超低功耗技术助力BLE进入无源应用市场

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超低功耗技术助力BLE进入无源应用市场

实现“万物互联”是整个物联网行业的终极目标，据IoT Analytic统计，全球活跃的物联网终端数量预计2025年增长至270亿台，但距离业界期待的千亿级市场仍有较大差距。随着物联网场景的深度拓展，终端成本的刚性制约和应用场景带来的供能限制问题凸显。从物联网连接发展的趋势看，未来千亿级的“万物互联”必将建立在无源物联网的基础之上。

无源物联网（Passive IoT）是指接入网络的终端节点设备不需配置电源线或内置电池，通过采集环境中的微能量供能支持自身正常运转，实现数据的采集、传输和分布式计算等功能。

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无源物联网的技术目标定义，来源：物联传媒

部分观点认为，无源物联网是RFID技术的衍生概念，将无源物联网与RFID技术等同，甚至把无源物联网设备与“标签”混为一谈，这是思维定势导致的。RFID技术确实与无源物联网在“无源”这一关键点上匹配，但当前RFID功能单一，无法满足物联网集通信、感知、边缘计算等多功能于一体的需求，局限于“标签”类应用，无法拓展至其他场景。其实早在2021年华为就提出了5.5G无源物联网Passive IoT的方案构想：将无源物联网设备支持的场景传输距离扩大至百米级别，舍弃专用的读写器改为通用设备，使终端具有通过蜂窝网关节点进行自我回传数据的功能。

华为的方案构想将解决方案指向了超低功耗BLE技术。对此，国产物联网蓝牙芯片原厂奉加科技提供了完整的自研全国产无源物联网芯片方案。

1 超低功耗物联网系统级芯片架构

奉加科技在物联网领域已有多年成功实践，针对无源物联网高性能、高可靠性、高安全性、高能效比的需求，自研软硬件协同的芯片整体架构和片上电源/时钟管理方法，实现了高集成度、超低功耗系统级芯片全栈集成。基于高能效的分级管理模式，实现无源物联网环境能量采集和存储、事件识别及驱动和边缘计算等核心需求的低功耗管理。功能覆盖无源物联网的所有需求，将应用拓展至语音大模型数据入口终端、传感器自组网络、穿戴式医疗连续电化学监护、新能源汽车智能控制、资产定位追踪等细分场景。

2 超低功耗多模无线通信软硬件协同设计

芯片集成超低功耗的多模射频收发机、片上通信协同的电源/时钟管理、基带处理器和软件协议栈，突破功耗对噪声系数、线性度、动态范围、集成度的限制，使射频性能达到亚毫瓦级；支持BLE/Mesh/Zigbee/Matter/Sub-GHz等多样化通信协议，实现了局域/广域物联网全覆盖。

为突破自组网定时唤醒保持无线连接的固有趋势实现高能效无线自组网协议，自研了自组网内分级射频唤醒方法，同时基于路由信息自适应调节传感节点间通讯速率技术，设计了动态功耗、无线通信距离与速率等多参量平衡的自组网协议。

3 自主指令集RISC-V处理器安全处理器

基于物联网数据高安全性需求，芯片集成了基于MCU加密安全启动机制和多级流水线架构的蒙哥马利硬件密钥生成器，提供基于RISC-V自主指令集和内存映射的安全代码运行空间方案。

芯片集成Flash、ROM、SRAM、Efuse等存储配置，同时设计了低功耗的存储系统，以保证物联网场景下数据的快速和持续访问的性能与可靠性。

4 多源协同高效能量采集与管理

针对无源物联网不可或缺的能量采集需求，为了解决多源协同能量获取及电路低电压冷启动和高效率能量转换、管理和存储问题，奉加采用基于降压-升压双模能量采集与电压转换架构和最大功率点跟踪和分级自启动技术，设计了基于微光能、微动能、温差能、射频能等多源协同的可重构能量采集电路，实现接口电路匹配，自适应调节MPPT电路状态优化参数，提高多源协同能量获取效率。

5 极低能耗多物理量传感器

为满足物联网设备的感知功能需求，奉加设计了近阈值低功耗高精度信号链电路，通过低功耗分级模式识别技术降低无效干扰数据量，实现了声音、振动、光、电化学、电磁场等环境信号的多模低功耗传感器接口的单芯片集成。

自研基于嵌入式处理器的轻量级卷积神经网络用于关键传感信息的提取与识别，实现可独立运行的超低功耗多物理量传感器接口与智能感知信息处理系统。

基于BLE的无源物联网在国际上已有成功案例。来自以色列的Wiliot公司的BLE产品Wiliot IoT Pixels，通过捕捉4G/5G、Wi-Fi、Zigbee、LoRa等微弱信号供电。这款尺寸仅邮票大小的微型低成本自供电标签可以感应温度、液位、运动、位置变化、湿度和接近度在内的一系列物理和环境数据，然后将这些数据输入Wiliot云。该产品目前应用在疫苗瓶、食品包装等消费生产和零售场景中。

Wiliot IoT Pixels，来源：Wiliot

来自美国的Atmosic公司进一步拓展了BLE无源物联网设备的使用场景。Atmosic认为，预计到2024年物联网设备市场将越来越倾向于具有更强处理能力、更多功能（安全和定位）和更低功耗（无源）的设备。以近年来市场需求快速增长的可穿戴便携式医疗产品为例，要求很薄的尺寸，但同时又需要可靠的电池表现，长时间不间断地提供监测功能。

Atmosic芯片终端设备定位，来源：Atmosic

奉加科技（上海）股份有限公司专注于高性能射频与混合信号芯片设计，在28nm/55nm/180nm工艺独立开发了完备的自主知识产权高性能混合信号IP体系，拥有自主知识产权多标准通信协议栈、高性能低功耗射频电路、高性能ADC/DAC、超高速 SerDes和时钟、灵活安全系统级芯片架构、数字信号处理算法等核心技术，具备完善的设计、量产、质量体系。低功耗蓝牙芯片PHY62XX系列核心射频性能与功耗指标均居国际领先水平，通过国际蓝牙联盟、CSA、苹果MFi认证，客户覆盖工业、医疗、语音、汽车、消费等领域，芯片累计交付超5亿片。

奉加正在积极布局全新集成高性能RISC-V、环境能量采集电路、超低功耗物联网射频收发机电路架构和射频唤醒技术、BLE/Mesh/Zigbee/Matter/Sub-GHz多样化通信协议栈等无源物联网核心技术的超低功耗、多模态、全栈自主知识产权的无线物联网系统级芯片，满足物联网低功耗、多样性、安全性和高可靠性需求。预计2023年末发布系列第一代产品，2年内实现多个领域千万级数量的应用部署。