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遵循設計訣竅 汽車RF設計挑戰迎刃解

無線汽車設計複雜度與日俱增 過去單純的交通運輸模式,已經轉變為具有複雜電腦系統的車輛,能夠讓車輛本身及我們與周遭世界連結在一起。現在車輛不但能夠自動駕駛、透過網路通訊,還可提供娛樂功能,而分析師預測,上述趨勢只會繼續成長。 根據McKinsey & Company的資料顯示,未來幾年內聯網車輛的數量每年將增加30%;於2020年前,有1/5的車輛能連上網際網路。 Strategy Analytics預測車輛處理及先進駕駛輔助系統(ADAS)RF前端(RFFE)市場,將以17%的年複合成長率(2017~2022)成為最大市場。所以汽車RF工程師要如何設計聯網車輛?首先探討的是如何克服一些汽車設計中最大的RF挑戰。 現今車輛配備許多電子裝置與世界連線。對RF系統而言,代表出現大量RFFE鏈,因車輛製造商在汽車設置更多的電信設備。圖1為一般系統範例。 圖1 汽車RF系統示意圖 汽車RF生態系統的變化,對RF系統設計人員造成以下幾項挑戰: .整合眾多標準至車輛之中,有時需要整合為單一模組。 .因應共存疑慮,因為上述許多標準彼此之間非常接近。 .盡可能減少電子元件散發的熱能。 .因應更高的耗電量疑慮,因為所有車輛設備都使用相同的電瓶電源。 .確保產品元件具備長期可靠度。 以上挑戰不僅只存在於汽車業,而克服挑戰的策略則與其他應用類似,例如 Wi-Fi連線及行動裝置。 以下提出部分基本設計訣竅,以選擇適合汽車的RF元件: .使用高度線性的主動或前端裝置。 .使用的元件要能在RFFE盡量降低插入損耗,並降低整體RF鏈路預算。 .留意RFFE效率、電流消耗及功率消耗等問題。 .使用高效能RF濾波器盡量減少插入損耗、溫度漂移及干擾。 .考慮使用能在單一封裝整合發射、接收及濾波功能的元件。 .使用符合汽車規範且遵循IATF及IEC業界標準的產品。 接下來將更深入探討各項設計考量因素,範圍涵蓋RF共存、整合、天線設計、熱管理、電瓶續航力及車輛可靠度。 設計無線汽車 RF共存問題待解決 串流影片使用者期望在車內享有快速可靠的服務,由網路及車內串流正迅速成為標準需求。因此重要的是盡可能減少共存問題,並在維持串流服務時降低線路損耗。不過在無線頻段及標準之間達到最大程度的共存非常困難。如果沒有使用適當的濾波功能,就會增加以下頻率發生共存問題的機率。 2.4GHz:Wi-Fi及行動通訊,例如LTE頻段41;Wi-Fi及藍牙;SDARS(衛星數位音訊無線電服務)及LTE。5GHz:Wi-Fi及V2X(802.11p及C-V2X);V2X及U-NII(非正式國家資訊基礎建設)頻段,尤其是U-NII-3。在2.4GHz(圖2)及5GHz(圖3)頻譜圖之中,顯示聯網汽車使用的無線技術頻寬有多麼擁擠。所以減輕以上共存問題的最佳方式為何?部分最佳實務包括在設計中使用高效能RF濾波器,以及高度線性的主動裝置。 圖2 2.4GHz頻譜圖 圖3 5GHz頻譜圖 .濾波器可減少無線電訊號之間的頻外干擾。 .共存濾波器可針對發射訊號減輕可能的減敏作用。 現今車輛通訊可在天線與收發器之間支援許多發射及接收路徑,而隔離這些路徑需要使用濾波器。這類濾波器必須由共存頻帶提供隔離、具備低插入損耗,盡可能降低發射耗電量;以及最佳化接收器靈敏度。 整合為RF設計要素 行動電話產業已由獨立元件轉為高度整合的系統模組。由於汽車在相同的整體車輛體積之中納入更多連線功能,汽車製造商也必須進行相同的轉移程序。 將更多功能整合至前端模組(FEM)或濾波器模組,有助於簡化RF設計(圖4)。 圖4 更多功能整合至前端模組或濾波器模組,有利降低RF設計複雜度。 這有什麼好處?整合適當的濾波器技術,可在本質上協助處置前述的共存問題,以及熱能挑戰。 車輛工程師過去只需要擔心GPS及藍牙,但現在設計時必須遵循C-V2X等新的無線標準,未來則需要因應5G新無線電(NR)規範。設計人員必須瞭解圖5顯示的所有技術,同時將其納入汽車設計之中。其中最可能的方式,就是將行動電話技術當作跳板。為此,Qorvo工程師打造RF Fusion協助客戶利用整合式解決方案,可有效降低設計複雜度,加速上市時間。許多這類複雜模組都包括嵌入式濾波器,可進一步降低RF複雜度及整體鏈路預算。 圖5 車輛工程師現必須了解更多新的無線技術並納入汽車設計中。 RFFE靠近天線有助提升訊號 請想像一具鯊魚鰭天線連接至纜線,而纜線則連往汽車其他位置的低雜訊放大器(LNA,通常位於儀表板)。使用纜線連接是傳統車輛製造普遍的實務作法,不過長距離的纜線連接,可能在天線與RFFE之間造成插入損耗(增加鏈路預算)。這種作法也會在LNA輸入增加雜訊指數(NF),尤其是行動通訊及Wi-Fi環境,並會降低訊號及接收器靈敏度。如果天線能夠接收更低的功率位準,就代表靈敏度提升。 對抗這項問題的方式之一,就是讓車頂鯊魚鰭內部的天線及RFFE元件盡可能靠近訊號輸入,並位在任何纜線之前。將RFFE整合靠近天線,就可以盡量減少 NF及提升訊號效能,而降低NF也有助於接收器靈敏度(圖6)。 圖6 降低NF有助提升接收器靈敏度。 同樣方法也可用於加強天線的發射功能。減少纜線連接,並將功率放大器(PA) 設置在最靠近天線的位置,將有助於降低插入損耗及耗電量。如果發射側在傳送訊號之前需要更多功率,也可以在鯊魚鰭使用補償器放大訊號,補償纜線長度造成的損耗及鏈路預算。 克服熱能挑戰需留意三大關鍵參數 溫度是車輛主要關鍵設計挑戰之一,包含車內及外部環境,當車輛溫度升高,將會影響系統層級的RF調校及效能。所有無線連線及電子裝置在同樣狹小的車輛體積中持續運作,因此會在受限區域內增加輻射熱。 熱能也會影響可靠度,可能危害汽車的各項安全功能。嘗試減輕熱能問題時,需要留意以下關鍵參數,分別為RFFE效率、電流消耗與功率消耗。 設計人員可使用的部分散熱方法為傳導及對流冷卻,不過僅限於車內使用。產品的精巧外型則讓熱能挑戰更加複雜。以下技巧可協助處置與熱有關的RF問題: 1.使用元件製造商提供的PC板布局檔案及評估板。最理想的作法就是要求及使用製造商設計,因為其布局在散熱及熱效率方面經過最佳化處理。 2.使用最低或沒有溫度偏移的RF濾波器。對汽車系統而言,必須使用具備出色溫度穩定度、低插入損耗及高品質因數的溫度補償濾波器(例如Qorvo的BAW技術),協助對抗各項熱(及共存)相關問題。BAW技術的溫度穩定度平均比SAW高出50%。 3.使用高度線性的前端產品。使用高度線性的前端產品可維持PA效率,有助於最佳化系統效率並減少產生熱能。請務必讓RFFE的插入損耗維持在最低程度,尤其是在高溫運作時。RFFE效能不彰會影響整個汽車系統的電流消耗,加重系統處理器的工作負擔,進而產生熱能、系統退化及消耗車輛電瓶等問題。 三大方法延長電瓶續航力 2017年的J.D. Power車輛可靠度研究(J.D. Power Vehicle Dependability Study)指出,電瓶故障首次名列車主面對的前十大問題。其中的調查結果顯示,在無關一般磨耗的部分,電瓶是最常更換的元件,三年車齡的車輛中有6.1%更換電瓶,比2016年增加了1.3%。這項研究認為,眾多新型複雜的車載電子系統(例如車用資訊娛樂系統、智慧型手機連線、語音辨識及免鑰匙系統)所增加的電流消耗,拖累了電瓶續航力。解鎖及啟動車輛的遙控鑰匙(Key Fob)就是其中一個例子。車主為了便利使用這項技術,卻可能耗盡汽車電瓶。如果遙控鑰匙放在車輛附近或內部,發射器及接收器就會持續通訊,對車輛進行回音檢查。測試顯示如果將遙控鑰匙放在車輛附近,電瓶電量耗盡的速度會比放在車外更快。隨著各種新型的無線及有線技術進軍汽車領域,請務必採取下列作法延長電瓶續航力: .使用低耗電量的目標裝置解決方案。 .瞭解閒置及運作期間的RFFE耗電量。 .使用最低或沒有溫度偏移的濾波器。 通過認證確保RF可靠度及長期效能 對RF半導體供應商而言,汽車電子裝置部門提供穩固的營收成長前景。像是ADAS、電動車、人機介面(HMI)及連網車用資訊娛樂系統等應用的創新成果,正帶動半導體領域提供更豐富的產品,而汽車工程師必須讓RF及其他子系統緊密地配合運作。這類半導體產品也用於因應汽車業嚴格的可靠度要求。使用商用零件取代符合汽車規範的專屬產品,或許是很吸引人的作法。不過選擇專為汽車應用設計,並且通過IATF及IEC認證測試的產品,可協助確保RF系統能夠長期運作。 總而言之,汽車製造商以破紀錄的飛快速度演進發展,因應消費者在外行動的無線連線需求,並打造更能自主操作的汽車。在這項演進發展過程中,車輛內外的RF技術將更為重要。汽車製造商使用高度整合的RF元件,並以創新的智慧型手機技術為跳板,就可享有優勢開發未來的連網自駕車。 (本文由Qorvo提供)
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5G手機成長動能佳 高成本恐成絆腳石

5G開台商轉風風火火,根據GSA統計,2019年全球已有296個電信業者投入5G網路建置,其中56個電信業者已經推出5G商用服務;工研院產科國際所日前舉辦「2020產業發展趨勢研討會」,會中提到截至2019年9月,市場已推出129款5G終端,包括41款5G手機、37款5G CPE/Hotspot、28款5G模組等,以最重要的5G手機為例,2020將有更多機種問世,進一步刺激5G手機的出貨量,但5G手機由於規格全面提升,關鍵零組件的成本居高不下,可能變成市場推展的一大阻力。 Samsung Galaxy S10 5G是最早上市的5G手機之一 智慧手機發展進入成熟階段,創新動能逐漸疲軟,2019年智慧手機市場受到美中貿易戰延燒及華為禁售令影響,工研院產科國際所產業分析師呂珮如表示,預期全球智慧手機出貨量約14.9億支,年成長下滑1.6%。全球智慧手機供應鏈面臨生產及銷售管理的風險,產品消費買氣受影響。另一方面,5G智慧手機動能較年初預期更樂觀,預期2019年5G智慧型手機比重上修至0.6%(原預估為0.2%),全年出貨量可達930萬支,主要購機動能湧現於南韓之特定市場。 5G通訊升級不僅顯現在行動電信與應用服務上,對智慧手機硬體也帶來改變,包含處理通訊訊號的基頻晶片、射頻前端、天線等零組件,以及在考量抗高頻傳輸損耗、降低電磁屏蔽、散熱等議題,衍生對印刷電路軟板的材質要求、對手機機殼材質的挑選限制及散熱技術的精進,種種都將隨5G導入迎來產業鏈關鍵元件的新變革,同時也將刺激新一波的零件商機。 而從目前市面上的5G手機來觀察,大部分都是各廠商的旗艦機種,許多機種產品售價超過千元美金,以平均單價而言,呂珮如指出,2019年5G手機約687美元,2020~2021年還維持在675與638美元的高檔,超過新台幣2萬元,隨著出貨量提升,2022年可望降低到534美元,2023年會進一步降低到482美元的水準。由於大部分關鍵零組件成本提升,造成5G手機單價高不可攀,是否影響接下來幾年的市場推廣,值得持續關注。 深入觀察關鍵零組件的成本,呂珮如提到,4G高階手機的射頻模組成本約19.3美元,5G的射頻模組成本約34.4美元,成本提升80%左右,尤其是濾波器從SAW濾波器換成成本較高的BAW濾波器;基頻晶片部分,5G解決方案約150美元,相較之下目前的4G解決方案都不到100美元,也有50%~100%的價差;5G手機天線數量也會大幅提升,從4G手機的4~6根增加到6~10根,同樣墊高成本;另外,5G手機散熱問題更加嚴重,散熱模組的成本將從3~5美元,增加到8~10美元。 展望未來三年,全球智慧手機市場可望因5G新機帶動出貨2~3%之年成長,而5G智慧手機預期在2020年有明顯拉貨,一則預期來自全球5G頻譜資源配置大致底定,二則從上游晶片端來看,主要手機晶片業者規劃5G SoC量產期落於2020上半年。因此,預估2020年將藉由品牌商5G新機以及電信商5G購機服務的補貼方案,可望帶來智慧手機的新動能。同時零組件與品牌業者也將持續致力5G手機成本的降低,以吸引消費者青睞。
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無晶體無線MCU穿針引線 IoT產品成本/性能/體積兼顧

無線微控制器為物聯網基礎 物聯網這個詞彙,描繪連線的各個面向,從汽車工廠中採用機器學習的自動化過程到遠端控制烤麵包機。這實際上是一個合適的詞彙,因為在許多情況下,「物聯網支援的產品」可能是指在需要下一階段自主功能範圍內任一系列「物件」(試想人工智慧),也可能指有助於生活更輕鬆的物件(例如烤麵包機)。 不可否認的是連線的需求相當普遍且不會改變,而且正在徹底改變建構問題陳述及其解決方案的方式。若沒有物聯網,今天就不可能討論數據的力量並運用從數據中獲得的情報提升生活品質。支援這些連線產品的核心技術就是無線MCU,它可將傳統的獨立感測器節點與網際網路對接。 雖然這些無線技術目前愈來愈廣泛被採用,但是物聯網的發展仍然受到多種因素的限制,包括產品上市時間變長、成本增加和產品尺寸變大(無線技術造成額外的複雜性設計)。本文將以BAW技術的無晶體無線MCU為例,說明將如何解決上述問題。 簡化物聯網設計性能仍須維持 BAW技術是整合式微機電(MEMS)單晶片諧振器的核心推動元素,諧振器是由夾在兩個電極之間的壓電材料組成(圖1)。這種材料可以將電能轉換為機械聲能,產生可靠的振盪,藉以產生高頻且穩定的時鐘輸出。穩定的時鐘可做為射頻(RF)計時的精確來源,使得射頻核心能夠可靠運作,而不會影響頻率誤差和嚴格溫度容許偏差等等的參數。 圖1 壓電材料做為諧振器,(a)為矽晶片;(b)為採用的BAW技術。 這項技術現已整合在TI的SimpleLink 系列無線MCU中,使得MCU不需要任何外部振盪器即可運作。如圖1所示,BAW諧振器完全整合在7mm×7mm四方扁平無引線(QFN)的CC2652RB裝置封裝中。透過提供精確的參考頻率為數位鎖相環(PLL)提供服務,使得PLL能夠在48MHz穩定運作。 為了在此溫度和電池(電壓)條件下實現優異的頻率穩定性,BAW諧振器擁有主動補償能力。這種主動補償在整合式射頻核心中執行,不會影響應用的MCU頻寬,而且使得裝置能夠在整個工作電壓(1.8V~3.6V)和溫度(-40℃~85℃)範圍提供40ppm的嚴格頻率誤差。 相形之下,外部48MHz晶體在室溫下出現合理的頻率誤差(典型值約10ppm),但是在整體工作範圍內往往會出現數十倍ppm的變化。因此,可以消除晶體選擇的複雜性(特別是在需要滿足嚴格的ppm要求時),藉以簡化設計決策。 無晶體設計的其他優點還包括平均節省晶體成本0.40美元~0.80美元,更不用說因為簡化材料清單而明顯降低晶體採購的風險(在外部晶體的交付週期很長的情況之下)。 圖2顯示裝置上整合式BAW諧振器與現成外部晶體的頻率誤差所呈現的典型範例圖。可以看出,無晶體無線MCU的頻率準確度與使用外部晶體的無線 MCU一樣好。注意對於Bluetooth Low Energy、Thread和Zigbee等通訊協定,40ppm是所需的頻率誤差規格,才能保持連線完整性,並確保資料傳輸的可靠。 圖2 CC2652RB無晶體無線SimpleLink MCU射頻準確度。 另外,可以在圖3中看到,支援BAW 的裝置處於同等狀態,而且不影響接收器靈敏度,或在工作狀態下出現性能下降。 圖3 CC2652RB MCU的接收器靈敏度。 現在,已經解決性能的重要面向,包括工作條件下的頻率誤差和接收器靈敏度,接著來看看整合式BAW技術的功耗。採用這種技術時,最好考量Bluetooth Low Energy等等標準無線通訊協定的使用情況。 請注意,BAW諧振器能緊密整合到Bluetooth Low Energy堆疊,且軟體能夠以智慧的方式開啟諧振器(工作週期),以大幅降低功耗。使用整合式BAW諧振器,通常會在500µA的範圍內產生額外的功耗。表1說明典型的工作週期應用,使用BAW諧振器時有功耗的增加導致總功耗的增加最小化。 可以發現頻率準確度對於接收器靈敏度的另一個重要影響是,接收器可以在保持預期PER(封包錯誤率)時識別最弱的訊號。 連網產品呈現的新興趨勢是無線技術擴及醫療市場,提供顯著生活品質的改善。物聯網的許多應用包括心律調節器、連續血糖監測儀、輸液泵和遠端患者監控系統已證實是改變遊戲規則的主因,能夠以簡單且低成本的方式在全球發展高品質醫療服務。在醫療穿戴式設備中,實現無線連線必須考量最重要的設計考量因素:空間最佳化。在這種情況下,很容易看出節省的每平方公釐空間對於產品的使用極為重要。 圖4顯示使用外部晶體的CC2652R裝置電路板配置圖。該圖特別顯示外部晶體使用的空間以及所需的走線路徑。綜上所述,無晶體MCU實現前所未有的整合度,為物聯網產品帶來令人振奮的新境界,改變在邊緣節點中採用、實現和使用無線技術的情況,同時提供更智慧的方式進行連線。 圖4 電路板配置顯示Launchxl-cc26x2r1上的外部晶體使用的空間。 (本文作者皆任職於德州儀器)
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德州儀器推出全新BAW嵌入式處理/類比晶片

德州儀器(TI)近日宣佈推出全新基於體聲波(Bulk Acoustic Wave, BAW)的嵌入式處理和類比晶片,非常適合建構下一代網路連接和通訊基礎設施。透過BAW技術,TI開發的兩款裝置分別為SimpleLink CC2652RB無線微控制器(MCU)與LMK05318網路時鐘同步器。它們能協助系統設計師簡化設計邏輯、縮短產品上市時間,同時實現穩定、簡化和高性能的數據傳輸,從而減少潛在的整體開發和系統成本。 具有分離式計時和石英晶體裝置的通訊和工業自動化系統可不僅成本高昂,且開發過程複雜、耗時,通常性能還會受到環境壓力的影響。採用TI BAW 諧振器(resonator)技術的新裝置整合了參考計時諧振器能以小系統尺寸提供最高頻率。此裝置的高度整合性能夠有效提升性能並增加對於機械應力(mechanical stresses)的抗壓性,例如震動和衝擊等。由於BAW技術能夠實現穩定的數據傳輸,使有線和無線訊號的數據同步更為精確並能進行連續傳輸,這將代表其可以迅速且不間斷地處理數據,以達到效率最大化。 SimpleLink多重協定標準CC2652RB無線MCU具有更小的電路板面積,CC2652RB在QFN封裝內整合了一個BAW諧振器,因此無需外加高速48-MHz 晶體。CC2652RB單晶片上能支援Zigbee、Thread、低功耗藍牙及2.4-GHz自定義的連線解決方案,是一款超低功耗的多重標準裝置。有別於市場上其他石英解決方案,CC2652RB可在-40°~85°C 寬廣的溫度範圍內正常運作,進一步在更廣泛的應用與環境中實現更多設計選項和靈活性。 TI搭配BAW諧振器的新型單通道網路同步器時鐘,適用於400 Gbps 傳輸,有助於系統更快地傳輸更多數據,同時還提供比同類競爭裝置更高的系統訊號抖動(jitter)預算容限。憑藉極低的抖動和業界最佳的無中斷切換(hitless switching)性能,LMK05318更針對56 Gbps和新興的112 Gbps 四階脈衝振幅調變(pulse-amplitude modulation-4 links)提供了最低位元錯誤率,以實現更佳的網路性能。相較於競爭對手的解決方案,由於無需系統內程式設計、簡化的電源供應需求及減少的輔助零組件的材料零件清單(BOM),LMK05318大幅精簡了印刷電路板設計階段,同時提供更高的時鐘性能。
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