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蜂巢式技术一直以来仅用于移动和工业 M2M 应用,然而一种全新的蜂巢式调制解调器即将带来改变。

第一代 (1G) 蜂巢式通讯在 20 世 纪 70年代面世。虽然以模拟系统处理通讯和手机不仅费时失事并且昂贵,但是这个理念得到落实发展,到 1990 年全球用户数量达到了 2000万。

时至今日,这个行业已发展了 28 年,根据代表移动运营商利益的 GSM 协会 (GSMA) 指出,移动电讯用户群现已超过 50 亿。而最新一代蜂巢式技术 4G LTE 在全球70 多个国家的市场渗透率已超过 50%,甚至实现了十年前还无法想象的低价格高画质串流媒体服务。

蜂巢式技术的持续发展和成熟,使得工程师能够优化这种技术,以满足消费者和企业对普遍性、可靠性、安全性和易用性的需求,它还为运营商提供了收入和时间来建设和加强庞大基础设施以支持全球覆盖。

蜂巢式技术的覆盖范围比任何其他无线技术更好,其可靠性来自运营商和设备制造商在多年来不断进行的技术改进和激烈竞争。对构建无线传输系统的工程师而言,安全性是主要考虑因素,也是蜂巢式网络的端至端优先级。蜂巢式技术内建高传输量以满足数百万用户接取串流视讯和其他数据密集型服务的需求。强大的通讯协议以及用于蜂巢式通讯的频谱分配的监管、许可和管理所实现的质量服务保证 (QoS),进一步强化了这些优势。

蜂巢式技术的众多优势已经引起了负责建设物联网 (IoT) 的工程师所注意。蜂巢式技术有望把远程低功耗广域网 (LPWAN) 的 IoT 传感器直接连接到云端。另外,蜂巢式技术可以用作 LPWAN 的基础,而 LPWAN 可充当由低功耗蓝牙或 Thread 等短距离无线技术支持的局域网络 (LAN) 的云端网关。但是在愿景变为现实之前,还有一些工作要进行。

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用于物联网应用的调制解调器

高传输量的蜂巢式技术非常复杂且昂贵,硬件体积庞大且耗电巨大。消费者愿意承担成本并每天为手机充电,因为该技术能无缝接取他们渴望的服务;但是对于 IoT 工程师来说,高传输量蜂巢式技术的高成本、复杂性和功耗,令他们难以建立由数百个紧凑型电池供电的传感器网络,这些传感器是组成 IoT 的组件。

然而,蜂巢式调制解调器已经找到了将昂贵的远程资产连接到云端的利基市场。例如,用于控制智慧配电网的农村智能电子设备 (IED) 会定时通过蜂巢式调制解调器将信息发送回控制中心。像火车站等公共场所的自动售货机之类的商业设备的运营商,可以使用蜂巢式调制解调器将信息发送回总部,而毋须派遣员工以人手检查库存,从而降低营运成本。蜂巢式调制解调器也很受保全公司的欢迎,因为他们不能冒险采用诸如 Wi-Fi 等可靠性较低的无线技术。

但是用于这些应用的调制解调器不适合 IoT。首先,许多 IoT 使用正在逐步淘汰的传统 2G 网络,这些2G 技术无法高效率地利用它们所获分配的频谱,而这些频谱是 4G 和即将到来的 5G 流量非常需要的,因此,这些旧技术实际上到 2025 年前便会消失。其次,蜂巢式 2G、3G 和 4G LTE 调制解调器很贵,体积庞大且功耗很大。因为它们必须设计为符合电讯标准协会的第三代合作伙伴计划 (3GPP) 之中,用于更高类别 ( 更高吞吐量 ) 操作的规范。

考虑到传统调制解调器对 IoT 的独特性、低成本、吞吐量和功耗要求的不利影响,3GPP 在 2015 年发布其第 13 版本的规格时,将调制解调器类扩展到 LTE类别 M1(LTE-M) 和窄频 (NB—IoT)。这一举措鼓励开发用于 IoT 应用的 4G LTE 调制解调器,这些 IoT 应用是使用更高类别单元时难以实现的。

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LPWAN 大规模部署

Nordic Semiconductor 和其他企业认为,LTE和 NB-IoT 调制解调器是最有机会实现 LPWAN 的快速大规模部署和加速 IoT 的发展的技术,原因是 LTE 是一个开放的标准,在 RF 频谱的许可部分运行,利用现有基础设施覆盖以及具有共存机制,这个共存机制允许扩展每个基地站的高节点数。相比之下,与之竞争的 LPWAN 私有技术包括由某些公司拥有和控制的组件,当其他供货商采用时要缴付许可费用并限制产品差异化空间,并且在未经许可的 RF频谱分配 ( 通常在低于 1 GHz 频率 ) 中很难实现共存性,因为这些频谱是共享资源。

从 IEEE 802.11 和蓝牙无线等技术可见,开放标准促进了新技术的快速采用。同样,根据电讯设备制造商爱立信等公司和 GSMA 的看法,低功耗 LTE可能带来“大规模的 IoT”部署。GSMA 独立预测在2017 年和 2021 年之间,蜂巢式 IoT 市场将以约 27%的复合年增长率 (CAGR) 成长,爱立信和 GSMA 都认为低功耗 LTE 是推动这一增长的关键因素。

低功耗 LTE 在全球已分配的许可频率下运行,许可频谱的优势对于许多 IoT 应用特别有利;其中最关键的是频谱分配的拥有者 ( 运营商 ) 可以控制和区分数据的优先级,并且这些频段不受其他 RF传输源的干扰。其次,由于频谱分配不与其他 RF广播共享,因此连接设备之间的共存更容易管理。LTE 的共存技术使用了经过验证的频率和时域解决方案,以及其他机制,例如冲突射频讯号的“自动拒绝”。

因此,LTE 可以支持每个基地站高达 20 万个主动式低功率调制解调器的节点密度。最后,利用 LTE协议传输的数据可避免受到窥探,因为该标准从一开始就融入了先进的安全性。这些功能确保运营商可以提供可靠性和 QoS 服务。

相比之下,私有技术依赖于 RF 频谱的未许可部分,这些部分必须与许多其他服务共享。尽管采用了避免干扰的技术,但由于许多服务共享频谱分配,所以很难达到,更不用说要赶上 LTE 的节点密度、可靠性和 QoS。私有的 LPWAN 供货商也面临着建构基础设施以支持网络的主要挑战。这些很可能是昂贵和冗长的项目,导致采用速度放慢。

目前,全球 LTE 基础设施在很大程度上已经在 157 个国家组成了 480 个网络。为了支持低功耗LTE,需要进行一些升级 ( 主要是软件 ),但与从最初构建基础架构相比,这是微不足道的。由于安装了基础设施,对低功耗 LTE 的支持可能会迅速增加,进一步推动其应用。一些测试装置已经建成,并且一些国家已经有商业部署。到 2018 年底,全球很大部分地区将会被网络覆盖。

为 IoT 连接产品采用低功耗 LTE 的企业可以利用这种基础设施,而不用承担建设或维护成本,能够把资源投放于自己的服务和商业模式。

随着电讯网络从 4G 系统向 5G 演进,低功耗LTE 也不会过时,因为 3GPP 确保了该技术的升级路径。5G 在几年后将使用更高的无线频率 ( 高达26 GHz) 提供更高的吞吐量,并将为 IoT 带来更大的发展动力。

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专为物联网设计

LTE-M 和 NB-IoT 产品已经开始进入市场。Nordic Semiconductor 的芬兰工程师将其 LTE 技术与挪威工程师的超低功耗无线技术相结合,设计出符合 3GPP LTE-M 和 NB-IoT 规范的优化蜂巢式IoT 解决方案。

该成果是 nRF91 系列的系统级封装 (SiP),一种低功耗的超小型蜂巢式 IoT 解决方案。由于该产品的设计旨在满足物联网的独特需求,因此其设计人员采用了与传统蜂巢式模块完全不同的方法,并添加了蜂巢式市场前所未见的众多功能。

Nordic nRF91 系列的核心是该公司的低功耗全球多模式 LTE-M / NB-IoT SiP 产品。这些 SiP 在10×16×1.2mm 封装中整合了调制解调器、收发器、射频前端、专用应用处理器、Flash 内存、电源管理以及晶体和被动式组件,构成一个完整的低功耗蜂巢式 IoT 系统。

这款SiP产品将传统蜂巢式模块的所有优点(包括远程监管和蜂巢式认证 ) 整合到一个小外形尺寸产品中,其面积、厚度和总体封装体积分别为竞争解决方案的 33%、50% 和 20%。

这个 SiP 使用整合的 Arm Cortex-M33 主处理器,配备用于 Armv8-M 的 TrustZone 和 ArmCryptoCell-310 安全 IP。这样的安排允许微处理器和系统使用隔离的可信执行环境来保护应用程序数据、固件和周边系统。与使用外部主机处理器相比,该解决方案提供了高效率的安全基础,并减低了尺寸、物料清单 (BOM) 和功耗。

Nordic 与美国的射频连接解决方案公司 Qorvo合作,作为射频前端和 SiP 开发和制造的策略合作伙伴。nRF91 SiP 采用 Qorvo 成熟的 RF 前端、先进封装和 MicroShield 技术,提供了兼具高性能和低功耗的紧凑型解决方案。由于 Nordic 的多模式 LTE-M / NB-IoT 调制解调器、无 SAW 收发器以及Qorvo 的订制化 RF 前端解决方案相互结合,使得nRF91 系列可利用单一 SiP 型款实现全球运作。

Nordic 低功耗蜂巢式 IoT 解决方案还结合了蜂巢式和 GPS 技术的整合辅助 GPS (A-GPS) 技术,提供了实现快速准确定位的内置定位支持功能。

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无处不在的蜂巢式技术

凭借出色的整合性和对全球营运的预先认证,nRF91 系列 SiP 克服了蜂巢式技术在 LPWAN 部署中的传统缺陷,并且满足了使用蜂巢式技术所需的全面资质要求。

对于不熟悉蜂巢式工程技术但想要利用该技术的开发人员来说,Nordic 实施 nRF91 系列 SiP 设计的新方式,是一个关键优势。Nordic 已将其用于低功耗蓝牙解决方案的策略应用于这款新产品。借助低功耗蓝牙技术,Nordic 提供完整的单芯片 ( 无线电加处理器 ) 无线硬件和工厂提供的 RF 协议堆栈,消除射频工程的底层复杂性。通过将 RF 协议堆栈与应用程序软件分离,可以减轻开发和除错工作的负担。

虽然目前 nRF91 系列的软件架构仍然处于保密状态,但 Nordic 协助开发人员的策略仍然是在尽可能简化编码和除错无线应用的同时,消除射频工程的固有复杂性。这将使所有人都能使用蜂巢式技术,并鼓励那些缺乏无线技术经验的开发人员探索其优势,并发挥他们的创造力来推出新产品。Nordic 已利用该策略将低功耗蓝牙技术推广到全球各地;nRF91 系列 SiP 有望将蜂巢式技术引入智慧手机之外的所有领域,实现同样的佳绩。

现在是分秒必争。爱立信指出,到 2023 年蜂巢式技术将迅速扩展到助力 18 亿 LPWAN 连接设备中的 75%。

挪威 Telia 等移动运营商对该技术极具兴趣,Telia Next 负责人 Andreas Carlsson 表示:“LTE-M和 NB-IoT 为 Telia 带来了前所未有的专用 物联网连接需求,因此 Telia 一直是支持 Nordic 半导体开发新产品的合作伙伴。”

本文来源:为什么低功耗的蜂巢式技术将可支撑物联网?

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Analog Devices, Inc. (ADI) 宣布推出 Power by Linear™ LTM4686,该器件是一款双通道 10A 或单通道 20A 超薄型降压型 µModule® 稳压器,具有一个 PMBus 接口,采用 16mm x 11.9mm x 1.82mm LGA 封装。1.82mm 的封装高度使得 LTM4686 在 PC 板上可放置到非常靠近其负载 (例如 FPGA 或 ASIC) 的地方,同时两个扁平封装器件可共用一个散热器。超薄型封装使 LTM4686 还能够安装在 PCB 的背面,从而省出正面空间以用于放置存储器和收发器 IC 等组件。

这使得 LTM4686 适合高度受限的应用,例如机架安装的电信交换器和路由器、RAID 系统以及测试和测量设备。PMBus 接口使用户能够测量和变更电压、负载电流和温度等主要电源参数。用户还可以通过 PMBus 接口设置排序、故障门限和响应,并将数值和故障记录数据存储在内置 EEPROM 中。

• 查看 LTM4686 产品页面,下载数据手册,申请样片和订购评估板: www.analog.com/cn/LTM4686

• 观看 LTM4686 技术短片: www.analog.com/cn/LTM4686-video

LTM4686 在 4.5V 至 17V 输入电源电压范围内工作,而 LTM4686-1 则在 2.375V 至 17V 输入电源电压范围内运行。这些电源模块在 –40°C 至 125°C 温度范围内以 ±0.5% 的最大 DC 输出误差调节 0.5V 至 3.6V 输出电压。它们在 12VIN 至 1.0VOUT转换的满负载条件下提供 80% 的效率。在 85°C 的环境温度和具有 400LFM 气流的情况下,LTM4686 可在 5VIN 至 1VOUT 转换操作中提供 18A 电流。电流模式控制实现了多个模块的并联配置运行,以提供更大的输出电流。

其内部开关频率可设定在 250kHz 至 1MHz,亦可同步至一个频率范围为 250kHz 至 1MHz 的外部时钟,以适合那些对噪声敏感的应用。

可配置的 LTM4686 拥有保护功能,包括过压和欠压、过流和过热保护。如果发生某种故障,则自动将数据保存到 EEPROM,而且可通过一个 I2C 接口读取故障记录,并随后在这里对其进行分析。如欲评估 LTM4686 的性能,可使用 LTpowerPlay® GUI、DC1613 USB 至 PMBus 转换器、DC2086 编程适配器和演示套件。欲了解更多信息,请访问 www.analog.com/cn/LTM4686

特性概要:LTM4686

• 双通道、快速模拟环路,具有用于控制和监视的数字接口
• 双通道 10A 或单通道 20A 输出
• 宽输入电压范围:4.5V 至 17V,2.375V 至 17V并具辅助 5V 偏置电压 (LTM4686-1)
• 输出电压范围:0.5V 至 3.6V
• 在整个温度范围内具有 ±0.5% 的最大 DC 输出误差
• 恒定频率电流模式控制
• 可实现多个模块的并联和均流
• 片内 EEPROM
• 超薄型 16mm x 11.9mm x 1.82mm LGA 封装

价格与供货

Analog Devices 公司简介

Analog Devices, Inc. 是全球领先的高性能模拟技术公司,致力于解决最棘手的工程设计难题。我们使客户能够利用无与伦比的技术进行检测、测量、供电、连接和解读,智能地在现实和数字领域之间架起桥梁,从而了解我们周围的世界。详情请浏览 www.analog.com/cn

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Zhongming Ye ADI公司

低噪声Silent Switcher架构简化了EMI设计

汽车、交通运输和工业应用对噪声敏感并且需要低EMI电源解决方案。传统方法通过减慢开关边沿或降低开关频率来控制EMI。这两种方法都会产生不良的影响,例如效率下降,最短接通和关断时间增加,以及需要采用大尺寸的解决方案。EMI滤波器或金属屏蔽等替代方案在所需的电路板空间、组件和装配方面增加了大量成本,并使热管理和测试复杂化。我们的低噪声μModule®技术给开关稳压器设计带来了突破。

采用µModule封装的LTM8003稳压器配备专有的Silent Switcher®架构,以最大限度降低EMI辐射,并在高开关频率下提供高效率。稳压器的架构和µModule器件的内部布局设计旨在最大限度缩小稳压器的输入环路。这能够显著地减少开关节点振铃和在热环路中存储的相关能量,即使存在非常快的开关边沿也不例外。这种安静的开关切换提供了卓越的EMI性能,同时最大限度降低了AC开关损耗,从而使得稳压器能在高开关频率下运行,且效率并无明显下降。

这种架构配合扩展频谱频率操作,极大地简化了EMI滤波器设计和布局,非常适合那些对噪声敏感的环境。图1显示了输入侧的简单EMI滤波器,使演示电路能够以足够的裕量通过CISPR 25 Class 5标准,如图2所示。

图1. 在输入端配置一个简单EMI滤波器的5 V转换器符合CISPR 25 Class 5规格要求。

图2. DC2416A演示电路符合辐射EMI频谱CISPR 25 Class 5规格要求

3.5 A连续电流和6 A峰值电流提供能力

内部稳压器能够安全地提供高达6 A的峰值输出电流,当依靠一个12 V标称输入持续支持3.5 A负载(在3.3 V或5 V范围内)时,LTM8003无需采取额外的热管理措施(气流或散热器)。这满足了工业机器人、工厂自动化和汽车系统中的电池供电型应用之需。

–40°C至+150°C的宽工作温度范围

汽车、工业和军事应用要求电源电路在超过105°C的环境温度下连续安全运行,或者要求为温升留出较大的储备空间。LTM8003H专为在–40°C至+150°C的内部工作温度范围内满足规格要求而设计。内部过热保护(OTP)电路负责监视结温,并在结温过高时停止开关操作。

图3a是一款可在7 V至40 V的宽输入范围内工作的3.5 A、5 V解决方案。其在12 V标称输入下的热性能如图3b所示。当采用一个12 V输入并具有2 A负载时,典型效率高于92%。

图3. 一款用于7 V至40 V输入并采用H级版本的5 V、3.5 A解决方案。热成像显示无需采用庞大笨重的散热组件。

从+3.5 V至+35 V输入产生–5 V负输出

图4是一款采用一个12 V标称输入(35 V最大输入)产生–5 V、4 A输出的解决方案。BIAS 引脚应连接至 GND。

图4. 一款采用+5 V至+35 V输入提供高达4 A输出电流的–5 V电源。

结论

LTM8003是一款采用Silent Switcher架构的宽输入和输出范围、低噪声、3.5 A降压型µModule稳压器。依靠3.4 V至40 V输入能够产生0.97 V至18 V输出,从而无需通过电池或工业电源进行中间稳压。其引脚排列专为符合FMEA(失效模式影响分析)要求而特别设计,因此如果相邻引脚短路、单个引脚短路至地、或某些引脚处于浮置状态,输出电压将保持在或低于调节电压。在焊点因振动、老化或宽幅温度变化而松动或开路的情况下(例如:在汽车和交通运输应用中),冗余引脚可增强电气连接。

完整的解决方案可安装在一个比LTM8003的6.25 mm × 9 mm ×3.32 mm BGA封装面积大不了多少的紧凑空间内(包括输入和输出电容)。通常,25 µA的静态电流和–40°C至+150°C(H 级)的宽工作温度范围使其非常适合那些空间拥挤、工作环境严酷、以及强制要求低静态电流和高可靠性的运行环境。该器件的特性有助于最大限度减少设计工作量,并满足针对工业机器人、工厂自动化、航空电子设备和汽车系统的严格标准。

图5. 一款完整的降压解决方案仅稍大于LTM8003 µModule稳压器的6.25 mm x 9 mm占板面积。

作者简介

Zhongming Ye是Analog Devices公司的一名电源产品高级应用工程师,工作地点位于美国加利福尼亚州米尔皮塔斯。他自2009年以来一直在凌力尔特(现隶属ADI)工作,负责提供各种不同产品的应用支持,包括降压、升压、反激式和正激式转换器。他在电源管理领域的关注点包括面向汽车、医疗和工业应用的高效率、高功率密度和低EMI的高性能电源转换器和稳压器。在此之前,他在Intersil公司工作了三年,从事的领域是用于隔离式电源产品的PWM控制器。他在加拿大金斯顿女王大学获得电气工程博士学位。Zhongming是IEEE电力电子学会的高级会员。联系方式:zhongming.ye@analog.com

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