苹果三星的UWB设备拆解,看头部玩家如何玩转超宽带

半导体行业观察 · 半导体行业观察·2022-05-16 09:50

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来源:内容由半导体行业观察(ID:icbank) 编译自tech insights 谢谢。


与蓝牙一样,UWB 是一种短距离、低功耗、基于无线电的通信技术,其主要目的是用于位置发现和设备测距。但是,UWB 提供了多种不同的功能,例如快速可靠的文件共享功能和安全交易。

在这篇博客中,我们有幸看到了从三星 EI-T7300 (SmartTag+) 中提取的 NXP SR040 UWB 收发器处理器芯片。我们还能看到苹果AirTag的内部结构。

图1. 三星 EI-T7300 (SmartTag+)

如图所示,NXP Semiconductor SR040 采用 QFN 封装,该封装由一个引线键合到引线框架的单个die组成。这些测量的关键尺寸以及观察到的晶体管特征表明,SR040 芯片使用的是台积电的 40 nm CMOS 工艺。

图2. NXP Semiconductor SR040

SR040 芯片由一个 UWB 模拟前端收发器、几个电源管理电路、几个 SRAM 存储器、一个 ARM Cortex CPU 和几个 GPIO 组成。

图3. NXP Semiconductor SR040 芯片照片

让我们更深入地了解一下 UWB 模拟前端收发器。

图4. UWB 模拟前端收发器

UWB 收发器宏可分为两半。在下半部分,我们找到了射频信号路径,而射频和中频 PLL 在上半部分。接收器和发射器之间共享一个射频焊盘。

接收路径包括带有输入匹配电路的 LNA、RX 正交下变频混频器、一对无源滤波器、一对由两个二阶级组成的有源滤波器,最后是一对时间交错 ADC,每个包括逐次逼近子ADC。

发射阵容包括由两个级联子 DAC 组成的 TX DAC、上变频 TX 混频器、功率放大器和 BALUN 变压器。

RF PLL 包括相同的基于 LC 谐振回路的振荡器。接收器所需的正交相位在振荡器附近产生,并使用差分共面传输线发送到它们的目的地。发射器使用相同的两个相位之一。由于发射机的 IF 部分不是正交的,因此必须在 RF PLL 中生成相位调制,并将其施加在混频器中的信号上。RX ADC 和 TX DAC 的时钟在 IF PLL 中生成,其中包括一个三级差分 CMOS 环形振荡器。
图5. 电路分析

在看完三星的设计以后,我们来看一下苹果AirTags的设计。

在这个只有 1/4 美分大小的设备上,可以拥有多个天线、无线电 IC、一个电池,并且可以继续作为双向无线电运行,在近一整年的时间里精确定位几英尺范围内的物体。

图6. Apple AirTag 主要组件

例如,设计有更小的芯片工艺节点的 IC。具有更小工艺节点的die意味着更小的晶体管栅极长度,允许每个管芯有更多的晶体管,由于晶体管栅极长度更短,从而降低了 IC 的功耗。

Apple AirTag 配备 Nordic nRF52832 ,其芯片采用 90nm 工艺节点制造,比稍旧的 2.4 GHz Noridc 收发器 IC 中使用的 180nm 工艺有了进步。AirTag 中的 nRF52832 是 WLCSP50 封装,比较大的 48 引脚 6 mm x 6 mm QFN 选项小 75%。选择 WLCSP50 而不是 QFN 封装可能有多种原因,其中之一可能很简单,例如需要更少的 PCB 空间来使用多功能 Nordic 芯片。

图7. Nordic nRF52832 芯片照片

nRF52832 蓝牙 SoC 可以支持多种无线电类型,包括 2.4 GHz 专有无线电(如果需要)。Apple AirTag 中使用的 nRF52832 支持 NFC 标签、蓝牙和蓝牙 Mesh。正是蓝牙 Mesh 功能使 AirTag 能够连接到 Apple Find My 网络中的其他 Apple 设备。

IC 封装改进的另一个例子是将多个组件嵌入到单个 IC 封装中的能力,其中一个好处是减少了电路设计的 PCB 面积。多芯片、多组件封装技术并不新鲜,而且还在不断改进,不仅仅包含芯片。Apple U1 UWB SIP(系统级封装)——在一个总封装面积为 20.58 平方毫米的单个封装内包含 Apple UWB 收发器、嵌入式晶体振荡器、Sony RF 开关和更小的分立元件。

图8. Apple U1 UWB SiP

对于与 nRF52832 的芯片尺寸比较,UWB 收发器芯片是在台积电的 16nm 工艺节点上制造的,允许在与 nRF52832 类似尺寸的芯片上使用更多的晶体管(和电路)。

总而言之,Apple AirTag 的无线电 IC占整个可用 PCB 面积的不到 30 平方毫米或 6%。

然而,AirTag 的性能,即它在保持连接到 Find My 网络方面的成功,不仅在于无线电 IC,而且在很大程度上依赖于它的天线和天线设计。

但是 AirTag 的小尺寸不允许像我们在其他更大的设备(如手机)中看到的单独的天线部件。相反,AirTag 有一个框架,上面设计了所有三个天线。

图9. Apple AirTag 天线设计

苹果还在 AirTag 中加入了一个扬声器,它可以针对各种场景发出“啁啾声”。位于 PCB 上的 Maxim D 类音频放大器驱动扬声器。

值得注意的不仅仅是 AirTag 的功能和设计。AirTag 零售价低于 30 美元,估计制造成本为 10 美元(不包括软件成本和研发)。

追踪器并不新鲜,Apple 也不是第一个提供此类产品的公司。不幸的是,Apple 首当其冲地受到了追踪器如何被用于侵入性目的的社会反作用力。我们不确定在这些跟踪器中列出该技术是否有助于让任何人放心。

但是对于技术来说,现在没有退路,只有前进。我们相信,固态电池、 硅电池和缩小工艺节点等 新电池技术 只会让工程师设计出更小封装的无线电设备。


除了这两种设备具有相似的裸片尺寸并且由台积电作为其代工厂这一事实之外,它们是非常不同的。例如,SR040 的 UWB 收发器和电源管理占据了 45% 的芯片,而苹果 U1 仅占 33%。在处理器和内存区域方面,SR040占37%,苹果U1占57%。SR040 的工艺代为 40 nm,由 8 个金属层形成,而 Apple U1 的工艺代为 16 nm,由 13 个金属层形成。

以上就是对使用用于跟踪对象的 UWB 通信标准的两种设备的简要总结。

今天,我们仍处于基于 UWB 的技术发展的早期阶段,需要提高数据隐私和效率等问题,今天,我们知道 UWB 用于更换车钥匙或寻找我的钱包,但在未来它几乎可以与我们的“更智能”小工具交互和跟踪重要对象。


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