哪一種藍牙MCU最適合您的設計?

作者 : Donnie Garcia,NXP系統與應用工程師

當今的Bluetooth MCU是整合的「微」奇蹟,甚至為空間最受限的嵌入式設計最佳化,將CPU、記憶體資源和周邊元件以及射頻(RF)功能所需的元件封裝在一起。但Bluetooth MCU的型號多到令人眼花繚亂,該如何選擇?

當今的藍牙(Bluetooth)微控制器(MCU)是整合的「微」奇蹟。甚至為空間最受限的嵌入式設計最佳化,將CPU、記憶體資源和周邊元件以及射頻(RF)功能所需的元件封裝在一起。但Bluetooth MCU的型號多到令人眼花繚亂——或可稱為「藍色陰影」(shades of blue)?如何選擇才能開始進行設計呢?

為了幫助縮小選擇範圍並為您的設計找到恰當的Bluetooth MCU,可以考慮裝置的功能性以及RF性能這兩種不同參數。以下分別討論每項參數。

功能變化

這涵蓋了Bluetooth MCU的「能」與「不能」之處。需要考慮的關鍵區別在於所支援的藍牙版本、專有協議的使用以及MCU的連接資源。

  • Bluetooth SIG版本(4.2、5.0、5.1等)

Bluetooth SIG的每個標準版本中,都有必選和可選功能。必選功能確保認證裝置滿足最低限度的功能性,而可選功能,顧名思義,是幫助實現諸如改善功耗、擴展範圍或支援新用例等功能。例如,遠端連接、測向和廣告擴展等可選功能。值得注意的是,大多數的可選功能只有在兩側都存在無線連接時才起作用。要瞭解某種MCU的可選功能,請仔細查看產品規格。例如,恩智浦半導體(NXP Semiconductors)的產品組合提供4.2到5.0實作版Bluetooth MCU。Bluetooth 5.0 KW38支援5.0的所有備選功能,包括遠端功能(參考以下視訊瞭解其如何運作)。

  • Rx/Tx專有 場景

許多藍牙產品支援您存取並控制RF,讓裝置可以支援專有的接收和發送(Rx/Tx)場景。如果您想在提供較低延遲和較低功耗的特定頻段內通訊,這些場景將非常有用。這些Rx/Tx專有場景不在標準範圍內,因此可能很難知道支援該協定需要什麼。NXP KW系列和QN908x採用獨立的通用頻移鍵控(FSK)鏈路層完善了藍牙堆疊軟體,採用此藍牙產品驗證的軟體API簡化了開發專有協議的任務。

  • 連線資源

有幾個參數屬於這一類,最常見的是裝置可以支援的周邊數量、接受或配對裝置清單的大小以及可解析的專用位址數量等。一般來說,運算性能更高的Bluetooth MCU提供更多的連接資源。最簡單的裝置通常最多支援三個連接,而NXP的Bluetooth MCU產品組合支援8到16個裝置。

性能變化

此類別涵蓋了特定Bluetooth MCU執行RF相關功能的良好情況。需要考慮的關鍵特性包括Rx靈敏度、Tx輸出功率和Tx/Rx功耗。

  • Rx靈敏度

這要衡量Bluetooth MCU檢測和處理無線資料所需的訊號強度,通常表明了具有挑戰性的環境中訊號性能的穩健程度及其支援的射程。裝置越靈敏,射程就越長。Rx靈敏度通常以特定的調變和位元速率表示,例如低功耗(LE)藍牙的靈敏度為1 Mbps。請注意,靈敏度測量使用對數刻度,因此微小的差異都會對訊號性能產生影響。例如,額定值的範圍從-93dBm到-98dBm,這是訊號較好情況的兩倍多。規定的靈敏度通常是考慮的起點,因為它表示最佳情況。其他需要考慮的因素還有天線、PCB以及甚至裝置封裝(晶圓級封裝通常性能更好)。例如NXP QN908x系統級封裝(帶NFC的SiP0,規格為-92.7dBm)和Bluetooth 5.0 MCU (可達到-98dBm)。

  • Tx輸出功率

測量RF傳輸的功率大小。為了減少對外部功率放大器(PA)的需求,Bluetooth MCU有時整合自己的PA,以便能將RF功率提升到更高水準。更高的輸出功率可擴展傳輸範圍並克服環境對傳輸的影響。當今的整合發射功率額定值從0dBm到近20dBm。添加外部PA所能達到的水準可能超出僅使用整合功能的水準。NXP提供從2dBm到15dBm (最近發佈的K32W041A)的Tx輸出功率範圍。

  • Tx/Rx功耗

測量Bluetooth MCU啟用RF接收或發送模式所需的功率。這是電池供電應用的重要參數。它通常表示為特定電壓級的電流。發射功率通常以標稱發射輸出功率(0dBm)表示,以便更容易瞭解Bluetooth無線裝置的節能情況。較低的Tx和Rx峰值電流可能會延長電池壽命,但這在很大程度上取決於應用需要完成的任務。最先進的Bluetooth MCU在Tx和Rx場景中的功率低於12mW。未經最佳化的Bluetooth MCU可能需要高達40mW的功率,這對於較小的電池來說並不理想,但對於壁掛式供電的應用(如燈泡)來說,可能會是不錯的選擇。NXP高度最佳化的QN908x支援功率低於12mW的Tx/Rx,以及其他更接近20mW的解決方案,同樣是用於電池供電運作的理想選擇。

其他考慮因素

除了功能性和性能,與嵌入式設計相關的其他因素也會影響您的選擇。例如,記憶體量、周邊元件數量以及支援省電模式等特定MCU功能,在選擇過程中都起著重要作用。從更廣泛的角度來看,還要考慮哪些有助於簡化開發和差異化設計。此時軟體支援、技術支援和互補產品也不可缺。

如同知名的紐約珠寶品牌Tiffany & Co. 使用淺色的知更鳥蛋藍(robin-egg blue)作為註冊商標,並將其稱為Tiffany Blue。這可能是我所認為「擁有你自己的藍」(owning your blue)之極端版本,但卻是這是一個很好的例子,說明恰當的顏色——或者恰當的產品版本——可以展現與眾不同的效果。如今,有這麼多的Bluetooth MCU可供選擇,只要仔細評估,您也可以找到屬於自己的指標性藍色。

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