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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)計難題

本文作者：Vishal GOYAL 點擊： 2020-05-08 17:53

前言：

引言

Stastita[1]預測，到2025年，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量將超過750億，遠遠超過聯(lián)合國預測的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力量之一。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備最重要的特點便是聯(lián)網(wǎng)。

無線聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備通過射頻無線電、天線和相關(guān)電路將電信號轉(zhuǎn)換為電磁波，反之亦然。設(shè)計人員有兩個選擇可實現(xiàn)該電路：a)使用射頻芯片組并設(shè)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(shè)計人員做出明智決定。

使用芯片組和模塊的射頻部分

采用芯片組方式實現(xiàn)的射頻部分由射頻IC、天線、巴倫和濾波器、匹配網(wǎng)絡(luò)、晶振、以及其他無源器件組成。下面是使用意法半導體的BlueNRG BLE SoC的參考實現(xiàn)原理圖

圖1：BlueNRG-2 參考原理圖

使用模塊方法的實現(xiàn)要簡單得多。與圖1相同的電路也可以使用現(xiàn)成的模塊來實現(xiàn)。下面是意法半導體的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，要考慮三個主要方面：a)上市時間，b)認證，c)成本。我們將對每個方面進行回顧，以便從邏輯上理解透徹。

上市時間

使用芯片組設(shè)計射頻部分的步驟如下：
i) 設(shè)計原理圖和布板
ii) 請PCB制造商制板
iii) 焊板
iv) 微調(diào)無源器件的值，以優(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(shè)計的射頻部分幾乎要花費3 - 6個月時間。它還需要多種資源，如射頻設(shè)計師、供應(yīng)鏈和多個服務(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)計的。使用模塊添加連接不需要具備任何RF專業(yè)知識。無線連接比較簡單，就像一個模塊化的即插即用組件，因為設(shè)計師得到一個現(xiàn)成的射頻部分，模塊化的實現(xiàn)非常快。因此，設(shè)計人員可以非常快速地將自己的產(chǎn)品推向市場。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(shè)備都要經(jīng)過通用放射測試。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超過允許值，或干擾其他設(shè)備或頻段。在這方面，沒有全球通用的認證，每個國家或地區(qū)都有自己的標準。通常這些標準是相似的，但是它們?nèi)匀恍枰ㄟ^申請和相關(guān)過程。

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準。所以，它們也要通過這些認證。例如，意法半導體的BlueNRG SoC和BlueNRG-M2SA 模塊的認證過程。

藍牙低功耗設(shè)備需要通過藍牙技術(shù)聯(lián)盟（管理藍牙標志使用的機構(gòu)）的認證。它們還需要獲得不同國家和地區(qū)的RF認證。一些國家和地區(qū)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)過測試并被認證為輻射裝置，通過模塊實現(xiàn)的設(shè)計無需再做輻射裝置認證，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。

認證	項目	基于芯片組	基于模塊	預計節(jié)約
藍牙	測試	8000	0	8000 €
藍牙	列表	8000	8000	8000 €
CE	安全	3500	3500	2000 €
	EMC EMC	2500	2500
	RF RF	3500	1500
FCC		4000	1500	2500 €

認證過程耗時、繁瑣且成本高昂。如果產(chǎn)量夠大，可以通過規(guī)模經(jīng)濟來分攤成本，但對小批量產(chǎn)品來說，分攤成本過高。

費用

本文已經(jīng)討論了成本的一些要素。一般來講，成本包括
- 電路設(shè)計成本
- 設(shè)計人員成本、供應(yīng)鏈成本和生產(chǎn)成本
- 認證成本
- 機會成本

一般來說，如果年產(chǎn)量超過100-150K件，或者產(chǎn)品的形狀不允許采用專用模塊，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)模塊見下表

技術(shù)	IC	模塊	說明
BLE	BlueNRG-MS網(wǎng)絡(luò)處理器	BlueNRG-M0A BlueNRG-M0A	全功能 / 低功耗
	BlueNRG-MS網(wǎng)絡(luò)處理器	BlueNRG-M0L BlueNRG-M0L	低成本
	BlueNRG-2應(yīng)用處理器	BlueNRG-M2SA BlueNRG-M2SA	全功能 / 低功耗
	BlueNRG-2應(yīng)用處理器	BlueNRG-M2SP BlueNRG-M2SP	低成本
RF SubGhz 433MHz, 868Mhz, 915Mhz	SPIRIT1小無線	SPSGRF-868/915 SPSGRF-868/915	內(nèi)置天線
RF SubGhz 433MHz, 868Mhz, 915Mhz	SPIRIT1小無線	SPSRFC-433/868/915 SPSRFC-433/868/915	UFL連接器，用于外部天線

一個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年長期供貨計劃。這意味著如果一家公司在其設(shè)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(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現(xiàn)合理的設(shè)計成本、生產(chǎn)成本和認證成本。如果公司希望專注于自己的核心競爭力并避免射頻設(shè)計的麻煩，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/

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