将低功耗蓝牙IP整合进SOC中的好处

将低功耗蓝牙IP整合进SOC中的好处

作者:物联网战略营销经理Ron Lowman,蓝牙和模拟IP产品营销经理Manuel Mota

蓝牙、WiFi、LTE和5G技术使得无线连接得到广泛应用。虽然每种技术有其独特的功能和优势,设计人员需要确定是要将它们集成在单个芯片内,还是使用外部的无线芯片解决方案。对于物联网(IOT)应用,集成无线功能的优势变得日益显著,尤其是在更先进工艺上进行设计时,必须要考虑这点。目前,具有低功耗特性的蓝牙技术正在变为可穿戴和物品追溯、或“近场”物联网应用的标准选择。蓝牙5标准预期能够进入智能家庭应用,具有更广的范围、更高的速度和超越点对点通信的能力。

Synopsys最近的用户调查显示,从2013到2015年,随着新的可穿戴IC市场的贡献,物联网SOC设计大幅度增长。另外,根据Teardown.com的数据,在2012至2015年拆解的800多个移动和可穿戴产品中,无线芯片的数量超过了产品的实际数量,表明在一些设计中采用了多颗无线IC。根据这些报告,可穿戴和近场应用的增长,带动外置无线解决方案的设计,这就为设计人员创造了机会,可以通过集成无线功能来降低物联网SOC的成本和功耗。本文介绍了集成无线技术的好处,例如,使用完整的低功耗蓝牙PHY和链路层IP解决方案,将低功耗蓝牙整合进SOC。

无线体系结构
在过去的数年内,出现了多种无线技术实施方案(图1):

  • 独立RF收发器:在该传统实施方案中,收发器芯片包含一个控制器和PHY,或在蓝牙情形下叫链路层和PHY。收发器芯片与主SOC相连,主SOC包含软件堆栈和应用代码。
  • 无线网络处理器:使用集成无线协议堆栈的专用处理器,这样的无线套片带来更多价值,因为主SOC可以把资源专注在应用层上。
  • • 全集成无线SOC:这是一种一体式、单芯片实施方案,对于特定的无线技术十分理想,尤其是用于物联网应用的低功耗蓝牙技术。链路层和PHY集成在SOC中,SOC运行所有软件堆栈和应用代码。
  • • 组合式无线芯片集解决方案:在这种用于移动应用的传统结构中,将数种无线技术如WiFi和蓝牙整合在单个收发器中,收发器与包含数字调制解调器的SOC相连。所有软件、无线堆栈和应用代码均放在外部非易失存储器中。
图1:蓝牙芯片实施选项

图1:蓝牙芯片实施选项
(来源:ti.com)

在确定哪种实施方案能为目标应用带来最大好处时,工艺技术起着关键作用。独立RF收发器采用了如180纳米的传统节点。对于无线网络处理器,无线协议堆栈嵌入在RF收发器中,通常使用成熟的90纳米节点 。在整体式无线解决方案中,采用40纳米和55纳米技术的节点正日渐流行,这归因于可用的嵌入式闪存和混合信号IP包括无线IP的组合。这种类似的整体式无线SOC解决方案,在28纳米节点上也是预期可行的的。其中,协议堆栈、RF收发器和应用代码集成在单个SOC中。

对于移动应用处理器,组合式无线IC套片解决方案仍是很流行的结构,它能够使用最先进的工艺来优化芯片面积和成本。这些系统可具有无限的片外存储器,为程序员提供更多资源,但系统中的总芯片数将多达三个,而在其他三种实施方案中,芯片数为1或2。这清晰表明,当工艺节点和可用IP解决方案相符时,无线集成会带来怎样的好处,这也是全集成无线SOC体系结构变得普遍的原因所在。

工业示例
对于当前的可穿戴设计,如仅用低功耗蓝牙来做无线连接的的健身手环,它内含一颗SoC,通过UART或I2C总线与外部低功耗蓝牙IC相连。类似的,虚拟现实眼罩使用了标准的蓝牙无线网络处理器来与游戏控制器进行通信。在智能家庭产品中也能发现外部低功耗蓝牙套片,如门锁、照明、和室内定位信标等。这些示例显示将无线功能集成在系统SOC的机会,可带来额外的成本降低。

如果在设计中还包含具有较高带宽的无线技术,如WiFi,可使用组合式芯片解决方案,包含多种无线技术、处理器和外部存储器。例如,增强现实眼罩要求更高的处理能力,因此,设计人员需要参考移动平台的设计。

无线功能正在替换传统上的很多靠连线实现的功能。尤其是低功耗蓝牙,它用于诊断和传递低带宽信息,而之前传统使用的是UART、I2C、SPI和USB。

在单个SOC中整合无线技术的好处
现在,我们已确定了将无线功能集成在单个SOC中所带来的机会,下面来看下其优缺点。

无线网络处理器,如独立的低功耗蓝牙解决方案,它们已在认证系统中得到连续使用,简化了设计人的模组认证过程。这些独立的低功耗蓝牙解决方案不仅能简化认证过程,还提供了可靠的连接,以及与组件(如天线等)相关的常见系统设计方法。

整体式解决方案能够提供更多益处,包括低功耗、低成本、低延迟、较少的管脚,推动市场开始采纳和设计完全整体式无线SOC。按照预期,与SPI总线相比,通过AMBA® AHB®总线来发送数据能够将延迟降低5~10个周期,延长空闲时间从而节省功耗。事实上,在最近发布的微软无线功耗研究报告中指出,“在功耗方面起支配作用的参数不是工作电流或待机电流,而是在休眠周期结束后重新连接所需的时间,以及RF模块休眠的程度”。

除了功耗和延迟方面的改善外,无线集成方案还能去除整体套片,降低封装成本,减少所需的额外管脚和电源管理IP。这能将封装成本降低$0.15以上,减少20-30个用于连接片外无线网络处理器的管脚。这些节省加上消除了重复的电源管理部件,减少PCB面积,使得整个系统的成本降低,从而很有吸引力。

正如在teardown.com报告中提到的那样,在诸如虚拟现实眼罩等系统中发现了多颗无线IC。蓝牙和WiFi通常被结合在单个芯片中,但这些无线技术的要求很不相同。WiFi支持高带宽,而低功耗蓝牙需将功率降至最低。WiFi能够支持高达300 Mbps的速度,使用远超40-100微瓦的收发功率,对存储器有相当要求。为了支持WiFi吞吐率,SOC必须工作在符合目标工艺的恰当电压下。反过来,在蓝牙5中,低功耗蓝牙支持2 Mbps的速度,使用的收发功率低于10微瓦,对存储器的要求更低,电压也较低,如最新40纳米和55纳米超低功耗工艺中使用0.9V。

集成低功耗蓝牙的优点显而易见,预计整体式无线SOC实施方案会在不远的将来变得普遍。对于采用55纳米和40纳米技术、要求极低功耗的物联网SOC,优势更加明显。这类物联网SOC还会利用功耗管理技术、DC-DC降压转换器,使用厚氧化层器件等技术,来进一步降低工作功耗和泄漏功耗。

完整的低功耗蓝牙PHY和链路层IP
Synopsys提供了范围广泛的无线和模拟IP选择,针对5G、用于移动的WiFi和LTE、无线802.15.4应用, 提供具有模拟前端、数据转换器、以及包含PHY和链路层IP的完整低功耗蓝牙IP解决方案 。

Synopsys的完整DesignWare蓝牙IP解决方案配有PHY和链路层,它与最新的蓝牙规范兼容,PHY支持蓝牙5和IEEE 802.15.4标准,可在Zigbee和Thread网络上实现连通。使用链路层,能够建立与集成数据加密和随机数发生的安全无线连接,在单个实例中可实现8个同时连接,并提供与第三方软件堆栈和处理器的互操作性。PHY工作在低于1V的电压下,获得更长的电池寿命,包括集成匹配网络的片上收发器,以及单个针-天线接口和电压调节器,可降低BOM成本,并简化系统设计和集成。蓝牙PHY可在180纳米、55纳米和40纳米节点上整合,帮助设计人员利用先进工艺在功率、面积和性能方面带来的益处。对于物联网SOC设计人员,55纳米和40纳米上的PHY优势更大,原因在于这些工艺上很大的功耗和面积优势。

DesignWare低功耗蓝牙IP解决方案通过蓝牙SIG组织的认证,这对设计人员取得成功至关重要。IP经历了严格的验证过程,从完整的设计验证流程,到对PVT角点的完全硅验证,以及与生态系统的互操作性。

将无线功能集成到物联网SOC中的优点十分显著,Synopsys在这方面拥有专业知识、硅验证的IP和客户记录,可以帮助设计人员针对物联网SOC实现高效的无线连接。