自豪地稱,并介紹了公司在方面的業績:迄今為止,Dialog已經出貨了3億顆藍牙低功耗SoC,而且年平均增長率是50%左右。Dialog藍牙芯片年出貨量達1億顆。”

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2 如何實現、高功率效率和小尺寸

TINY產品是為助推下一波十億IoT設備專門設計的。Dialog在這里把0.5美元當作是一個門檻,稱任何系統添加藍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備。而且0.5美元不僅僅包含藍牙芯片本身,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,芯片的尺寸非常小,成本非常低,而且它也支持最新的藍牙5.1標準的核心規范。

2.1 如何實現

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省很多。

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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,而且也是實現了單個外部晶振的運行,而且不會有任何的功耗。

3)電源和電池。在這方面,Dialog跟一次性設備領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備用過之后,就會被廢棄,扔掉之后對環境也是有影響的,所以還要考慮這些電池對環境的影響。Dialog跟客戶一起努力去尋找對環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計方案。

2.2 如何實現高性能

EEMBC(嵌入式微處理器基準評測協會)是世界領先的對于嵌入式微處理器進行測評的協會,IoTMark是最近EEMBC組織剛剛新出臺的關于IoT測評的基準,藍牙低功耗方面叫IoTMark?-BLE,Dialog用這個基準做了測評。

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

Dialog在這個測評當中獲得了創歷史新高的18300的分數,也意味著TINY的功率效率要比競品高35%。可見,TINY雖然在尺寸上非常小,但是在功率效率上一點都不弱。

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

3 從芯片內部結構看TINY的優勢

TINY的競爭力是低價,再低價的價格能拼的過國內的廠商嗎?Mark解釋道,中國很多的供應商確實很強大,競爭力很強。但是TINY不僅強調低價,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。

那么,TINY的結構有何秘籍?由TINY的電路框圖可見(下圖),它包含了所有獨立單片機(MCU)所需要的組件:它會支持藍牙5.1的核心規范協議棧,它有復位電路,有無線電的部分,有所有需要的外設,也有內存部分。

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它可以作為一個獨立的芯片系統來使用,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 節省成本的策略

這樣全面豐富的架構怎么節省成本?首先在電源管理方面,集成的升降壓DC-DC可成本節省0.2美元。目前Dialog是唯一一家公司把升壓模式DC-DC轉換器集成到藍牙低功耗器件中。為何要集成升壓DC-DC轉換器?因為一次性IoT設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成份是不同的,需要有升壓的DC-DC轉換器的支持。另外,有的應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省3美分(注:旁路模式下,功耗將增加30%左右)。

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

集成了升降壓,成本上如何保持優勢?Mark稱,對集成進來在電路上進行了設計,讓它的成本降到最低,而且升壓、降壓用的同樣的DC-DC轉換器。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。“所以總體來講,集成了降壓和升壓DC-DC,是比較有好處的。”

Dialog的封裝設計用的是雙層電路板,沒有微過孔,因為微過孔會增加成本,因而也節省了電路板的成本。

TINY能夠實現真正的單個32MHz外部晶振的運行,能夠節省7美分(100萬片用量時)。實際上,Dialog的上一代產品也具備這個特點,而且一些競品也有這樣的特點,不過,此次Dialog把晶振電路又重新設計了一下,確保90%以上的設備不再需要32kHz的晶振,可以實現單個32MHz外部晶振獨立運行,并且不會造成功率損耗。

3.2 節省功率的設計

現在電池的設計會變得越來越小,因此一個關鍵點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就能夠實現一些關鍵的數字: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,所有內存都是處于活躍狀態,隨時可以被喚醒。

 發射電流和接收電流的數字:這些數字并不只是針對無線電,而是包括整個的發射、接收加在一起的數字。將電流和電壓相乘之后,TINY可以實現小于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,這樣可以根據應用需不需要這么大的輸出功率去做靈活調整。

4 目標市場

主要是消費設備、智慧醫療、工業物聯網、智能家具、智能家電幾個垂直行業是比較專注的。這些都是以前因為太貴沒有辦法去實現的連接。

一下有兩類例子。

1)輕松配置。現有很多的系統和設備,設備開發者花了很多時間去設計MCU的運行,不想再花更多的時間去添加連接功能。當他們需要添加藍牙連接功能的時候,很多設備諸如打印機、咖啡機、機頂盒、插線板,現在都已經變得越來越智能了。但是這些設備的用戶界面并不是非常豐富,可能就有幾個簡單的按鈕。

通過把藍牙低功耗連接功能用的方式,讓它添加到這些設備或系統上去之后,就可以使設備上的用戶界面能夠轉移到手機上去。這樣不僅設置起來非常方便,從手機上就可以對這些設備進行設置;同時在維護時還可以進行聯網診斷。

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2)智慧醫療的用例。過去的設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網。現在有了新的藍牙技術,可以使能更多的智慧醫療設備,諸如吸入器或注射相關的設備。

對于吸入設備來說,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擔。而且人在記錄的時候,不免會有一些意外情況或記錄不準確的時候。為此,可以用藍牙低功耗的連接功能,使吸入器的設備的數據可以直接傳送到手機上,然后再傳送到醫生那里。

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5 軟件和工具

Dialog不僅僅是從芯片器件本身,而且是從整個開發的一套鏈上面去幫助客戶能夠實現更快、更輕松的量產,以節省成本。Dialog這款芯片發布的時候有兩套開發套件:Pro專業版開發套件,USB開發套件。

此外,Dialog還提供SmartBond生產線工具,有的人認為半導體公司提供的僅僅是芯片和軟件,但Dialog可以助力客戶,讓他們在生產線上實現更快的生產。Dialog是能夠幫助客戶實現大批量、輕松的量產,可以使設備的生產和測試有16臺設備同時并行,每臺設備測試耗時不到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經驗,又想開發速度更快的客戶,模塊會更容易使用。而且這個模塊是跨地區全面認證的。模塊方案也節省成本,在高用量的情況之下,模塊的成本會小于1美元。

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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別?據悉,模塊是實現快速上市最理想的解決方案,已經預先完成認證了。至于芯片,客戶采用起來要自己進行一些認證。所以要實現快速上市的話,模塊是最好的解決方案,不過價格會稍微貴一點;但是當客戶產品快速上市實現量產之后,爭得更早的市場機遇,就可以再去考慮重新設計芯片,使成本再降下來。

6 關于無線連接的熱門問答

問:TINY看起來能取代有源RFID。但是現在在倉庫鏈用無源RFID也挺多,能把藍牙低功耗(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備才能讀取數據。藍牙低功耗也是可以實現物品、資產的追蹤的,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跟藍牙低功耗是不同的技術路線,我個人相信安全性還是非常好的。但是這方面技術標準的開發,主要是針對精確定位功能,所以與藍牙功能其實可以實現互補。所以在未來的實際場景中的部署,相信可以跟藍牙搭配去部署。UWB技術在功耗和成本方面,今天只適用于某些具體的應用,未來應該會有比較好的發展前景,所以也是值得大家關注的一個技術。

問:現在看到市場上有多種集成無線的方式,藍牙、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,此次發布的TINY所關注的大批量一次性的設備,其實并不需要靈活的可調節無線電的功能,這里主要的目標是要最大程度地降低成本。

Dialog更高端的146XX家族的產品,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,現在是不是客戶都采購藍牙5.1的芯片,沒有采購藍牙4.2和5.0的芯片了?

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

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關鍵詞: 藍牙 低成本

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