標準化一次性設備是藍牙的新藍海，Dialog祭出低價(jià)超小SoC方案

人們通常把物聯(lián)網(wǎng)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。

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(kāi)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(chǎng)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(méi)有能夠完全實(shí)現無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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、高功率效率的藍牙5.1 SoC DA14531及其模塊，該芯片又名SmartBond TINY?，現已開(kāi)始量產(chǎn)。制程55 nm。該芯片有兩大特點(diǎn)：第一是低功耗、小系統尺寸和低系統成本的組合。第二是實(shí)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把為任何系統添加藍牙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設備的誕生?！惫镜凸倪B接事業(yè)部總監 Mark de Clercq自豪地稱(chēng)，并介紹了公司在藍牙方面的業(yè)績(jì)：迄今為止，Dialog已經(jīng)出貨了3億顆藍牙低功耗SoC，而且年平均增長(cháng)率是50%左右。Dialog藍牙芯片年出貨量達1億顆?！?/p>

2 如何實(shí)現低成本、高功率效率和小尺寸

TINY產(chǎn)品是為助推下一波十億IoT設備專(zhuān)門(mén)設計的。Dialog在這里把0.5美元當作是一個(gè)門(mén)檻，稱(chēng)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(wàn)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(wú)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(méi)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牙5.1標準的核心規范。

2.1 如何實(shí)現低成本

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。

2）接下來(lái)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(wú)源器件，包括2個(gè)電感器、3個(gè)電容器和1個(gè)外部晶振，而且也是實(shí)現了單個(gè)外部晶振的運行，而且不會(huì )有任何的功耗。

3）電源和電池。在這方面，Dialog跟一次性設備領(lǐng)域的一些客戶(hù)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(lái)。而且上億的一次性設備用過(guò)之后，就會(huì )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(hù)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(huì )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(shí)現高性能

EEMBC（嵌入式微處理器基準評測協(xié)會(huì )）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(huì )，IoTMark是最近EEMBC組織剛剛新出臺的關(guān)于IoT測評的基準，藍牙低功耗方面叫IoTMark?-BLE，Dialog用這個(gè)基準做了測評。

   IoTMark?-BLE主要是針對邊緣節點(diǎn)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(fā)送到另一設備上。所有設備都是連接在同一個(gè)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(gè)測評當中獲得了創(chuàng )歷史新高的18300的分數，也意味著(zhù)TINY的功率效率要比競品高35%?？梢?jiàn)，TINY雖然在尺寸上非常小，但是在功率效率上一點(diǎn)都不弱。

 那么問(wèn)題來(lái)了，Dialog用的是Cortex-M0，如何做到這樣的高跑分？Mark稱(chēng)在做架構設計的時(shí)候，Dialog把過(guò)去的設計丟開(kāi)，從白紙開(kāi)始從頭設計。Dialog先針對想要實(shí)現的目標，對于架構進(jìn)行了很多的重塑，例如很多IP電路并不是把以前的拿來(lái)修改一下，而是全新去設計。

3 從芯片內部結構看TINY的優(yōu)勢

TINY的競爭力是低價(jià)，再低價(jià)的價(jià)格能拼的過(guò)國內的廠(chǎng)商嗎？Mark解釋道，中國很多的供應商確實(shí)很強大，競爭力很強。但是TINY不僅強調低價(jià)，而是在成本、功耗和尺寸上做了通盤(pán)的考慮，所以這是TINY差異化的賣(mài)點(diǎn)。

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

它可以作為一個(gè)獨立的芯片系統來(lái)使用，但是同時(shí)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(wú)線(xiàn)電可編程的輸出功率是-19.5~2.5 dBm，靈敏度是-94 dBm。同時(shí)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(huì )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(gè)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(chǎn)品世界記者的問(wèn)題是：將升降壓都集成到產(chǎn)品中，這個(gè)難度有多大？Mark透露，Dialog在電源管理方面的專(zhuān)長(cháng)非常強大，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(chēng)，對集成進(jìn)來(lái)在電路上進(jìn)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(huà)，就需要加外部器件，總體成本也就會(huì )增加?！八钥傮w來(lái)講，集成了降壓和升壓DC-DC，是比較有好處的?！?/p>

Dialog的封裝設計用的是雙層電路板，沒(méi)有微過(guò)孔，因為微過(guò)孔會(huì )增加成本，因而也節省了電路板的成本。

TINY能夠實(shí)現真正的單個(gè)32MHz外部晶振的運行，能夠節省7美分（100萬(wàn)片用量時(shí)）。實(shí)際上，Dialog的上一代產(chǎn)品也具備這個(gè)特點(diǎn)，而且一些競品也有這樣的特點(diǎn)，不過(guò)，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(shí)現單個(gè)32MHz外部晶振獨立運行，并且不會(huì )造成功率損耗。

3.2 節省功率的設計

現在電池的設計會(huì )變得越來(lái)越小，因此一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是不能一次性去吸入太大的電流。為此，TINY專(zhuān)門(mén)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(shí)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(shí)現一些關(guān)鍵的數字：在室溫25℃時(shí)可以保持240 nA的休眠電流，如果是在相對低溫的5℃冷藏時(shí)，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(tài)，隨時(shí)可以被喚醒。

 發(fā)射電流和接收電流的數字：這些數字并不只是針對無(wú)線(xiàn)電，而是包括整個(gè)的發(fā)射、接收加在一起的數字。將電流和電壓相乘之后，TINY可以實(shí)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(hù)去選擇無(wú)線(xiàn)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(chǎng)

主要是消費設備、智慧醫療、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能家具、智能家電幾個(gè)垂直行業(yè)是比較專(zhuān)注的。這些都是以前因為太貴沒(méi)有辦法去實(shí)現的連接。

一下有兩類(lèi)例子。

1）輕松配置?，F有很多的系統和設備，設備開(kāi)發(fā)者花了很多時(shí)間去設計MCU的運行，不想再花更多的時(shí)間去添加連接功能。當他們需要添加藍牙連接功能的時(shí)候，很多設備諸如打印機、咖啡機、機頂盒、插線(xiàn)板，現在都已經(jīng)變得越來(lái)越智能了。但是這些設備的用戶(hù)界面并不是非常豐富，可能就有幾個(gè)簡(jiǎn)單的按鈕。

通過(guò)把藍牙低功耗連接功能用低成本的方式，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(hù)界面能夠轉移到手機上去。這樣不僅設置起來(lái)非常方便，從手機上就可以對這些設備進(jìn)行設置；同時(shí)在維護時(shí)還可以進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)診斷。

2）智慧醫療的用例。過(guò)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(lián)網(wǎng)?，F在有了新的藍牙技術(shù)，可以使能更多的智慧醫療設備，諸如吸入器或注射相關(guān)的設備。

對于吸入設備來(lái)說(shuō)，例如有慢性阻塞性肺病、哮喘等是需要長(cháng)期用藥的，還有糖尿病患者需要實(shí)時(shí)去注射胰島素。對于患者而言，記錄自己藥物的使用時(shí)間、用量和藥物類(lèi)型，每天會(huì )是非常大的負擔。而且人在記錄的時(shí)候，不免會(huì )有一些意外情況或記錄不準確的時(shí)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。

5 軟件和工具

Dialog不僅僅是從芯片器件本身，而且是從整個(gè)開(kāi)發(fā)的一套鏈上面去幫助客戶(hù)能夠實(shí)現更快、更輕松的量產(chǎn)，以節省成本。Dialog這款芯片發(fā)布的時(shí)候有兩套開(kāi)發(fā)套件：Pro專(zhuān)業(yè)版開(kāi)發(fā)套件，USB開(kāi)發(fā)套件。

此外，Dialog還提供SmartBond生產(chǎn)線(xiàn)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(hù)，讓他們在生產(chǎn)線(xiàn)上實(shí)現更快的生產(chǎn)。Dialog是能夠幫助客戶(hù)實(shí)現大批量、輕松的量產(chǎn)，可以使設備的生產(chǎn)和測試有16臺設備同時(shí)并行，每臺設備測試耗時(shí)不到1 s。

6 大小批量需求都可滿(mǎn)足

如果客戶(hù)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(méi)有RF經(jīng)驗，又想開(kāi)發(fā)速度更快的客戶(hù)，模塊會(huì )更容易使用。而且這個(gè)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(huì )小于1美元。

在高年用量的情況下，TINY價(jià)格門(mén)檻是0.5美元，而且是整個(gè)包括外部器件的價(jià)格。

那么，模塊和芯片到底有何區別？據悉，模塊是實(shí)現快速上市最理想的解決方案，已經(jīng)預先完成認證了。至于芯片，客戶(hù)采用起來(lái)要自己進(jìn)行一些認證。所以要實(shí)現快速上市的話(huà)，模塊是最好的解決方案，不過(guò)價(jià)格會(huì )稍微貴一點(diǎn)；但是當客戶(hù)產(chǎn)品快速上市實(shí)現量產(chǎn)之后，爭得更早的市場(chǎng)機遇，就可以再去考慮重新設計芯片，使成本再降下來(lái)。

6 關(guān)于無(wú)線(xiàn)連接的熱門(mén)問(wèn)答

問(wèn)：TINY看起來(lái)能取代有源RFID。但是現在在倉庫鏈用無(wú)源RFID也挺多，能把藍牙低功耗（包括TINY）和無(wú)源RFID做一個(gè)比較嗎？

Mark：無(wú)源RFID成本肯定更低，但是相對有局限性，例如要求多個(gè)不同的設備才能讀取數據。藍牙低功耗也是可以實(shí)現物品、資產(chǎn)的追蹤的，但是今天TINY的定位主要是取代有源RFID。

問(wèn)：蘋(píng)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(wú)線(xiàn)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(shù)路線(xiàn)，我個(gè)人相信安全性還是非常好的。但是這方面技術(shù)標準的開(kāi)發(fā)，主要是針對精確定位功能，所以與藍牙功能其實(shí)可以實(shí)現互補。所以在未來(lái)的實(shí)際場(chǎng)景中的部署，相信可以跟藍牙搭配去部署。UWB技術(shù)在功耗和成本方面，今天只適用于某些具體的應用，未來(lái)應該會(huì )有比較好的發(fā)展前景，所以也是值得大家關(guān)注的一個(gè)技術(shù)。

問(wèn)：現在看到市場(chǎng)上有多種集成無(wú)線(xiàn)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(huì )越來(lái)越有限了，未來(lái)會(huì )不會(huì )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(gè)例子，此次發(fā)布的TINY所關(guān)注的大批量一次性的設備，其實(shí)并不需要靈活的可調節無(wú)線(xiàn)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(chǎn)品，提供更多的編程靈活性，支持BLE、專(zhuān)有的算法，在軟件方面可以做的更多。

問(wèn)：從你們出貨的角度看，現在是不是客戶(hù)都采購藍牙5.1的芯片，沒(méi)有采購藍牙4.2和5.0的芯片了？

Mark：一般來(lái)說(shuō)，新產(chǎn)品都會(huì )去支持最新的規范。新的藍牙規范出來(lái)之后，我們也會(huì )把舊的產(chǎn)品去升級一遍，讓它支持新的規范。如果是全新產(chǎn)品設計的話(huà)，都是支持最新的規范。