小型化IoT设计.pdf

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此白皮书探索了随着将连接设备集成到尺寸越来越小的产品中(特别是天线集成)而带来的挑战,以及系统级封装模块如何能够提供帮助。
SILICON LABS 为何使用SoC? 当21世纪掀起第一股loT热翔时,该行业被称为机器对机器(M2M)工业,为实现loT互联提供的元件主要为GPRS调制解调 器、 Bluetooth串行电缆更换,或Sub-G专有无线电。这些设计中采用了用于实现连接的两个主要元件:MCU和无线电调制解 调器。实现基本loT功能所需的空间通常可达到最小(在每个维度上均为50mm),这意味着这些设备大约只有手机那么大。 当硅产业逐步向可将所需的MCU和RF功能集成到同一个芯片空间的工艺迁移时,面向开发人员的全新发展机遇开始不斷涌现 现在他们可以在同一个C/SoC中实施loT设备的功能。由于无线MCU存在明显的优势,loT元件体系结构已向无线MCU进行 转移,工程师不仅可以使用单一元件设计|oT设备并节省大量的空间,由于元件成本较低,还可以节省资金。在选择现代|oT设 备的体系结构时,由于具有尺寸上的优势,基于SoC的系统显然捋更受青睐。 然历,向SOC发展的趋势并未解决RF 传输的物理结构问题一天线。 如何部署天线?需要多大空间? 高度集成SoC新时代的来临也为开发人员遗留了一些问题:如何部署天 线?应该保留多大的空间来安装天线?应该选择哪种天线,或者是否应该使 用已经集成了天线的模块?天线问题在许多层面都具有复杂性,因为我们不 仅需要考虑尺寸和效率,还要考虑失谐问题,特别是在那些可能采用不同的 05 12 外壳,但却使用同一天线体系结构的设计中。 由于物料清单(BoM)成本较低,在|oT设计中使用PCB印迹天线(例如倒 F型天线)现在已经很常见。但这些印刷PCB天线具有重要的尺寸要求 尺寸通常在25mmx15mm范围内,最终造成loT设备成品的体积较为庞大。 这些天线应用于模块中时还有另一个缺点:它们对外壳材料造成的失谐非常 这些印刷PCB天线具有重要的尺寸要求,尺寸通 灵敏,并且在最终产品装配时需要进行具体考量,以便达到最佳工作状态。 常在25mmx15mm范围内,最终造成|oT设备 在SoC的设计中,天线调谐是常规设计流程的一部分,并且需要一定程度 成品的体积较为庞大。 的专门知识。在这些设计中,印刷天线与其他天线类型没有区别。 2www.silabs.com|小型化loT设计 SILICON LABS 天线制造商长期以来一直提供“芯片天线”,以便简化设计工作,而且这类天 线也具有尺寸方面的优势。这些芯片天线主要以两种不同的形式提供 口未耦合至GND平面的天线。此类天线需要相对较大(或者没有 接地、印迹和元件)的净空范围。这类天线的示例包括单极天线 和倒F型天线。 净空范围 12 =======…======= □耦合至GND平面的天线。此类天线需要在其下方提供相对较小 的净空范围,或者根本不需要净空范围。 l 这两类天线都有净空范围和/或接地平面和PCB尺寸方面的空间要求。 oT设计的RF部件所需的空间还应包括需要的净空范围,因为不能在此 处置留任何元件或印迹。这意味着,当设计者在估量|oT设备的尺寸时 需注意适用于天线的必要PCB尺寸以及所需的净空范围,而且还需要天 印刷PCB天线具有重要的尺寸要求 线与外壳边缘留有一定的间距。 在烀loT设备设计成纽扣电池大小时,始终会有损天线效率。当我们试蒼让尺寸变得越小时,实现RF性能的效率便会越低。 在每个维度上均不足10mm的设备在2.4GHz频段开始实现其性能,可通过手机为用户提供大约10米的蓝牙连接,这为大多 数个人oT设备所接受。 然而,当每个方向上的尺寸都接近于20mm时,RF的效率会显著提升,可视具体条件通过手机提供20-40米的实际射程。当尺 寸达到40mm时,与接地平面实现调谐的若干天线的最佳效率捋达到最佳性能。 这就意味着根据蓝牙42协议两个相同设备之间的实际射程应该在60-400米左右。使用154协议(例如 ZigBe)时,在瞄 准线内的射程最远可达到500米以上。因此,根据应用和尺寸目标的不同,设计者需要着眼于相对于PCB尺寸的天线性能和效 率,因为大多数芯片天线均将PCB接地平面用作天线配置的一部分。此外,设计中的天线模块位置也很重要,设计者需要考虑 净空范围,以便对设计中的最佳位置模块进行接地。 注意天线GND引脚之间的铜片间隙 通过广泛使用的沿板边缝合 GND来缝合重鲁的GND平面 GND垫片直接连接至实心GND平面 0. 3mm3mm 板边 3.5mm 三三三三三三三三 铜片净空范围 2.2mm 顶层布局 三0.4mm|3.44mm 5mm GND平面 天线净空范围、接地平面缝合,以及PCB边缘的BGM121S卩模块的位置都会影响RF性能 3www.silabs.com|小型化oT设计 SILICON LABS 如何部署外部天线? 根据对处于设计阶段的 Bluegiga模块的统计,针对若干不同的天线封装选项,将近有50%的客户对外部天线(通过UF连接 器集成到外壳示例的天线)的性能和可行性进行了评估。然而,在对设计进行评估的客户中只有大约10%的人部署了外部天线 而90%的人选择了配备内匱芯片天线的模块。这背后的原因是什么?工程师为何不在其设计中广泛部署外部天线?可以从两 个主要层面来回答这个问题。首先,外部天线的结构在设计中不具有设计友好性;它们比较不美观,而且如果|oT设备跌落很 容易折断。这些天线还显著增加了BoM和装配成本。另外,在比较使用芯片天线和外部天线(借助∪.F天线连接器)的坚 固RF设计的效率时,可以发现使用外部天线并不具有优势。设备采用金属外壳时会形成一个法拉第罩,使得RF信号无法穿 透设备,在此情况下外部天线的优势就会很明显。另外,如果需要实现绝对最佳性能,并且装配成本和机械设计允许使用外部 天线的话,外部天线的优势也会很明显。 外壳紧凑度应达到什么程度? 在设计配备天线的|oT设备时,结构和外壳在避免或导致天线失谐方面起到重要作用。材料的接近度会影响天线爆裂时产生 的RF辐射。如果接触到金属或塑料,天线就会失谐。因此,需避免天线与外壳塑料或金属进行物理接触。天线的种类以及对 失谐的灵敏度截然不同。单极型天线比耦合至GND的天线更灵敏。 一些最新的 Silicon Labs siP模块封装创新解决了失谐问,因为天线已经位于基板内,并且在靠近塑料外壳处失谐。这使得 设计者能够自由地捋SiP模块部署到其设计中,从而显著缩小了设备的尺寸。 系统级封装(SP)的发晟潜力 Silicon Labs通过研发一种兼具SoC模块的优势和极小尺寸的SP模块,枬 loT SoC方面的经验与 Bluegiga天线设计方面的 经验融合到了一起。总设计面积(包括夭线的净空范围)略超过50mm?。这意味看为设计中的其他元件腾出了空间,最终能够 设计出真正紧凑的oT设备。 BGM12XSP模块旨在实现适用于蓝牙低能耗技术的最小设计尺寸。6.5×6.5的尺寸可实现全面实施,并且包含了ARM° Cortex Tm-M4F基于核心的MCU、大量的闪存和RAM、集成天线,以及50mmx3.0mm的超小净空范围,适用于高性能应用。 S尸模块在实践中还集成了所需的所有无源元件,如果遵守了布局指南,设计者将无需担忧所有RF相关设计。S尸模块非常适用 于可穿戴设备、家庭自动化系统,以及需要终端设备采用简洁小巧设计的应用,例如运动健身设备和可穿戴设各。 4www.silabs.com|小型化loT设计 SILICON LABS siP尺寸优化最佳实践 1.使用基于SoC(具有便于更新协议和进行维护的基于闪存的体系结构)的SP。 2.使用具有较小PCB净空范围的高度集成小型siP模块。 3.使用配备有不会在靠近外壳处失谐的天线的高度集成SiP模块。 4.严格遵守指定布局指南。注意净空范围大小、SiP模块定位,以及与PCB边缘的间距的准确性。 5www.silabs.com|小型化oT设计

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