組合芯片應(yīng)對(duì)無線融合的技術(shù)挑戰(zhàn)

考慮到移動(dòng)設(shè)備對(duì)藍(lán)牙、Wi-Fi及其他連接技術(shù)日益增加的需求，制造商們正在尋求在越來越小的產(chǎn)品中增加這些功能的方法。不過，給手機(jī)和其他緊湊型設(shè)備添加多種無線技術(shù)會(huì)導(dǎo)致以下幾種設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)：更高的成本、更短的電池壽命、占用更大的空間以及更多的無線干擾。

正如各種無線技術(shù)正在融合以滿足新的消費(fèi)需求并創(chuàng)造新的使用模式一樣，芯片公司也正在芯片級(jí)整合這些無線技術(shù)，以應(yīng)對(duì)無線融合帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)。芯片制造商現(xiàn)在不是提供幾種分立組件，而是將多種無線技術(shù)(如Wi-Fi、藍(lán)牙、FM radio和GPS)整合到單一芯片上。這種“組合芯片”具有極大的優(yōu)勢(shì)，可克服設(shè)計(jì)具有最新連接功能的小型移動(dòng)設(shè)備的挑戰(zhàn)。由于這些優(yōu)勢(shì)，IDC預(yù)計(jì)，到2012年，在所有為手機(jī)交付的無線連接解決方案中，組合芯片將占近2/3，這顯示了這種整合方式的優(yōu)勢(shì)所在。

評(píng)估分立無線解決方案和組合芯片的制造商必須考慮以下設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：

性能

為了在殘酷的手機(jī)市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)，廠商一直在努力提供最新功能和更好的用戶體驗(yàn)。功能和用戶體驗(yàn)都是吸引新客戶和保持品牌忠誠(chéng)度的關(guān)鍵。如果一種無線功能不能像預(yù)期那樣奏效，消費(fèi)者就會(huì)變得沮喪，而且可能會(huì)完全停止使用該項(xiàng)功能，或者甚至更糟――轉(zhuǎn)而使用另一個(gè)品牌的手機(jī)。

在給手機(jī)增加多種無線技術(shù)時(shí)，制造商不會(huì)勉強(qiáng)接受低于預(yù)期的性能。新設(shè)備必須表現(xiàn)得與前幾代一樣好或更好。因?yàn)樗{(lán)牙和Wi-Fi技術(shù)在不斷發(fā)展，所以將最先進(jìn)的功能整合到組合芯片中是一項(xiàng)艱難的任務(wù)。因此，手機(jī)制造商必須尋找具有以下特點(diǎn)的芯片廠商：不僅擁有全面的無線產(chǎn)品線，而且在為移動(dòng)設(shè)計(jì)整合不同技術(shù)方面擁有出色的成功業(yè)績(jī)。

共存與干擾：

對(duì)于確保采用Wi-Fi和藍(lán)牙的設(shè)備能夠提供盡可能最佳的用戶體驗(yàn)，多種無線技術(shù)共存也是至關(guān)重要的。因?yàn)檫@兩種技術(shù)都使用2.4GHz頻帶，所以同時(shí)進(jìn)行傳送可能嚴(yán)重降低性能，并使兩種無線技術(shù)都失效。盡管藍(lán)牙使用自適應(yīng)跳頻(AFH)方法來減輕在2.4GHz頻帶的干擾，但當(dāng)藍(lán)牙和Wi-Fi無線單元間射頻隔離度很低時(shí)，與在手持式設(shè)備中的情況一樣，自適應(yīng)跳頻是不夠的。

如同你能想象到的那樣，在同一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)這兩種無線技術(shù)時(shí)，共存問題更為嚴(yán)重。為了減輕因距離過近而產(chǎn)生的干擾，大多數(shù)芯片制造商都在藍(lán)牙和Wi-Fi芯片之間采用標(biāo)準(zhǔn)3線共存接口。不過，像Broadcom這樣的領(lǐng)先廠商已經(jīng)開發(fā)出了獨(dú)特的算法和硬件機(jī)制，這些算法和機(jī)制可以智能化地管理2.4GHz頻帶。這種先進(jìn)的方法用來使傳送同步、避免沖突且為藍(lán)牙和Wi-Fi找到最干凈的頻道和時(shí)隙。從而使現(xiàn)今的組合芯片性能比分立解決方案高。

組件尺寸和成本

隨著移動(dòng)設(shè)計(jì)越來越小、越來越便宜，每個(gè)組件的尺寸和成本成了關(guān)鍵因素。無線組合芯片不僅比多種獨(dú)立芯片小，而且它們組成系統(tǒng)所需要的外部組件更少。例如，分立的Wi-Fi和藍(lán)牙系統(tǒng)一般需要約200個(gè)組件，包括功率放大器(PA)、平衡轉(zhuǎn)換器(Balun)、低噪聲放大器(LNA)，等等。通過在藍(lán)牙和Wi-Fi系統(tǒng)之間共享多個(gè)重復(fù)組件，并將其他組件整合到芯片上，組合解決方案可以將組件數(shù)量削減到40個(gè)。

當(dāng)你把這些組件繪制到一個(gè)電路板布局圖上時(shí)，分立解決方案的占板面積大約為200mm2，而組合芯片僅為75mm2。除了節(jié)省電路板空間，更少的組件顯然降低了制造商的物料成本。已有半導(dǎo)體供應(yīng)商將大功率CMOS功率放大器集成到了組合芯片上，這樣不僅去掉了外部功率放大器的成本，同時(shí)又不會(huì)犧牲系統(tǒng)的性能。像這樣的創(chuàng)新將繼續(xù)使手機(jī)制造商能夠更經(jīng)濟(jì)地將組合芯片應(yīng)用到多種類型的手機(jī)中。

天線放置

隨著多種無線技術(shù)而來的是多種天線。除了一個(gè)或更多的蜂窩天線，今天更先進(jìn)的手機(jī)還必須含有分別用于藍(lán)牙、Wi-Fi、FM和GPS的天線。這不僅增加了系統(tǒng)成本，還給電路板布局造成了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。有些組合芯片通過共享藍(lán)牙和Wi-Fi無線技術(shù)的天線系統(tǒng)，可以幫助減輕這些挑戰(zhàn)。

電源管理：

電路板上的組件越多，消耗的功率就越多，產(chǎn)生的熱量也越多，所有這些因素都將影響電池壽命。我們已經(jīng)提到，組合芯片需要的組件更少，這降低了總體功耗。但是，更重要的是，芯片制造商設(shè)計(jì)組合芯片時(shí)采用的工藝技術(shù)。領(lǐng)先廠商正在使用65nm工藝節(jié)點(diǎn)，這可實(shí)現(xiàn)更高的效率、更緊密的芯片集成和更低的功耗。結(jié)果，制造商可以給設(shè)備增加Wi-Fi和藍(lán)牙功能，而不必?fù)?dān)憂電池壽命無法接受。

為了進(jìn)一步滿足手機(jī)和其他便攜式設(shè)備復(fù)雜的功率需求，有些組合芯片集成了一個(gè)電源管理單元(PMU)。這類電源管理單元可以監(jiān)視使用模式，并優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行，以最大限度地延長(zhǎng)電池壽命。例如，智能“休眠”和“喚醒”模式可以給組件斷電，最大限度地減少設(shè)備未使用時(shí)所浪費(fèi)的功率。有些電源管理單元具有一套全面的軟件和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，以能夠?qū)傻木€性和開關(guān)穩(wěn)壓器輸出電壓編程，或?qū)崿F(xiàn)啟動(dòng)排序，從而快速和高效率地使電源和集成的組件之間產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。

總結(jié)

在移動(dòng)設(shè)備功能合并的推動(dòng)下，組合芯片成為半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的下一個(gè)大的浪潮。這類高度集成的解決方案比分立無線解決方案具有更低的功耗、更小的占板面積、更經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)選項(xiàng)和更高的性能，從而非常適用于手機(jī)等便攜式設(shè)備。隨著這些移動(dòng)設(shè)備越來越以媒體為中心，消費(fèi)者需要更多的連接功能，以使他們能夠獲取、欣賞并在設(shè)備之間分享數(shù)字媒體內(nèi)容。為了滿足這種需求，設(shè)備制造商希望領(lǐng)先的芯片制造商提供反映這種新現(xiàn)實(shí)的組合解決方案。

圖：BROADCOM公司最新的組合芯片之一，整合了802.11N WI-FI、藍(lán)牙和FM RADIO。此外還獨(dú)特地集成了CMOS功率放大器。