Bluetooth 5.1 SoC: Ultra-compacte, laag-kost oplossing voor IoT-apparaten

Bluetooth Low Energy (BLE) is de ruggengraat van het IoT-ecosysteem geworden, wat korte-afstand, laag-vermogen draadloze links mogelijk maakt die batterijgevoede gadgets maanden of zelfs jaren laten draaien. De explosieve groei van fitness-trackers, smartwatches en andere wearables heeft de adoptie van BLE in de industrie versneld.

Een typisch Bluetooth-apparaat (Fig. 1) bestaat uit een host en een controller. De host draait de Bluetooth-stack en host-zijde applicatielogica, terwijl de controller basisband-operaties afhandelt voor zowel klassiek Bluetooth (BR/EDR) als BLE. Beiden communiceren via de host-controller-interface (HCI).

Fig. 1: Blokdiagram van de Bluetooth single-mode en dual-mode architectuur.

BLE verscheen eerst in Bluetooth 4.0, met opeenvolgende revisies 4.1 en 4.2 die incrementele verfijningen toevoegden. De echte sprong kwam met Bluetooth 5, dat een 2 MB/s datasnelheid introduceerde, een viervoudige toename in dekking tot 240 m, en significante verbeteringen in stroomzuinigheid.

Bluetooth 5.1, aangekondigd eind 2018, bouwde op die winsten door locatiecapaciteiten toe te voegen. De standaard ondersteunt twee positioneringstechnieken - angle of arrival (AoA) en angle of departure (AoD) - waarmee apparaten elkaars positie met meter-nauwkeurigheid kunnen bepalen.

Vandaag de dag vertrouwen de meeste wearables op BLE omdat het een kosteneffectieve, ultra-laag-vermogen oplossing biedt die door een kleine batterij maanden of zelfs jaren gevoed kan worden. Dialog Semiconductor heeft wat het noemt de kleinste en meest energie-efficiënte Bluetooth 5.1 SoC geïntroduceerd, de DA14531. De bijbehorende module stroomlijnt ontwikkeling en opent bredere mogelijkheden voor IoT-implementaties.

De SmartBond TINY SoC is gebouwd rond een 32-bits ARM Cortex-M0+ kern, met geïntegreerde geheugens en een uitgebreide set aan analoge en digitale peripherieapparaten. Door deze functies strak te integreren, verkleint Dialog de footprint van BLE-oplossingen terwijl de prestaties hoog blijven. In grote volumes kan de SoC's BLE-capaciteit voor zo laag als $0,50 worden toegevoegd.

Zijn 2,0 × 1,7 mm verpakking maakt de DA14531 ideaal voor ruimtebeperkte apparaten zoals elektronische stijlen, planklabels, beacons en actieve RFID-tags voor asset-tracking. De chip past ook bij toepassingen die provisioning vereisen, zoals camera's, printers en draadloze routers.

De DA14531 breidt draadloze connectiviteit uit in het connected-medical arena. Potentiële use cases omvatten inhalators, medicijndispensers, weegschalen, thermometers en glucometers (Fig. 2).

Fig. 2: Blokdiagram van de DA14531.

Behuist in een 2,0 × 1,7 mm verpakking, is de SmartBond TINY ruwweg half zo groot als de voorgangers, volgens Dialog. De SoC heeft slechts zes externe componenten nodig - een enkele klokbron en een voeding - om een compleet laag-energie Bluetooth-systeem te vormen (Fig. 3). Deze minimale footprint stelt ontwerpers in staat de chip in vrijwel elk RF-monitoring-ontwerp te integreren.

"De externe componenten zijn echt beperkt; twee condensatoren zijn vereist. De stroominductie kan onder bepaalde omstandigheden worden overgeslagen," zei Adrie Van Meijeren, product marketing manager Americas, Bluetooth Low Energy, bij Dialog Semiconductor.

Fig. 3: Alkaline batterijcel aangedreven systeemdiagram — boost-configuratie.

De module-ontwerp garandeert levensduur en betrouwbaarheid zelfs met kleine batterijen, en bevrijdt klanten van de last van het certificeren van hun eigen platforms, wat tijd, moeite en kosten bespaart. De DA14531's geïntegreerde DC/DC-converter ondersteunt een wijd invoerbereik van 1,1 V tot 3,3 V.

"Wat batterijen en de DC/DC-converter betreft, kunnen we met elke 1,4-V/1,5-V batterij werken naast 3-V muntcelbatterijen. Omdat de boost-converter aan boord is, verlaagt het de kosten. De DC/DC-efficiëntie hangt iets af van de inductie-kwaliteit, maar je kunt rond 85% efficiëntie bereiken," legde Van Meijeren uit.

"De DC/DC-functie is cruciaal, vooral voor wegwerbbatterijen. Deze batterijen hebben vaak kleine capaciteiten - rond 15 mAh. De boost-converter's opstartstroom beperkt de inductie en condensatoren, en we bieden een stroombegrenzer die kan worden ingesteld tussen 6 mA en 96 mA, wat ons in staat stelt om te starten vanaf elke batterij, ongeacht de toestand," voegde hij toe.

Met BLE's ultra-laag stroomverbruik kunnen veel toepassingen op een enkele kleine batterij vier of vijf jaar draaien, wat essentieel is voor apparaten die alleen kleine databursts intermittierend uitwisselen.

Dialog biedt ook de DA14531 SmartBond TINY Development Kit, die de SoC omvat en twee mikroBUS-headers en een Arduino-interface voor uitgebreide functionaliteit biedt (Fig. 4).

Fig. 4: DA14531 SmartBond TINY Development Kit Pro.

Bluetooth is aanwezig in ongeveer 8,2 miljard apparaten wereldwijd, van smartphones tot laptops. Cisco voorspelt dat er in 2020 meer dan 50 miljard slimme apparaten in gebruik zullen zijn, met Bluetooth SIG die tot een derde ervan ondersteunt.

Met miljarden BLE-ingeschakelde apparaten op de markt is het bereik van toepassingen vrijwel onbeperkt. Het selecteren van BLE voor een project vereist zorgvuldige overweging van vormfactor, elektrische kenmerken, gewenste functionaliteit, software-ontwikkeltools en technische ondersteuning.