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物联网系统连网晶片组或模组:破解难题
[作者 Vishal GOYAL]   2020年09月29日 星期二 浏览人次: [1772]

Stastita[1]预测,到2025年,物联网装置数量将超过750亿,远超过联合国所预测之2025年全球将达81亿人囗的数量[2]。物联网可能是科技公司的最大推动能量之一。物联网装置最重要的特点可能是连网。


无线连网装置透过射频无线电、天线和相关电路将电讯号转换为电磁波,反之亦然。设计人员有两个选择可实现该电路:a)使用射频晶片组并设计相关的射频部分;b)使用已经安装的射频晶片组和相关射频部分的模组。在本文中,我们将比较这两种方法,并帮助设计人员做出明智的决定。


使用晶片组和模组的射频

采用晶片组方式实现的射频是由射频IC、天线、巴伦和滤波器、配对网路、晶振、以及其他无源元件所组成。图一是使用意法半导体的BlueNRG BLE SoC的叁考实现原理图。



图一 : BlueNRG-2 叁考原理图
图一 : BlueNRG-2 叁考原理图

使用模组方法要简单许多。与图一相同的电路也可以使用现成的模组来实现。图二是意法半导体的BlueNRG-M2SA模组的脚位分配和内部框图。该模组是使用BlueNRG-2 SoC和相关电路实现的。



图二 : BlueNRG-M2SA脚位分配和内部架构图
图二 : BlueNRG-M2SA脚位分配和内部架构图

晶片组与模组的比较

在选择合适的方式时,要考虑三个主要层面: (a)上市时间、(b)认证、(c)成本。我们将针对各种面向进行回顾,以便从逻辑上了解。


上市时间

使用晶片组设计射频的步骤如下


1.设计原理图和配置


2.透过PCB制造商开发PCB板、焊板


3.微调无源元件之数值,以优化性能


4.订购模组所有元件,然後生产出模组


5.RF测试和认证


晶片组设计的射频几??需要花费3 - 6个月时间。它还需要多种资源,如射频设计师、供应链和多个服务合作夥伴,如PCB制造商和EMS公司。该方法适用於大量生产,但不适用於原型制作和小量生产。


模组则是为快速上市而设计的。使用模组增加连线功能不需要具备任何RF专业知识。无线连线比较简单,就像一个模组化的随??即用的元件,因为设计师得到一个现成的射频,模组化的实现非常快。因此,设计人员可以非常快速地将自己的产品推向市场。这对於原型制作和小量生产尤其重要。


认证

几??任何电子装置都要经过通用放射测试。此外,配有射频的元件也被视为有意放射体。因此,它们需要额外的认证,以确保其放射功率不会超过允许值,或干扰其他装置或频段。在这方面,没有全球通用的认证,每个国家或地区都有自己的标准。通常这些标准是相似的,但它们仍然需要透过申请和相关过程。


此外,大多数射频技术(如BLE、Wi-Fi或GPRS)都必须符合特定组织制定的标准。所以,它们也要通过这些认证。


让我们透过意法半导体的BlueNRG SoC和BlueNRG-M2SA 模组了解认证。


蓝牙低功耗装置需要通过蓝牙技术联盟(管理蓝牙商标使用的机构)的认证。它们还需要获得不同国家和地区的RF认证。一些国家和地区确定的认证有FCC(美国)、RED(欧洲)、WPC(印度)、IC(加拿大)、SRCC(中国)、以及Type(日本)。


由於模组已经经过测试并被认证为辐射装置,透过模组实现的设计无需再进行辐射装置认证,其将被视为另一种电子装置。下面是晶片组方法和模组化方法的成本比较。
















































认证



项目



晶片组



模组



预估节省之成本



蓝牙



测试



8000



0



8000 €



列表



8000



8000



CE



安全



3500



3500



2000 €



EMC



2500



2500



RF



3500



1500



FCC



4000



1500



2500 €



认证过程耗时、繁琐且成本高昂。如果产量够大,就可透过规模经济来分摊成本,但对小量产品来说,成本摊提过高。


费用


本文已经讨论了成本的一些要素。一般来讲,成本包括


- 电路设计成本


- 设计人员成本、供应链成本和生产成本


- 认证成本


- 机会成本


一般来说,如果年产量超过10-15万个,或者产品的形状不允许采用专用模组,这些成本是合理的。


意法半导体提供的模组


意法半导体是世界领先的半导体公司,生产各种低功耗射频元件和模组。意法半导体提供的射频晶片组和相关模组可叁见下表









































技术



IC



模组



说明



BLE



BlueNRG-MS网路处理器



BlueNRG-M0A



全功能 / 低功耗



BlueNRG-M0L





低成本



BlueNRG-2应用处理器



BlueNRG-M2SA



全功能 / 低功耗



BlueNRG-M2SP



Low Cost


低成本



RF SubGhz 433MHz, 868Mhz, 915Mhz



SPIRIT1 radio



SPSGRF-868/915



内建天线



SPSRFC-433/868/915



UFL连接器,用於外部天线



需要慎重考虑的是,上述提及的所有晶片组和模组均已纳入10年长期供货计画。这意味着,如果一家公司在其设计中使用了这些元件,那麽意法半导体将从产品推出之日起的10年内持续提供这些元件,或提供完全相容的替代品。


结论

如果终端设备的形状不能适应模组或产量非常大,则应采用晶片组方法以期实现合理的设计成本、生产成本和认证成本。如果公司希??专注於自己的核心竞争力并避免射频设计的麻烦,模组化方法应该是首选。模组化方法也是原型制作和小批量生产的首选。如本文所述,意法半导体是低功率射频技术领域的领军企业,为各种应用场景提供广泛的晶片组和模组。


(本文作者Vishal GOYAL为意法半导体南亚与印度区技术行销经理)


[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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