標準化一次性設(shè)備是藍牙的新藍海，Dialog祭出低價超小SoC方案

人們通常把物聯(lián)網(wǎng)比喻成金字塔（如下圖），底端設(shè)備量龐大，越往上走越高端，設(shè)備使用量越小。成本方面，底端比較低，越往上成本越高。

最頂端的金字塔塔尖是定制化產(chǎn)品，成本是非常高昂的，但是用量并不多。逐漸往下走，就開始從定制向標準化去轉(zhuǎn)變。首先是標準化可充電的設(shè)備，再往下是標準化可替換的設(shè)備。目前市場上有很多的標準化可充電和可替換的設(shè)備。但是可能因為成本的緣故沒有能夠完全實現(xiàn)無線連接的，是最底層的標準化一次性設(shè)備，數(shù)量約有十億計。例如咖啡機、注射器等，原因是給它們添加無線連接的成本太高了。

1 Dialog祭出TINY SoC

2019年11月，Dialog半導體推出小尺寸、高功率效率的藍牙5.1 SoC DA14531及其模塊，該芯片又名SmartBond TINY?，現(xiàn)已開始量產(chǎn)。制程55 nm。該芯片有兩大特點：第一是低功耗、小系統(tǒng)尺寸和低系統(tǒng)成本的組合。第二是實現(xiàn)了高度的集成，能集成更多的功能，尤其是在模擬方面。

“SmartBond TINY把為任何系統(tǒng)添加藍牙低功耗連接功能的成本降低至0.5美元（*高年用量），將觸發(fā)新一波十億IoT設(shè)備的誕生?！惫镜凸倪B接事業(yè)部總監(jiān) Mark de Clercq自豪地稱，并介紹了公司在藍牙方面的業(yè)績：迄今為止，Dialog已經(jīng)出貨了3億顆藍牙低功耗SoC，而且年平均增長率是50%左右。Dialog藍牙芯片年出貨量達1億顆?！?/p>

2 如何實現(xiàn)低成本、高功率效率和小尺寸

TINY產(chǎn)品是為助推下一波十億IoT設(shè)備專門設(shè)計的。Dialog在這里把0.5美元當作是一個門檻，稱任何系統(tǒng)添加藍牙低功耗連接功能的成本，要降低到0.5美元。這主要針對高年用量，也就是1千萬片用量的一次性設(shè)備。而且0.5美元不僅僅包含藍牙芯片本身，還包括外部的無源器件和晶振等。

盡管成本下降了，但是TINY在性能和尺寸上沒有做妥協(xié)，芯片的尺寸非常小，成本非常低，而且它也支持最新的藍牙5.1標準的核心規(guī)范。

2.1 如何實現(xiàn)低成本

1）提到成本，人們首先想到物料，用到的物料越少成本越低。TINY芯片的面積降到了1.7 mm×2.0 mm，這樣的小尺寸使晶圓物料可以節(jié)省很多。

2）接下來看芯片的外部元件，也要保持在最小的量上。TINY外部元件最后減少到只剩下6顆的無源器件，包括2個電感器、3個電容器和1個外部晶振，而且也是實現(xiàn)了單個外部晶振的運行，而且不會有任何的功耗。

3）電源和電池。在這方面，Dialog跟一次性設(shè)備領(lǐng)域的一些客戶去研究，看什么樣的電池更適合于一次性的設(shè)備。首先要降低功耗，使更小的電池能夠被用起來。而且上億的一次性設(shè)備用過之后，就會被廢棄，扔掉之后對環(huán)境也是有影響的，所以還要考慮這些電池對環(huán)境的影響。Dialog跟客戶一起努力去尋找對環(huán)境影響最小的一次性電池，例如一次性氧化銀電池、鋅空電池、堿性或鈕扣電池。

4）所有以上提到的元器件，都會安裝到PCB（印制板）上，也要保證占板成本能夠降到最低，所以采用了雙層電路板的設(shè)計方案。

2.2 如何實現(xiàn)高性能

EEMBC（嵌入式微處理器基準評測協(xié)會）是世界領(lǐng)先的對于嵌入式微處理器進行測評的協(xié)會，IoTMark是最近EEMBC組織剛剛新出臺的關(guān)于IoT測評的基準，藍牙低功耗方面叫IoTMark?-BLE，Dialog用這個基準做了測評。

   IoTMark?-BLE主要是針對邊緣節(jié)點做的測評，它是把設(shè)備連接到傳感器上面，從傳感器去讀取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，然后再從空中發(fā)送到另一設(shè)備上。所有設(shè)備都是連接在同一個傳感器上的，讀取和處理數(shù)據(jù)的方式也是一樣的，連接的參數(shù)也是相同的。

Dialog在這個測評當中獲得了創(chuàng)歷史新高的18300的分數(shù)，也意味著TINY的功率效率要比競品高35%。可見，TINY雖然在尺寸上非常小，但是在功率效率上一點都不弱。

 那么問題來了，Dialog用的是Cortex-M0，如何做到這樣的高跑分？Mark稱在做架構(gòu)設(shè)計的時候，Dialog把過去的設(shè)計丟開，從白紙開始從頭設(shè)計。Dialog先針對想要實現(xiàn)的目標，對于架構(gòu)進行了很多的重塑，例如很多IP電路并不是把以前的拿來修改一下，而是全新去設(shè)計。

3 從芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)看TINY的優(yōu)勢

TINY的競爭力是低價，再低價的價格能拼的過國內(nèi)的廠商嗎？Mark解釋道，中國很多的供應(yīng)商確實很強大，競爭力很強。但是TINY不僅強調(diào)低價，而是在成本、功耗和尺寸上做了通盤的考慮，所以這是TINY差異化的賣點。

那么，TINY的結(jié)構(gòu)有何秘籍？由TINY的電路框圖可見（下圖），它包含了所有獨立單片機（MCU）所需要的組件：它會支持藍牙5.1的核心規(guī)范協(xié)議棧，它有復位電路，有無線電的部分，有所有需要的外設(shè)，也有內(nèi)存部分。

它可以作為一個獨立的芯片系統(tǒng)來使用，但是同時也可以作為模塊去嵌入到更大的MCU中。TINY集成的DC-DC轉(zhuǎn)換器，不僅支持降壓模式、升壓模式，還支持旁路模式。無線電可編程的輸出功率是-19.5~2.5 dBm，靈敏度是-94 dBm。同時又保持了智能喚醒的功能。

3.1 節(jié)省成本的策略

這樣全面豐富的架構(gòu)怎么節(jié)省成本？首先在電源管理方面，集成的升降壓DC-DC可成本節(jié)省0.2美元。目前Dialog是唯一一家公司把升壓模式DC-DC轉(zhuǎn)換器集成到藍牙低功耗器件中。為何要集成升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器？因為一次性IoT設(shè)備會有不同的電源的支持，例如上面提到的不同電池的化學成份是不同的，需要有升壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器的支持。另外，有的應(yīng)用對于成本非常敏感，但是如果對于功率不太敏感，TINY有旁路模式，可以省掉電感器和電容器，這樣在整個成本上能夠節(jié)省3美分（注：旁路模式下，功耗將增加30%左右）。

   那么電子產(chǎn)品世界記者的問題是：將升降壓都集成到產(chǎn)品中，這個難度有多大？Mark透露，Dialog在電源管理方面的專長非常強大，有很多相關(guān)的IP電路，可以做到。

集成了升降壓，成本上如何保持優(yōu)勢？Mark稱，對集成進來在電路上進行了設(shè)計，讓它的成本降到最低，而且升壓、降壓用的同樣的DC-DC轉(zhuǎn)換器。如果競品需要做升壓的話，就需要加外部器件，總體成本也就會增加。“所以總體來講，集成了降壓和升壓DC-DC，是比較有好處的?！?/p>

Dialog的封裝設(shè)計用的是雙層電路板，沒有微過孔，因為微過孔會增加成本，因而也節(jié)省了電路板的成本。

TINY能夠?qū)崿F(xiàn)真正的單個32MHz外部晶振的運行，能夠節(jié)省7美分（100萬片用量時）。實際上，Dialog的上一代產(chǎn)品也具備這個特點，而且一些競品也有這樣的特點，不過，此次Dialog把晶振電路又重新設(shè)計了一下，確保90%以上的設(shè)備不再需要32kHz的晶振，可以實現(xiàn)單個32MHz外部晶振獨立運行，并且不會造成功率損耗。

3.2 節(jié)省功率的設(shè)計

現(xiàn)在電池的設(shè)計會變得越來越小，因此一個關(guān)鍵點是不能一次性去吸入太大的電流。為此，TINY專門加了峰值電流限制器進行電源管理，使從電池中得到的電流在峰值的時候可以得到限制，不至于一下子把電池給毀壞了。Dialog就能夠?qū)崿F(xiàn)一些關(guān)鍵的數(shù)字：在室溫25℃時可以保持240 nA的休眠電流，如果是在相對低溫的5℃冷藏時，只有150 nA的休眠電流。在睡眠的模式是700 nA以及1.6 uA，所有內(nèi)存都是處于活躍狀態(tài)，隨時可以被喚醒。

 發(fā)射電流和接收電流的數(shù)字：這些數(shù)字并不只是針對無線電，而是包括整個的發(fā)射、接收加在一起的數(shù)字。將電流和電壓相乘之后，TINY可以實現(xiàn)小于10甚至小于7 mW的功率，這是非常了不起的。而且TINY可以讓客戶去選擇無線電的輸出功率，這樣可以根據(jù)應(yīng)用需不需要這么大的輸出功率去做靈活調(diào)整。

4 目標市場

主要是消費設(shè)備、智慧醫(yī)療、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能家具、智能家電幾個垂直行業(yè)是比較專注的。這些都是以前因為太貴沒有辦法去實現(xiàn)的連接。

一下有兩類例子。

1）輕松配置?，F(xiàn)有很多的系統(tǒng)和設(shè)備，設(shè)備開發(fā)者花了很多時間去設(shè)計MCU的運行，不想再花更多的時間去添加連接功能。當他們需要添加藍牙連接功能的時候，很多設(shè)備諸如打印機、咖啡機、機頂盒、插線板，現(xiàn)在都已經(jīng)變得越來越智能了。但是這些設(shè)備的用戶界面并不是非常豐富，可能就有幾個簡單的按鈕。

通過把藍牙低功耗連接功能用低成本的方式，讓它添加到這些設(shè)備或系統(tǒng)上去之后，就可以使設(shè)備上的用戶界面能夠轉(zhuǎn)移到手機上去。這樣不僅設(shè)置起來非常方便，從手機上就可以對這些設(shè)備進行設(shè)置；同時在維護時還可以進行聯(lián)網(wǎng)診斷。

2）智慧醫(yī)療的用例。過去的設(shè)備使用的還是比較有局限性的，只有體重秤、溫度計或溫度貼等可聯(lián)網(wǎng)?，F(xiàn)在有了新的藍牙技術(shù)，可以使能更多的智慧醫(yī)療設(shè)備，諸如吸入器或注射相關(guān)的設(shè)備。

對于吸入設(shè)備來說，例如有慢性阻塞性肺病、哮喘等是需要長期用藥的，還有糖尿病患者需要實時去注射胰島素。對于患者而言，記錄自己藥物的使用時間、用量和藥物類型，每天會是非常大的負擔。而且人在記錄的時候，不免會有一些意外情況或記錄不準確的時候。為此，可以用藍牙低功耗的連接功能，使吸入器的設(shè)備的數(shù)據(jù)可以直接傳送到手機上，然后再傳送到醫(yī)生那里。

5 軟件和工具

Dialog不僅僅是從芯片器件本身，而且是從整個開發(fā)的一套鏈上面去幫助客戶能夠?qū)崿F(xiàn)更快、更輕松的量產(chǎn)，以節(jié)省成本。Dialog這款芯片發(fā)布的時候有兩套開發(fā)套件：Pro專業(yè)版開發(fā)套件，USB開發(fā)套件。

此外，Dialog還提供SmartBond生產(chǎn)線工具，有的人認為半導體公司提供的僅僅是芯片和軟件，但Dialog可以助力客戶，讓他們在生產(chǎn)線上實現(xiàn)更快的生產(chǎn)。Dialog是能夠幫助客戶實現(xiàn)大批量、輕松的量產(chǎn)，可以使設(shè)備的生產(chǎn)和測試有16臺設(shè)備同時并行，每臺設(shè)備測試耗時不到1 s。

6 大小批量需求都可滿足

如果客戶是低需求量，Dialog推出了SmartBond TINY模塊。模塊的另一好處是對于那些沒有RF經(jīng)驗，又想開發(fā)速度更快的客戶，模塊會更容易使用。而且這個模塊是跨地區(qū)全面認證的。模塊方案也節(jié)省成本，在高用量的情況之下，模塊的成本會小于1美元。

在高年用量的情況下，TINY價格門檻是0.5美元，而且是整個包括外部器件的價格。

那么，模塊和芯片到底有何區(qū)別？據(jù)悉，模塊是實現(xiàn)快速上市最理想的解決方案，已經(jīng)預先完成認證了。至于芯片，客戶采用起來要自己進行一些認證。所以要實現(xiàn)快速上市的話，模塊是最好的解決方案，不過價格會稍微貴一點；但是當客戶產(chǎn)品快速上市實現(xiàn)量產(chǎn)之后，爭得更早的市場機遇，就可以再去考慮重新設(shè)計芯片，使成本再降下來。

6 關(guān)于無線連接的熱門問答

問：TINY看起來能取代有源RFID。但是現(xiàn)在在倉庫鏈用無源RFID也挺多，能把藍牙低功耗（包括TINY）和無源RFID做一個比較嗎？

Mark：無源RFID成本肯定更低，但是相對有局限性，例如要求多個不同的設(shè)備才能讀取數(shù)據(jù)。藍牙低功耗也是可以實現(xiàn)物品、資產(chǎn)的追蹤的，但是今天TINY的定位主要是取代有源RFID。

問：蘋果推出了搭載在iPhone 11上的UWB（超寬帶）芯片，您是怎么樣看待UWB芯片對于無線低功耗芯片的沖擊或影響的？

Mark：UWB跟藍牙低功耗是不同的技術(shù)路線，我個人相信安全性還是非常好的。但是這方面技術(shù)標準的開發(fā)，主要是針對精確定位功能，所以與藍牙功能其實可以實現(xiàn)互補。所以在未來的實際場景中的部署，相信可以跟藍牙搭配去部署。UWB技術(shù)在功耗和成本方面，今天只適用于某些具體的應(yīng)用，未來應(yīng)該會有比較好的發(fā)展前景，所以也是值得大家關(guān)注的一個技術(shù)。

問：現(xiàn)在看到市場上有多種集成無線的方式，藍牙、ZigBee、2.4GHz等。依您看，主流的集成方式是不是硬件上的集成會越來越有限了，未來會不會更多從軟件上做提升，讓芯片更靈活、更智能？

Mark：不同的公司針對設(shè)備的不同需求，選用的集成方式也是不一樣的。舉個例子，此次發(fā)布的TINY所關(guān)注的大批量一次性的設(shè)備，其實并不需要靈活的可調(diào)節(jié)無線電的功能，這里主要的目標是要最大程度地降低成本。

Dialog更高端的146XX家族的產(chǎn)品，提供更多的編程靈活性，支持BLE、專有的算法，在軟件方面可以做的更多。

問：從你們出貨的角度看，現(xiàn)在是不是客戶都采購藍牙5.1的芯片，沒有采購藍牙4.2和5.0的芯片了？

Mark：一般來說，新產(chǎn)品都會去支持最新的規(guī)范。新的藍牙規(guī)范出來之后，我們也會把舊的產(chǎn)品去升級一遍，讓它支持新的規(guī)范。如果是全新產(chǎn)品設(shè)計的話，都是支持最新的規(guī)范。