面向物聯(lián)網(wǎng)系統的ST連接芯片組或模塊可破解射頻設計難題

引言

Stastita^[1]預測，到2025年，物聯(lián)網(wǎng)設備數量將超過(guò)750億，遠遠超過(guò)聯(lián)合國預測的2025年全球81億人口數量^[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)設備最重要的特點(diǎn)便是聯(lián)網(wǎng)。

無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的設備通過(guò)射頻無(wú)線(xiàn)電、天線(xiàn)和相關(guān)電路將電信號轉換為電磁波，反之亦然。設計人員有兩個(gè)選擇可實(shí)現該電路：a)使用射頻芯片組并設計相關(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，并幫助設計人員做出明智決定。

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體的 BlueNRG  BLE SoC的參考實(shí)現原理圖。

圖1：BlueNRG-2 參考原理圖

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

圖2：BlueNRG-M2SA引腳分配和內部框圖

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)認證，c)成本。我們將對每個(gè)方面進(jìn)行回顧，以便從邏輯上理解透徹。

上市時(shí)間

使用芯片組設計射頻部分的步驟如下：

i)   設計原理圖和布板

ii)   請PCB制造商制板

iii)   焊板

iv)   微調無(wú)源器件的值，以?xún)?yōu)化性能

v)   訂購模塊的所有組件，然后生產(chǎn)出模塊

vi)   RF測試和認證

基于芯片組設計的射頻部分幾乎要花費3 - 6個(gè)月時(shí)間。它還需要多種資源，如射頻設計師、供應鏈和多個(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計的。使用模塊添加連接不需要具備任何RF專(zhuān)業(yè)知識。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，因為設計師得到一個(gè)現成的射頻部分，模塊化的實(shí)現非?？?。因此，設計人員可以非?？焖俚貙⒆约旱漠a(chǎn)品推向市場(chǎng)。這對于原型制作和小批量生產(chǎn)尤其重要。

認證

幾乎任何電子設備都要經(jīng)過(guò)通用放射測試。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，或干擾其他設備或頻段。在這方面，沒(méi)有全球通用的認證，每個(gè)國家或地區都有己的標準。通常這些標準是相似的，但是它們仍然需要通過(guò)申請和相關(guān)過(guò)程。

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

藍牙低功耗設備需要通過(guò)藍牙技術(shù)聯(lián)盟（管理藍牙標志使用的機構）的認證。它們還需要獲得不同國家和地區的RF認證。一些國家和地區確定的認證有FCC（美國）、RED（歐洲）、WPC（印度）、IC（加拿大）、SRCC（中國）、以及Type（日本）。

由于模塊已經(jīng)經(jīng)過(guò)測試并被認證為輻射裝置，通過(guò)模塊實(shí)現的設計無(wú)需再做輻射裝置認證，可被視為所用模塊的派生設備。下面是芯片組方法和模塊化方法的成本比較。

認證過(guò)程耗時(shí)、繁瑣且成本高昂。如果產(chǎn)量夠大，可以通過(guò)規模經(jīng)濟來(lái)分攤成本，但對小批量產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，分攤成本過(guò)高。

費用

本文已經(jīng)討論了成本的一些要素。一般來(lái)講，成本包括

-       電路設計成本

-       設計人員成本、供應鏈成本和生產(chǎn)成本

-       認證成本

-       機會(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。

意法半導體提供的模塊

意法半導體是世界領(lǐng)先的半導體公司，生產(chǎn)各種低功耗射頻器件和模塊。意法半導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(cháng)期供貨計劃。這意味著(zhù)如果一家公司在其設計中使用了這些組件，那么意法半導體將從產(chǎn)品發(fā)布之日起的10年內持續提供這些組件，或提供完全兼容的替代品。

結論

如果終端設備的形狀不能適應模塊或產(chǎn)量非常大，則應采用芯片組方法以期實(shí)現合理的設計成本、生產(chǎn)成本和認證成本。如果公司希望專(zhuān)注于自己的核心競爭力并避免射頻設計的麻煩，模塊化方法應該是首選。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，意法半導體是低功率射頻技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)，為各種應用場(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/