组合芯片应对无线融合的技术挑战

组合芯片应对无线融合的技术挑战

考虑到移动设备对蓝牙、Wi-Fi及其他连接技术日益增加的需求，制造商们正在寻求在越来越小的产品中增加这些功能的方法。不过，给手机和其他紧凑型设备添加多种无线技术会导致以下几种设计挑战：更高的成本、更短的电池寿命、占用更大的空间以及更多的无线干扰。

正如各种无线技术正在融合以满足新的消费需求并创造新的使用模式一样，芯片公司也正在芯片级整合这些无线技术，以应对无线融合带来的技术挑战。芯片制造商现在不是提供几种分立组件，而是将多种无线技术(如Wi-Fi、蓝牙、FM radio和GPS)整合到单一芯片上。这种“组合芯片”具有极大的优势，可克服设计具有最新连接功能的小型移动设备的挑战。由于这些优势，IDC预计，到2012年，在所有为手机交付的无线连接解决方案中，组合芯片将占近2/3，这显示了这种整合方式的优势所在。

评估分立无线解决方案和组合芯片的制造商必须考虑以下设计准则：

性能

为了在残酷的手机市场上竞争，厂商一直在努力提供最新功能和更好的用户体验。功能和用户体验都是吸引新客户和保持品牌忠诚度的关键。如果一种无线功能不能像预期那样奏效，消费者就会变得沮丧，而且可能会完全停止使用该项功能，或者甚至更糟――转而使用另一个品牌的手机。

在给手机增加多种无线技术时，制造商不会勉强接受低于预期的性能。新设备必须表现得与前几代一样好或更好。因为蓝牙和Wi-Fi技术在不断发展，所以将最先进的功能整合到组合芯片中是一项艰难的任务。因此，手机制造商必须寻找具有以下特点的芯片厂商：不仅拥有全面的无线产品线，而且在为移动设计整合不同技术方面拥有出色的成功业绩。

共存与干扰：

对于确保采用Wi-Fi和蓝牙的设备能够提供尽可能最佳的用户体验，多种无线技术共存也是至关重要的。因为这两种技术都使用2.4GHz频带，所以同时进行传送可能严重降低性能，并使两种无线技术都失效。尽管蓝牙使用自适应跳频(AFH)方法来减轻在2.4GHz频带的干扰，但当蓝牙和Wi-Fi无线单元间射频隔离度很低时，与在手持式设备中的情况一样，自适应跳频是不够的。

如同你能想象到的那样，在同一个芯片上实现这两种无线技术时，共存问题更为严重。为了减轻因距离过近而产生的干扰，大多数芯片制造商都在蓝牙和Wi-Fi芯片之间采用标准3线共存接口。不过，像Broadcom这样的领先厂商已经开发出了独特的算法和硬件机制，这些算法和机制可以智能化地管理2.4GHz频带。这种先进的方法用来使传送同步、避免冲突且为蓝牙和Wi-Fi找到最干净的频道和时隙。从而使现今的组合芯片性能比分立解决方案高。

组件尺寸和成本

随着移动设计越来越小、越来越便宜，每个组件的尺寸和成本成了关键因素。无线组合芯片不仅比多种独立芯片小，而且它们组成系统所需要的外部组件更少。例如，分立的Wi-Fi和蓝牙系统一般需要约200个组件，包括功率放大器(PA)、平衡转换器(Balun)、低噪声放大器(LNA)，等等。通过在蓝牙和Wi-Fi系统之间共享多个重复组件，并将其他组件整合到芯片上，组合解决方案可以将组件数量削减到40个。

当你把这些组件绘制到一个电路板布局图上时，分立解决方案的占板面积大约为200mm2，而组合芯片仅为75mm2。除了节省电路板空间，更少的组件显然降低了制造商的物料成本。已有半导体供应商将大功率CMOS功率放大器集成到了组合芯片上，这样不仅去掉了外部功率放大器的成本，同时又不会牺牲系统的性能。像这样的创新将继续使手机制造商能够更经济地将组合芯片应用到多种类型的手机中。

天线放置

随着多种无线技术而来的是多种天线。除了一个或更多的蜂窝天线，今天更先进的手机还必须含有分别用于蓝牙、Wi-Fi、FM和GPS的天线。这不仅增加了系统成本，还给电路板布局造成了相当大的挑战。有些组合芯片通过共享蓝牙和Wi-Fi无线技术的天线系统，可以帮助减轻这些挑战。

电源管理：

电路板上的组件越多，消耗的功率就越多，产生的热量也越多，所有这些因素都将影响电池寿命。我们已经提到，组合芯片需要的组件更少，这降低了总体功耗。但是，更重要的是，芯片制造商设计组合芯片时采用的工艺技术。领先厂商正在使用65nm工艺节点，这可实现更高的效率、更紧密的芯片集成和更低的功耗。结果，制造商可以给设备增加Wi-Fi和蓝牙功能，而不必担忧电池寿命无法接受。

为了进一步满足手机和其他便携式设备复杂的功率需求，有些组合芯片集成了一个电源管理单元(PMU)。这类电源管理单元可以监视使用模式，并优化系统运行，以最大限度地延长电池寿命。例如，智能“休眠”和“唤醒”模式可以给组件断电，最大限度地减少设备未使用时所浪费的功率。有些电源管理单元具有一套全面的软件和设备驱动程序，以能够对集成的线性和开关稳压器输出电压编程，或实现启动排序，从而快速和高效率地使电源和集成的组件之间产生关联。

总结

在移动设备功能合并的推动下，组合芯片成为半导体设计的下一个大的浪潮。这类高度集成的解决方案比分立无线解决方案具有更低的功耗、更小的占板面积、更经济的设计选项和更高的性能，从而非常适用于手机等便携式设备。随着这些移动设备越来越以媒体为中心，消费者需要更多的连接功能，以使他们能够获取、欣赏并在设备之间分享数字媒体内容。为了满足这种需求，设备制造商希望领先的芯片制造商提供反映这种新现实的组合解决方案。

图：BROADCOM公司最新的组合芯片之一，整合了802.11N WI-FI、蓝牙和FM RADIO。此外还独特地集成了CMOS功率放大器。