芯片組專用 IPD 簡化了下一代無線物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的開發(fā)

對(duì)于下一代低成本、電池供電的無線物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，設(shè)計(jì)目標(biāo)是在小型化封裝中提供卓越的射頻信號(hào)范圍和穩(wěn)定性，同時(shí)降低功耗。因此，領(lǐng)先的射頻芯片組和組件制造商越來越多地微調(diào)和改進(jìn)他們的產(chǎn)品來做到這一點(diǎn)。

根據(jù) Semtech 的網(wǎng)站，LoRa 和 LoRaWAN 已經(jīng)是“全球物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)事實(shí)上的技術(shù)”，將為各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供遠(yuǎn)程連接，包括下一代“智能”一切——城市、家庭、建筑、農(nóng)業(yè)、計(jì)量、供應(yīng)鏈和物流等。

為了完成這項(xiàng)減少 PCB 有效面積的任務(wù)，Semtech 等領(lǐng)先的芯片組制造商創(chuàng)建了參考設(shè)計(jì)——系統(tǒng)的技術(shù)藍(lán)圖——第三方可以根據(jù)其產(chǎn)品應(yīng)用的需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)整和修改。

參考設(shè)計(jì)用作平臺(tái)概念的證明，通常針對(duì)特定用途。目標(biāo)是通過使用來自高頻陶瓷元件（包括芯片天線、集成濾波器/平衡不平衡轉(zhuǎn)換器、高 Q 電容器和 EMI 芯片濾波器）的領(lǐng)先者 Johanson Technology 的前端解決方案，將產(chǎn)品快速推向市場，從而減少OEM 集成項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)。

“起點(diǎn)是芯片組，但芯片組需要特定的射頻電路來連接天線，”約翰森技術(shù)公司的高級(jí)射頻產(chǎn)品和業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理 Manuel Carmona 說。

特別是對(duì)于 LoRa 平臺(tái)，將所有射頻組件集成到一個(gè)更小、更薄的封裝中的能力只會(huì)增加芯片組對(duì)小型化、電池供電的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的吸引力。如果沒有這個(gè)選項(xiàng)，原始設(shè)備制造商將不得不設(shè)計(jì)整個(gè)電容器/電感器方案并將許多單獨(dú)的組件安裝到印刷電路板上。

“原始設(shè)備制造商現(xiàn)在可以選擇使用集成解決方案，而不是電感和電容器分立解決方案，”Carmona 說?！笆褂?Johanson 集成無源器件 [IPD] 可使最終的 PCB 尺寸更小、更簡單。此外，布局幾何形狀的任何變化都會(huì)影響輸出性能、電池壽命和信號(hào)范圍?！?/p>

在這種情況下，所需的射頻電路用于使用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和巴倫以特定阻抗比將信號(hào)從差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)。由于差分、兩針輸入/輸出配置與單端天線連接，大多數(shù)芯片組都需要這種類型的轉(zhuǎn)換。

“對(duì)于許多芯片組，直接從芯片組輸出的輸出通常不匹配 50 Ω，這需要一個(gè)必須設(shè)計(jì)的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，以避免電源信號(hào)丟失、電池壽命縮短和信號(hào)下降范圍，”卡莫納說。

為滿足這些要求，Johanson Technology 與 Semtech 合作開發(fā)了一種 IPD，用作阻抗匹配巴倫濾波器。

IPD 采用低溫共燒陶瓷 (LTCC) 技術(shù)制造，允許無源元件“三維”分層，提供與 10 到 40 個(gè)獨(dú)立射頻元件相同的功能。采用這種方法，芯片組和天線之間的整個(gè)前端都采用單個(gè)超薄封裝制造，該封裝的總尺寸不到由分立元件組成的同一電路的總尺寸的 40%。

該器件結(jié)合了阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、平衡不平衡轉(zhuǎn)換器和濾波器，整個(gè)前端射頻電路被縮減為單個(gè) EIA 0805 (2.0 × 1.25 mm) SMT 組件。

阻抗匹配巴倫濾波器設(shè)計(jì)用于在歐洲使用的免許可 868-MHz 射頻頻段以及澳大利亞和美洲使用的 915-MHz 頻段內(nèi)工作。該產(chǎn)品與 Semtech 的 LoRa 和 LoRa 智能家居射頻收發(fā)器SX1261、SX1262 和 LLCC68 無縫配對(duì)。

“IPD 是使用 Semtech LoRa 芯片組的 OEM 的即插即用解決方案，”Carmona 說?！巴ㄟ^與領(lǐng)先的制造商合作，我們完成了所有研發(fā)并確保它針對(duì)特定芯片進(jìn)行了優(yōu)化。它不僅可以工作，而且符合任何 FCC 和 ETSI 監(jiān)管排放要求?！?/p>

IPD 提供了另一個(gè)顯著優(yōu)勢：提高了可靠性。通過在小型 LTCC 封裝內(nèi)創(chuàng)建實(shí)際電路，與安裝許多分立元件相比，幾乎消除了可變性和潛在故障點(diǎn)。

“我們必須保證這個(gè)小得多的解決方案的性能與更大的離散解決方案相同或更好，”Carmona 說。“因此，每個(gè)集成封裝都經(jīng)過徹底 100% 的射頻測試，以確保所有組件都正常工作并集成在一起?！?/p>

Carmona 表示，Johanson Technology 在材料開發(fā)方面的背景是能夠在如此小的封裝中創(chuàng)建整個(gè)電路的關(guān)鍵。該產(chǎn)品在 LTCC 制造工藝中采用了一種新穎的專有陶瓷材料，旨在將性能提高到高 Q 水平。

制造 IPD 的過程類似于已經(jīng)用于制造多層 SMD 組件（例如電容器和電感器）的技術(shù)。然而，LTCC 制造允許將電路嵌入到 3D 封裝中多達(dá) 40 個(gè)單獨(dú)的層中，該封裝仍然非常低調(diào)。

“首先，我們是一家材料公司，”Carmona 說?！拔覀冋诓粩嚅_發(fā)新的陶瓷材料，以更好地集成電路、降低功耗并消除功率損耗。”

由于 IPD 需要更少的電路板空間，因此具有射頻電路的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以設(shè)計(jì)成更小的外形尺寸。

“由于 PCB 空間處于最佳狀態(tài)，無源元件的尺寸和布局至關(guān)重要，因?yàn)殡S著一切變得越來越小，在板上放置更多元件變得越來越困難，”Carmona 說?！耙虼耍O(shè)計(jì)工程師正在尋求組件制造商提供幾乎不占用實(shí)際電路板空間的小型化解決方案?！?/p>

除了尺寸之外，更小的 PCB 也會(huì)影響產(chǎn)品的美感，從而實(shí)現(xiàn)纖薄、低調(diào)。以 10:1 或更高的比例消除組件也降低了設(shè)備的整體重量，即使節(jié)省的成本以十分之一克為單位。

審核編輯 黃昊宇