拆解：仅0.5美元的Dialog最新蓝牙芯片架构设计实例

万物互联虽然还只是个美好的愿景，但越来越多更加智能的物联网应用，确实正在让我们的工作和生活变得便捷和有意思。随着可穿戴设备、自动驾驶、智能家居等新兴领域的崛起，数以亿计的物联网设备将接入网络。据BI Intelligence预测，到2025年全球将安装超过550亿个物联网设备。优秀的企业总是能看的远并读懂时代的需求，并抢先赢得市场。Dialog半导体公司便是这样的一家企业。他们总是在不断探索新的市场中，获得长足的发展。

11月，Dialog半导体公司推出了最新的全球尺寸最小、功率效率最高的蓝牙5.1 SoC SmartBond TINY DA14531及其模块。据介绍，DA14531具备高集成度，仅需6颗外部无源器件、1个时钟源、1个电源即可实现完整的蓝牙低功耗系统，尺寸仅为其前代产品的一半，封装尺寸仅为2.0 x 1.7 mm。SmartBond TINY模块结合了DA14531主芯片的各项功能，尺寸预计小于 10x16mm，并完成跨地区全面认证，客户可以轻松快速的将该SoC加入到他们的产品开发中。

Dialog 半导体公司低功耗连接事业部总监Mark de Clercq回顾产品开发历程时表示，为了实现更小尺寸、更低功耗、更高功率效率的目标，Dialog 半导体公司对芯片架构进行了很多重塑，比如IP电路完全都是全新设计，虽然现在看起来非常简单，但要实现这样的尺寸和功率，确实是做了非常多的创新。

Dialog 半导体公司低功耗连接事业部总监Mark de Clercq

下面，我们跟着DA14531诞生历程，来深度了解下这家伟大公司的创芯历程。

BLE的市场机会在哪？

物联网由感知层、网络层和应用层一一组建而成。在网络层，低功耗成为物联网不可避免的趋势。而蓝牙凭借功耗低、稳定性好、成本低、传输距离与速度性能好等多种优势，已成为物联网终端通讯最佳的解决方案之一。SIG最新发布的《蓝牙市场最新资讯（Bluetooth Maket update 2019）》中指出，2019年全球蓝牙设备出货量40亿台左右，而到了2023年这一数据将增长到54亿台，低功耗蓝牙单模设备年出货量将超16亿，复合增长率大概在8%左右。

不过，虽然物联网有着广阔的应用前景，但因传感器成本高、应用场景多样化、个性需求碎片化、以及大数据积累和深度挖掘程度不够、网络攻击带来的安全隐患等原因，使得物联网发展仍多停留在发展探索阶段。Dialog半导体公司也深谙物联网当前的发展现状，但伟大的公司之所以伟大，不只是跟上市场的发展，更是市场的助推手，不断探索新的市场，使得蛋糕能够做大。

新市场在哪？

Mark de Clercq把物联网理解成金字塔，金字塔底端设备量会比较大，越往上走越高端，设备使用量越小，成本也越高。最顶端的金字塔的塔尖主要是一些定制化产品；逐渐往下走就开始从定制向标准化转变，如标准化可充电设备；再往下走是标准化可替换的设备；最底层的则是标准化一次性设备。其中最底层标准化一次性设备市场机会最大。

IoT金字塔

首先，标准化一次性的底层设备有很多现在是还没有实现无线连接，如打印机、咖啡机、机顶盒、插线板等，因为给它们添加无线连接的成本太高了。其次，还有很多的系统和设备，设备开发者花了很多时间去进行MCU 运行，不想再花更多的时间去给它添加连接功能。此外，大部分这些设备的用户界面并不是非常成熟，或者说多样化，可能就只有几个非常简单的按钮。随着智能时代的到来，用户也希望能让它们变得越来越智能。这时候就可以通过把蓝牙低功耗连接功能用低成本的方式，让它添加到这些设备或系统上去，使得设备上的用户界面能够转移到手机上。这不仅让设置更便捷，从手机上就可以对这些设备进行设置，同时在维护的时候，还可以进行联网诊断，维护人员可以从手机上看到同样用户界面上的一些诊断信息。

此外，还有一类很关键且很现实的应用需求，就是智慧医疗。虽然大家对这个领域已经比较熟悉，但是过去的设备使用还是比较有局限性的。比如说吸入器或注射相关的设备。对于吸入设备来说，比如说有慢性阻塞性肺病的人，像哮喘是需要长期用药的，还有像糖尿病患者需要实时去注射胰岛。对于患者而言，记录自己药物的使用时间、用量和药物类型，每天会是非常大的负担。人在记录的时候，不免会有一些意外情况或记录不准确的时候，比如说吃完药忘记记录，当再想起时靠回忆来补记当时吃药的时间和用量等，这样的记录往往误差很大。医务人员需要准确数据来调整治疗方案的时候，得到不准确的数据就会影响治疗。为了能够减少人为的不确定性，可以用蓝牙低功耗的连接功能，使得吸入器的设备可以直接传送到手机上，然后直接传送到医生那里，这样能够得到更加准确的实时的数据，也能够使得病人得到更好的治疗。

AIoT时代，应用呈现碎片化和多样化，产品开发都要结合到真实的行业应用场景中，才有可能真正得以落地开花。Mark de Clercq介绍说：“DA14531 整体的理念就是要助推下一波十亿无线连接的IoT 设备，尤其是比较专注的消费设备、智慧医疗、工业物联网、智能家具、智能家电等几个垂直行业。这些领域有一个共性，由于设备蓝牙连接成本太贵，而不得不搁浅智能互联。Dialog 希望推出一款新品，保证产品性能的前提下，大幅度降低成本，让更多设备变得智能起来。”

0.5美元：精打细算将成本降至极致

为将蓝牙技术推广普及到更多的设备上，助推下一波十亿IoT设备的智能互联，Dialog半导体公司把把0.5 美元当作是一个门槛，即向任何的系统添加蓝牙低功耗连接功能的成本，要降低到0.5美元。Mark de Clercq介绍说：“0.5 美元的门槛，我们主要是针对高的年用量，也就是1000 万片用量的一次性设备。而且0.5 美元不仅仅包含蓝牙芯片本身，还包括其它如外部的无源器件和晶振等。”

在IoT生态系统的构建中，低功耗成为物联网不可避免的趋势。在降低成本的同时，必须保证性能不仅不能打折扣，最好还能是集成更多功能，拥有更高性能。下面我们一步步拆解，看看这0.5美元是如何实现的。

DA14531 SmartBond TINY 电路框图

首先，我们来了解下这款芯片的架构。具体看DA14531 SmartBondTINY 的电路框图，它支持蓝牙5.1 的核心规范协议栈，有复位电路，有无线电的部分，有所有需要的外设，在左边也有内存的部分。它可以作为独立的芯片系统来使用，同时也可以作为模块嵌入到更大的微控制器单元当中。集成的DC-DC 转换器，不仅支持降压模式、升压模式，还支持旁路模式，使得外围器件可以节省了0.2美元。其中旁路模式是非常必要的，因为有的应用对于成本非常敏感，但对于功率却不太敏感，这时候旁路模式就可以省掉电感器和电容器，这样在整个成本上就能够节省3 美分。Mark de Clercq特别指出，目前Dialog半导体公司是唯一一家公司把升压模式DC-DC 转换器集成到器件当中，或者是蓝牙低功耗器件当中的。

我们再来看输出功率，无线电可编程的输出功率，是-19.5 到2.5dBm，灵敏度是-94dBm。同时又保持了智能唤醒的功能，即便是所有的GPIO 都处于休眠的时候也是保持活跃的，因此有外部的触发可以将它们唤醒。电池的设计变得越来越小，其中重要的一点是不能一次性去吸入太大的电流。在电源管理方面，专门增加了峰值电流限制器，使得从电池当中得到的电流在峰值的时候可以得到限制，不至于一下子把电池给毁坏了。通过这些设计，就能够实现一些关键的数字：

在室温25 摄氏度的时候可以保持240nA 的休眠电流。

如果是在相对低温5 摄氏度进行冷存的时候，可以150nA 的休眠电流。

在睡眠的模式是700nA 以及1.6uA，所有内存都是处于活跃状态，随时可以被唤醒。

Mark de Clercq特别强调说：“发射电流和接收电流的数字并不只是针对无线电，而是整个的发射、接收加在一起的数字。将电流和电压相乘之后，可以实现小于10 甚至小于7 毫瓦的功率，这个数字是非常了不起的。客户可以根据应用需要来灵活调整输出功率。”

此外，DA14531是能够实现真正的单个32MHz 外部晶振的运行。虽然Dialog半导体公司上一代产品也具备这个特点，而且一些竞品也有这样的特点，但是还是有很多的应用会需要32kHz 的外部晶振。因此DA14531的晶振电路做了重新设计，确保90%以上的设备不再需要32kHz 的晶振，可以实现单个32MHz 外部晶振独立运行，并且不会造成功率损耗。在这一块，成本又可降低0.07美元。

我们再来看看DA14531在封装上的表现。首先是芯片的面积，1.7×2.0mm的封装尺寸，可以很大程度上节省晶圆物料。其次，将芯片外部元件保持在最小的量上，外部元件最后把它减少到只剩下6 颗无源器件，包括2 个电感器、3 个电容器和1 个外部晶振，而且也实现了单个外部晶振的运行，不会有任何的功率损耗。封装设计用的是双层电路板的设计，没有微过孔，因为微过孔会增加成本，所以通过这样的设计也节省了电路板的成本。

最后，针对电源、电池，除了考虑节省成本、降低功耗等关键要素之外，Dialog半导体公司还最大程度的考虑设备被废弃之后，电池是否对环境有所影响，宗旨便是将影响降低到最后。经过跟客户的共同努力，最后选择了对环境影响最小的一次性电池，比如说一次性氧化银电池、锌空电池、碱性或钮扣电池。

Mark de Clercq最后总结说：“SmartBond TINY基于强大的32位ARM Cortex M0+，具有集成的内存及一套完整的模拟和数字外设，在最新的IoT连接EEMBC基准IoTMark-BLE上获得了破纪录的18300高分。其架构和资源允许它作为独立的无线微控制器使用，或者为已经有微控制器的现有设计添加RF数据传输通道。SmartBond TINY解决了IoT设备尺寸和成本上升的挑战，它以更小的芯片尺寸和占板尺寸，降低了实现完整系统的成本，并确保性能质量无竞争对手能及。”

蓝牙低功耗连接技术未来可期

Dialog半导体公司有最广泛的蓝牙低功耗SoC和模块的产品组合，主要针对的细分市场是连网消费设备、智慧医疗设备、智能家居和智能家电的市场。迄今为止Dialog已经出货了3亿颗蓝牙低功耗SoC，而且年平均增长率是50%左右。据了解，Dialog半导体公司蓝牙低功耗主要有两个产品系列，均支持最新的蓝牙5.1 标准：一是针对高端市场的DA146XX 产品系列；二是针对中低端市场的DA1469X 系列产品，主打灵活性和简便性。

Mark de Clercq分享说：“此次推出的DA14531芯片已经开始量产，封装提供了FCGQFN和WLCSP两种封装，开发套件提供Pro专业版和USB dongle版本。在软件方面首先支持最新的蓝牙5.1核心规范。它有外设支持，而且可以支持更高的数据速率（码流），同时还有软件的在线升级功能。”

DA14531 SmartBond TINY 开发板

不过，0.5美元的成本（是整个包括外部器件的价格），是基于高年用量即1000 万片的价格，如果用量更大，成本肯定还会相应下降。但如果，客户是低的量，又想更节省成本、更快的上手的话，Dialog半导体公司推出了SmartBond TINY 模块。这个模块是跨地区全面认证的。对于没有RF 经验，又想开发速度更快，而且对蓝牙本身不太了解的客户来说，这个模块就会更容易使用一些。据介绍，高年用量的情况下，该模块成本会小于1美元，如果用量进一步减少，价格会略有上浮。量产时间是2020 年第二季。

Dialog在市场上已经有超过30年的混合信号技术专长，拥有世界一流的IP、快速的设计周期，以及能够快速实现产品的量产。主要关注四个细分行业：物联网行业（包括消费物联网、工业物联网和医疗物联网）、移动市场、汽车市场、存储和计算市场。Dialog半导体公司研究发现，其电源转换、连接技术、可配置混合信号、音频和充电IC产品所针对的市场，预计将以13%的年复合增长率增长，到2021年达到130亿美元的市场总额，这是一个非常庞大的市场机遇。当然，这是Dialog半导体公司的机会，也是你的机会！