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Dialog将蓝牙芯片和模块的性价比推向极致

【摘要】:
对于物联网(IoT)应用当中海量的边缘侧器件和设备来说,低功耗、低成本、小体积愈发重要。而作为物联网重要的通信方式,蓝牙的应用越来越广泛,特别是在消费类领域,具有广阔的应用拓展空间,发展前景很好,关键就看谁能在保证性能的情况下,将其成本和功耗优化得更好了。

对于物联网(IoT)应用当中海量的边缘侧器件和设备来说,低功耗、低成本、小体积愈发重要。而作为物联网重要的通信方式,蓝牙的应用越来越广泛,特别是在消费类领域,具有广阔的应用拓展空间,发展前景很好,关键就看谁能在保证性能的情况下,将其成本和功耗优化得更好了。

 

Dialog半导体一直都在关注这一市场。最近该公司推出了一款面向消费类物联网市场的蓝牙方案:DA14531,该芯片还被命名为SmartBond TINY。

 

据Dialog半导体低功耗连接事业部总监 Mark de Clercq介绍,该公司的蓝牙低功耗产品主要有两个系列,分别是高端的DA146xx,以及针对消费类产品、主打灵活性和简便性的DA145xx系列,DA14531是其最新产品。

Mark de Clercq把物联网理解成金字塔,金字塔底端设备量比较大,成本低,越往上越高端,设备使用量越小,成本越高。最顶端的塔尖是一些定制化产品,成本非常高,用量并不多。

 

如下图所示,最底层的标准化一次性设备,以往由于各种原因,如没有意识到,或因为成本的缘故没有能够完全实现蓝牙应用,而这正是DA14531的主攻市场。

TINY产品就是为了助推下一波十亿IoT设备专门设计的,Mark de Clercq表示:“我们把0.5美元作为门槛,向任何系统添加蓝牙低功耗连接功能的成本,目标是要降低到0.5美元,现在DA14531实现了这个目标。0.5美元,我们主要是针对高的年用量,也就是1000万片用量的一次性设备。而且0.5美元不仅包含蓝牙芯片本身,还包括外部的无源器件和晶振等。”

 

如果客户是低的量,又想更节省成本、更快的上手的话,Dialog还推出了SmartBond TINY模块,预计量产时间是2020年第二季度。对于没有RF经验,又想加快开发速度,而且对蓝牙本身不太了解的客户来说,这个模块会更容易使用,而且,这个模块是跨地区全面认证的。

 

在高年用量的情况下,该模块的成本也很低,会小于1美元。如果用量少的话,价格会上浮一些。

 

 

这么低的成本,到底是如何实现的呢?

 

说到成本,首先会想到物料,用到的物料越少成本越低。Dialog在设计TINY这款芯片的时候,也是先从这方面入手去考虑的。首先看芯片面积,降到了1.7×2.0mm,这样,晶圆物料可以节省很多,再看芯片的外部元件,减少到只剩下6颗无源器件,包括2个电感器、3个电容器和1个外部晶振,实现了单个外部晶振的运行,而且不会有任何的功率损耗。

 

尽管成本下降了,但DA14531在性能和尺寸上没有做任何的妥协,芯片的尺寸非常小,它还支持最新的蓝牙5.1标准核心规范。

 

电源和电池方面,由于该芯片的功耗很低,允许使用更小的电池。而且上亿的一次性设备用过之后,就会被废弃,扔掉之后对环境也有影响,所以还要考虑这些电池对环境的影响。Dialog跟客户一起识别了对环境影响最小的一次性电池,如一次性氧化银电池、锌空电池、碱性或钮扣电池。

 

同时,所有提到的这些元器件,都会安装到PCB板上,也要保证占板成本能够降到最低,所以用了双层电路板的设计方案。

 

性能

 

嵌入式微处理器基准评测协会(EEMBC)是世界领先的对嵌入式微处理器进行测评的协会,IoTMark是EEMBC新出台的关于IoT测评的基准,蓝牙低功耗这一块叫做IoTMark-BLE。IoTMark-BLE主要针对边缘节点做测评,DA14531在这个测评当中获取了创历史新高的18300分,功率效率比竞品高35%。

 

从SmartBond TINY的电路框图,可以看到它包含了独立单片机所需要的所有组件。它支持蓝牙5.1的核心规范协议栈,有复位电路,有所有需要的外设,还有内存。

 

 

 

该架构的最大特点就是集成了升压DC-DC的转换器,目前,这是唯一一款把升压模式DC-DC转换器集成到蓝牙低功耗器件当中的芯片。

 

该芯片既可以作为一个独立的芯片系统来使用,也可以做成模块。由于集成了DC-DC转换器,不仅支持降压模式、升压模式,还支持旁路模式,有时,旁路模式非常必要。该芯片的无线电可编程的输出功率是-19.5到2.5dBm,灵敏度是-94dBm。同时又保持了智能唤醒功能,即便是所有的GPIO都处于休眠的时候也是保持活跃的,因此有外部的触发可以将它们唤醒。

 

有的应用对于成本非常敏感,但是对于功率不太敏感的话,设计了旁路模式,它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。封装设计用的是双层电路板的设计,没有微过孔,因为微过孔会增加成本,这样的设计节省了电路板的成本。这个产品能够实现真正的单个32MHz外部晶振的运行。

 

如前文所述,电池的设计会变得越来越小,重要的一点是不能一次性吸入太大的电流。DA14531专门加了一个峰值电流限制器,使得从电池当中得到的电流在峰值时可以得到限制,不至于一下子把电池给毁坏了。在25摄氏度的时候可以保持240nA的休眠电流,如果是在相对低温环境下,如5摄氏度,可以实现150nA的休眠电流。在睡眠的模式是700nA。

 

整个发射和接收电流加在一起,可以实现小于10甚至小于7毫瓦的功率,这个数字是非常了不起的。而且可以让客户去选择无线电的输出功率,这样可以根据应用判断是否需要这么大的输出功率,可以灵活调整。

 

应用

 

现有很多系统和设备的开发者将很多时间花在了MCU的运行上,很多设备,如打印机、咖啡机、机顶盒、插线板,用户想让它们变得更加智能,添加蓝牙功能是一个很好的选择,但是这些设备的用户界面并不是非常成熟,可能就有几个非常简单的按钮。

 

 

通过把蓝牙低功耗连接功能用低成本的方式,添加到这些设备或系统上,就可以使设备上的用户界面转移到手机上。这样不仅设置起来非常方便,在维护的时候,可以进行联网诊断。

 

DA14531的一个重要应用领域就是智慧医疗,比如吸入器或注射器材。以吸入设备为例,哮喘病人需要长期用药,还有糖尿病患者需要实时注射胰岛。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。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,而当医务人员需要准确的药物用量数据来调整治疗方案的时候,得到不准确的数据会影响治疗。

 

为了减少人为的不确定性,可以用蓝牙低功耗的连接功能,使吸入器可以与手机通信,将数据直接传送到医生那里,这样就能够得到更加准确的实时数据,也能使病人得到更好的治疗。

 

目前,该芯片方案已经开始量产了。提供FCGQFN和WLCSP两种封装。

 

软件和工具

 

这款芯片有两套开发套件:

 

第一套是Pro专业版开发套件,包括母板和子板,子板可以接入母板。母板可以实时测量功耗,连接传感器和执行器等。它支持两个标准:mikroBUS总线和Arduino Shield扩充板接口。

 

第二套是USB开发套件,它是Pro的简易版,更简单易用,作为USB dongle插到PC上去,它不能测量功耗,但是可以实现USB跟电脑连接。

 

Dialog还提供SmartBond生产线工具,能够帮助客户在生产和测试时,实现16台设备同时运行。因为是16台设备并行去编程和测试,每台设备测试耗时不到1秒,从而帮助客户实现更快、更轻松的量产,以节省成本。

 

*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,转载半导体行业观察。