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标准化一次性设备是蓝牙的新蓝海,Dialog祭出低价超小SoC方案

—— 蓝牙芯片成本降低至0.5美元,将触发新一波十亿IoT设备的诞生
作者:王莹时间:2019-11-11来源:电子产品世界收藏

人们通常把物联网比喻成金字塔(如下图),底端设备量庞大,越往上走越高端,设备使用量越小。成本方面,底端比较低,越往上成本越高。

本文引用地址:/article/201911/406951.htm

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最顶端的金字塔塔尖是定制化产品,成本是非常高昂的,但是用量并不多。逐渐往下走,就开始从定制向标准化去转变。首先是标准化可充电的设备,再往下是标准化可替换的设备。目前市场上有很多的标准化可充电和可替换的设备。但是可能因为成本的缘故没有能够完全实现无线连接的,是最底层的标准化一次性设备,数量约有十亿计。例如咖啡机、注射器等,原因是给它们添加无线连接的成本太高了。

1 Dialog祭出TINY SoC

2019年11月,Dialog半导体推出小尺寸、高功率效率的5.1 SoC DA14531及其模块,该芯片又名SmartBond TINY,现已开始量产。制程55 nm。该芯片有两大特点:第一是低功耗、小系统尺寸和低系统成本的组合。第二是实现了高度的集成,能集成更多的功能,尤其是在模拟方面。

“SmartBond TINY把为任何系统添加低功耗连接功能的成本降低至0.5美元(*高年用量),将触发新一波十亿IoT设备的诞生。”公司低功耗连接事业部总监 Mark de Clercq自豪地称,并介绍了公司在方面的业绩:迄今为止,Dialog已经出货了3亿颗蓝牙低功耗SoC,而且年平均增长率是50%左右。Dialog蓝牙芯片年出货量达1亿颗。”

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2 如何实现、高功率效率和小尺寸

TINY产品是为助推下一波十亿IoT设备专门设计的。Dialog在这里把0.5美元当作是一个门槛,称任何系统添加蓝牙低功耗连接功能的成本,要降低到0.5美元。这主要针对高年用量,也就是1千万片用量的一次性设备。而且0.5美元不仅仅包含蓝牙芯片本身,还包括外部的无源器件和晶振等。

尽管成本下降了,但是TINY在性能和尺寸上没有做妥协,芯片的尺寸非常小,成本非常低,而且它也支持最新的蓝牙5.1标准的核心规范。

2.1 如何实现

1)提到成本,人们首先想到物料,用到的物料越少成本越低。TINY芯片的面积降到了1.7 mm×2.0 mm,这样的小尺寸使晶圆物料可以节省很多。

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2)接下来看芯片的外部元件,也要保持在最小的量上。TINY外部元件最后减少到只剩下6颗的无源器件,包括2个电感器、3个电容器和1个外部晶振,而且也是实现了单个外部晶振的运行,而且不会有任何的功耗。

3)电源和电池。在这方面,Dialog跟一次性设备领域的一些客户去研究,看什么样的电池更适合于一次性的设备。首先要降低功耗,使更小的电池能够被用起来。而且上亿的一次性设备用过之后,就会被废弃,扔掉之后对环境也是有影响的,所以还要考虑这些电池对环境的影响。Dialog跟客户一起努力去寻找对环境影响最小的一次性电池,例如一次性氧化银电池、锌空电池、碱性或钮扣电池。

4)所有以上提到的元器件,都会安装到PCB(印制板)上,也要保证占板成本能够降到最低,所以采用了双层电路板的设计方案。

2.2 如何实现高性能

EEMBC(嵌入式微处理器基准评测协会)是世界领先的对于嵌入式微处理器进行测评的协会,IoTMark是最近EEMBC组织刚刚新出台的关于IoT测评的基准,蓝牙低功耗方面叫IoTMark-BLE,Dialog用这个基准做了测评。

   IoTMark-BLE主要是针对边缘节点做的测评,它是把设备连接到传感器上面,从传感器去读取数据、处理数据,然后再从空中发送到另一设备上。所有设备都是连接在同一个传感器上的,读取和处理数据的方式也是一样的,连接的参数也是相同的。

Dialog在这个测评当中获得了创历史新高的18300的分数,也意味着TINY的功率效率要比竞品高35%。可见,TINY虽然在尺寸上非常小,但是在功率效率上一点都不弱。

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 那么问题来了,Dialog用的是Cortex-M0,如何做到这样的高跑分?Mark称在做架构设计的时候,Dialog把过去的设计丢开,从白纸开始从头设计。Dialog先针对想要实现的目标,对于架构进行了很多的重塑,例如很多IP电路并不是把以前的拿来修改一下,而是全新去设计。

3 从芯片内部结构看TINY的优势

TINY的竞争力是低价,再低价的价格能拼的过国内的厂商吗?Mark解释道,中国很多的供应商确实很强大,竞争力很强。但是TINY不仅强调低价,而是在成本、功耗和尺寸上做了通盘的考虑,所以这是TINY差异化的卖点。

那么,TINY的结构有何秘籍?由TINY的电路框图可见(下图),它包含了所有独立单片机(MCU)所需要的组件:它会支持蓝牙5.1的核心规范协议栈,它有复位电路,有无线电的部分,有所有需要的外设,也有内存部分。

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它可以作为一个独立的芯片系统来使用,但是同时也可以作为模块去嵌入到更大的MCU中。TINY集成的DC-DC转换器,不仅支持降压模式、升压模式,还支持旁路模式。无线电可编程的输出功率是-19.5~2.5 dBm,灵敏度是-94 dBm。同时又保持了智能唤醒的功能。

3.1 节省成本的策略

这样全面丰富的架构怎么节省成本?首先在电源管理方面,集成的升降压DC-DC可成本节省0.2美元。目前Dialog是唯一一家公司把升压模式DC-DC转换器集成到蓝牙低功耗器件中。为何要集成升压DC-DC转换器?因为一次性IoT设备会有不同的电源的支持,例如上面提到的不同电池的化学成份是不同的,需要有升压的DC-DC转换器的支持。另外,有的应用对于成本非常敏感,但是如果对于功率不太敏感,TINY有旁路模式,可以省掉电感器和电容器,这样在整个成本上能够节省3美分(注:旁路模式下,功耗将增加30%左右)。

   那么电子产品世界记者的问题是:将升降压都集成到产品中,这个难度有多大?Mark透露,Dialog在电源管理方面的专长非常强大,有很多相关的IP电路,可以做到。

集成了升降压,成本上如何保持优势?Mark称,对集成进来在电路上进行了设计,让它的成本降到最低,而且升压、降压用的同样的DC-DC转换器。如果竞品需要做升压的话,就需要加外部器件,总体成本也就会增加。“所以总体来讲,集成了降压和升压DC-DC,是比较有好处的。”

Dialog的封装设计用的是双层电路板,没有微过孔,因为微过孔会增加成本,因而也节省了电路板的成本。

TINY能够实现真正的单个32MHz外部晶振的运行,能够节省7美分(100万片用量时)。实际上,Dialog的上一代产品也具备这个特点,而且一些竞品也有这样的特点,不过,此次Dialog把晶振电路又重新设计了一下,确保90%以上的设备不再需要32kHz的晶振,可以实现单个32MHz外部晶振独立运行,并且不会造成功率损耗。

3.2 节省功率的设计

现在电池的设计会变得越来越小,因此一个关键点是不能一次性去吸入太大的电流。为此,TINY专门加了峰值电流限制器进行电源管理,使从电池中得到的电流在峰值的时候可以得到限制,不至于一下子把电池给毁坏了。Dialog就能够实现一些关键的数字:在室温25℃时可以保持240 nA的休眠电流,如果是在相对低温的5℃冷藏时,只有150 nA的休眠电流。在睡眠的模式是700 nA以及1.6 uA,所有内存都是处于活跃状态,随时可以被唤醒。

 发射电流和接收电流的数字:这些数字并不只是针对无线电,而是包括整个的发射、接收加在一起的数字。将电流和电压相乘之后,TINY可以实现小于10甚至小于7 mW的功率,这是非常了不起的。而且TINY可以让客户去选择无线电的输出功率,这样可以根据应用需不需要这么大的输出功率去做灵活调整。

4 目标市场

主要是消费设备、智慧医疗、工业物联网、智能家具、智能家电几个垂直行业是比较专注的。这些都是以前因为太贵没有办法去实现的连接。

一下有两类例子。

1)轻松配置。现有很多的系统和设备,设备开发者花了很多时间去设计MCU的运行,不想再花更多的时间去添加连接功能。当他们需要添加蓝牙连接功能的时候,很多设备诸如打印机、咖啡机、机顶盒、插线板,现在都已经变得越来越智能了。但是这些设备的用户界面并不是非常丰富,可能就有几个简单的按钮。

通过把蓝牙低功耗连接功能用的方式,让它添加到这些设备或系统上去之后,就可以使设备上的用户界面能够转移到手机上去。这样不仅设置起来非常方便,从手机上就可以对这些设备进行设置;同时在维护时还可以进行联网诊断。

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2)智慧医疗的用例。过去的设备使用的还是比较有局限性的,只有体重秤、温度计或温度贴等可联网。现在有了新的蓝牙技术,可以使能更多的智慧医疗设备,诸如吸入器或注射相关的设备。

对于吸入设备来说,例如有慢性阻塞性肺病、哮喘等是需要长期用药的,还有糖尿病患者需要实时去注射胰岛素。对于患者而言,记录自己药物的使用时间、用量和药物类型,每天会是非常大的负担。而且人在记录的时候,不免会有一些意外情况或记录不准确的时候。为此,可以用蓝牙低功耗的连接功能,使吸入器的设备的数据可以直接传送到手机上,然后再传送到医生那里。

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5 软件和工具

Dialog不仅仅是从芯片器件本身,而且是从整个开发的一套链上面去帮助客户能够实现更快、更轻松的量产,以节省成本。Dialog这款芯片发布的时候有两套开发套件:Pro专业版开发套件,USB开发套件。

此外,Dialog还提供SmartBond生产线工具,有的人认为半导体公司提供的仅仅是芯片和软件,但Dialog可以助力客户,让他们在生产线上实现更快的生产。Dialog是能够帮助客户实现大批量、轻松的量产,可以使设备的生产和测试有16台设备同时并行,每台设备测试耗时不到1 s。

6 大小批量需求都可满足

如果客户是低需求量,Dialog推出了SmartBond TINY模块。模块的另一好处是对于那些没有RF经验,又想开发速度更快的客户,模块会更容易使用。而且这个模块是跨地区全面认证的。模块方案也节省成本,在高用量的情况之下,模块的成本会小于1美元。

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在高年用量的情况下,TINY价格门槛是0.5美元,而且是整个包括外部器件的价格。

那么,模块和芯片到底有何区别?据悉,模块是实现快速上市最理想的解决方案,已经预先完成认证了。至于芯片,客户采用起来要自己进行一些认证。所以要实现快速上市的话,模块是最好的解决方案,不过价格会稍微贵一点;但是当客户产品快速上市实现量产之后,争得更早的市场机遇,就可以再去考虑重新设计芯片,使成本再降下来。

6 关于无线连接的热门问答

问:TINY看起来能取代有源RFID。但是现在在仓库链用无源RFID也挺多,能把蓝牙低功耗(包括TINY)和无源RFID做一个比较吗?

Mark:无源RFID成本肯定更低,但是相对有局限性,例如要求多个不同的设备才能读取数据。蓝牙低功耗也是可以实现物品、资产的追踪的,但是今天TINY的定位主要是取代有源RFID。

问:苹果推出了搭载在iPhone 11上的UWB(超宽带)芯片,您是怎么样看待UWB芯片对于无线低功耗芯片的冲击或影响的?

Mark:UWB跟蓝牙低功耗是不同的技术路线,我个人相信安全性还是非常好的。但是这方面技术标准的开发,主要是针对精确定位功能,所以与蓝牙功能其实可以实现互补。所以在未来的实际场景中的部署,相信可以跟蓝牙搭配去部署。UWB技术在功耗和成本方面,今天只适用于某些具体的应用,未来应该会有比较好的发展前景,所以也是值得大家关注的一个技术。

问:现在看到市场上有多种集成无线的方式,蓝牙、ZigBee、2.4GHz等。依您看,主流的集成方式是不是硬件上的集成会越来越有限了,未来会不会更多从软件上做提升,让芯片更灵活、更智能?

Mark:不同的公司针对设备的不同需求,选用的集成方式也是不一样的。举个例子,此次发布的TINY所关注的大批量一次性的设备,其实并不需要灵活的可调节无线电的功能,这里主要的目标是要最大程度地降低成本。

Dialog更高端的146XX家族的产品,提供更多的编程灵活性,支持BLE、专有的算法,在软件方面可以做的更多。

问:从你们出货的角度看,现在是不是客户都采购蓝牙5.1的芯片,没有采购蓝牙4.2和5.0的芯片了?

Mark:一般来说,新产品都会去支持最新的规范。新的蓝牙规范出来之后,我们也会把旧的产品去升级一遍,让它支持新的规范。如果是全新产品设计的话,都是支持最新的规范。

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关键词: 蓝牙 低成本

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