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面向物联网系统的ST连接芯片组或模块可破解射频设计难题

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

前言：

引言

Stastita[1]预测，到2025年，物联网设备数量将超过750亿，远远超过联合国预测的2025年全球81亿人口数量[2]。物联网可能是科技公司的最大推动力量之一。物联网设备最重要的特点便是联网。

无线联网的设备通过射频无线电、天线和相关电路将电信号转换为电磁波，反之亦然。设计人员有两个选择可实现该电路：a)使用射频芯片组并设计相关的射频部分；b)使用已经安装了射频芯片组和相关射频部分的模块。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决定。

使用芯片组和模块的射频部分

采用芯片组方式实现的射频部分由射频IC、天线、巴伦和滤波器、匹配网络、晶振、以及其他无源器件组成。下面是使用意法半导体的BlueNRG BLE SoC的参考实现原理图

图1：BlueNRG-2 参考原理图

使用模块方法的实现要简单得多。与图1相同的电路也可以使用现成的模块来实现。下面是意法半导体的BlueNRG-M2SA模块的引脚分配和内部框图。该模块是利用BlueNRG-2 SoC和相关电路实现的。

图2：BlueNRG-M2SA引脚分配和内部框图

芯片组方法与模块方法的比较

在选择合适的方法时，要考虑三个主要方面：a)上市时间，b)认证，c)成本。我们将对每个方面进行回顾，以便从逻辑上理解透彻。

上市时间

使用芯片组设计射频部分的步骤如下：
i) 设计原理图和布板
ii) 请PCB制造商制板
iii) 焊板
iv) 微调无源器件的值，以优化性能
v) 订购模块的所有组件，然后生产出模块
vi) RF测试和认证

基于芯片组设计的射频部分几乎要花费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伙伴，如PCB制造商和EMS公司。该方法适用于大批量生产，但不适用于原型制作和小批量生产。

模块则是为快速上市而设计的。使用模块添加连接不需要具备任何RF专业知识。无线连接比较简单，就像一个模块化的即插即用组件，因为设计师得到一个现成的射频部分，模块化的实现非常快。因此，设计人员可以非常快速地将自己的产品推向市场。这对于原型制作和小批量生产尤其重要。

认证

几乎任何电子设备都要经过通用放射测试。此外，配有射频部分的器件也被视为有意放射体。因此，它们需要额外的认证，以确保它们放射的功率不会超过允许值，或干扰其他设备或频段。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，但是它们仍然需要通过申请和相关过程。

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。例如，意法半导体的BlueNRG SoC和BlueNRG-M2SA 模块的认证过程。

蓝牙低功耗设备需要通过蓝牙技术联盟（管理蓝牙标志使用的机构）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）。

由于模块已经经过测试并被认证为辐射装置，通过模块实现的设计无需再做辐射装置认证，可被视为所用模块的派生设备。下面是芯片组方法和模块化方法的成本比较。

认证	项目	基于芯片组	基于模块	预计节约
蓝牙	测试	8000	0	8000 €
蓝牙	列表	8000	8000	8000 €
CE	安全	3500	3500	2000 €
	EMC EMC	2500	2500
	RF 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，可以通过规模经济来分摊成本，但对小批量产品来说，分摊成本过高。

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100-150K件，或者产品的形状不允许采用专用模块，这些成本是合理的。

意法半导体提供的模块

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器件和模块。意法半导体提供的射频芯片组和相关模块见下表

技术	IC	模块	说明
BLE	BlueNRG-MS网络处理器	BlueNRG-M0A BlueNRG-M0A	全功能 / 低功耗
	BlueNRG-MS网络处理器	BlueNRG-M0L BlueNRG-M0L	低成本
	BlueNRG-2应用处理器	BlueNRG-M2SA BlueNRG-M2SA	全功能 / 低功耗
	BlueNRG-2应用处理器	BlueNRG-M2SP BlueNRG-M2SP	低成本
RF SubGhz 433MHz, 868Mhz, 915Mhz	SPIRIT1小无线	SPSGRF-868/915 SPSGRF-868/915	内置天线
RF SubGhz 433MHz, 868Mhz, 915Mhz	SPIRIT1小无线	SPSRFC-433/868/915 SPSRFC-433/868/915	UFL连接器，用于外部天线

一个需要考虑的非常重要的方面是，上面提到的所有芯片组和模块均已纳入10年长期供货计划。这意味着如果一家公司在其设计中使用了这些组件，那么意法半导体将从产品发布之日起的10年内持续提供这些组件，或提供完全兼容的替代品。

结论

如果终端设备的形状不能适应模块或产量非常大，则应采用芯片组方法以期实现合理的设计成本、生产成本和认证成本。如果公司希望专注于自己的核心竞争力并避免射频设计的麻烦，模块化方法应该是首选。模块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芯片组和模块。

[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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