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物聯網系統連網晶片組或模組:破解難題
 

【作者: Vishal GOYAL】   2020年09月29日 星期二

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Stastita[1]預測,到2025年,物聯網裝置數量將超過750億,遠超過聯合國所預測之2025年全球將達81億人口的數量[2]。物聯網可能是科技公司的最大推動能量之一。物聯網裝置最重要的特點可能是連網。


無線連網裝置透過射頻無線電、天線和相關電路將電訊號轉換為電磁波,反之亦然。設計人員有兩個選擇可實現該電路:a)使用射頻晶片組並設計相關的射頻部分;b)使用已經安裝的射頻晶片組和相關射頻部分的模組。在本文中,我們將比較這兩種方法,並幫助設計人員做出明智的決定。


使用晶片組和模組的射頻

採用晶片組方式實現的射頻是由射頻IC、天線、巴倫和濾波器、配對網路、晶振、以及其他無源元件所組成。圖一是使用意法半導體的BlueNRG BLE SoC的參考實現原理圖。



圖一 : BlueNRG-2 參考原理圖
圖一 : BlueNRG-2 參考原理圖

使用模組方法要簡單許多。與圖一相同的電路也可以使用現成的模組來實現。圖二是意法半導體的BlueNRG-M2SA模組的腳位分配和內部框圖。該模組是使用BlueNRG-2 SoC和相關電路實現的。



圖二 : BlueNRG-M2SA腳位分配和內部架構圖
圖二 : BlueNRG-M2SA腳位分配和內部架構圖

晶片組與模組的比較

在選擇合適的方式時,要考慮三個主要層面: (a)上市時間、(b)認證、(c)成本。我們將針對各種面向進行回顧,以便從邏輯上了解。


上市時間

使用晶片組設計射頻的步驟如下


1.設計原理圖和配置


2.透過PCB製造商開發PCB板、焊板


3.微調無源元件之數值,以優化性能


4.訂購模組所有元件,然後生產出模組


5.RF測試和認證


晶片組設計的射頻幾乎需要花費3 - 6個月時間。它還需要多種資源,如射頻設計師、供應鏈和多個服務合作夥伴,如PCB製造商和EMS公司。該方法適用於大量生產,但不適用於原型製作和小量生產。


模組則是為快速上市而設計的。使用模組增加連線功能不需要具備任何RF專業知識。無線連線比較簡單,就像一個模組化的隨插即用的元件,因為設計師得到一個現成的射頻,模組化的實現非常快。因此,設計人員可以非常快速地將自己的產品推向市場。這對於原型製作和小量生產尤其重要。


認證

幾乎任何電子裝置都要經過通用放射測試。此外,配有射頻的元件也被視為有意放射體。因此,它們需要額外的認證,以確保其放射功率不會超過允許值,或干擾其他裝置或頻段。在這方面,沒有全球通用的認證,每個國家或地區都有自己的標準。通常這些標準是相似的,但它們仍然需要透過申請和相關過程。


此外,大多數射頻技術(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。


讓我們透過意法半導體的BlueNRG SoC和BlueNRG-M2SA 模組瞭解認證。


藍牙低功耗裝置需要通過藍牙技術聯盟(管理藍牙商標使用的機構)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)。


由於模組已經經過測試並被認證為輻射裝置,透過模組實現的設計無需再進行輻射裝置認證,其將被視為另一種電子裝置。下面是晶片組方法和模組化方法的成本比較。
















































認證



項目



晶片組



模組



預估節省之成本



藍牙



測試



8000



0



8000 €



列表



8000



8000



CE



安全



3500



3500



2000 €



EMC



2500



2500



RF



3500



1500



FCC



4000



1500



2500 €



認證過程耗時、繁瑣且成本高昂。如果產量夠大,就可透過規模經濟來分攤成本,但對小量產品來說,成本攤提過高。


費用


本文已經討論了成本的一些要素。一般來講,成本包括


- 電路設計成本


- 設計人員成本、供應鏈成本和生產成本


- 認證成本


- 機會成本


一般來說,如果年產量超過10-15萬個,或者產品的形狀不允許採用專用模組,這些成本是合理的。


意法半導體提供的模組


意法半導體是世界領先的半導體公司,生產各種低功耗射頻元件和模組。意法半導體提供的射頻晶片組和相關模組可參見下表









































技術



IC



模組



說明



BLE



BlueNRG-MS網路處理器



BlueNRG-M0A



全功能 / 低功耗



BlueNRG-M0L





低成本



BlueNRG-2應用處理器



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



內建天線



SPSRFC-433/868/915



UFL連接器,用於外部天線



需要慎重考慮的是,上述提及的所有晶片組和模組均已納入10年長期供貨計畫。這意味著,如果一家公司在其設計中使用了這些元件,那麼意法半導體將從產品推出之日起的10年內持續提供這些元件,或提供完全相容的替代品。


結論

如果終端設備的形狀不能適應模組或產量非常大,則應採用晶片組方法以期實現合理的設計成本、生產成本和認證成本。如果公司希望專注於自己的核心競爭力並避免射頻設計的麻煩,模組化方法應該是首選。模組化方法也是原型製作和小批量生產的首選。如本文所述,意法半導體是低功率射頻技術領域的領軍企業,為各種應用場景提供廣泛的晶片組和模組。


(本文作者Vishal GOYAL為意法半導體南亞與印度區技術行銷經理)


[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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