Les SoC réduisent la consommation de 50 %

Posted By : Alice Matthews
Les SoC réduisent la consommation de 50 %


La nouvelle génération de SoC (System-on-Chip, ou système sur puce) Bluetooth Low Energy (Génération 2, ou 'G2') de Toshiba Electronics Europe était la première à offrir une conformité totale aux nouvelles fonctions de la spécification Bluetooth 4.2. 

En outre, ces nouveaux dispositifs Toshiba réduisent la consommation de 50 % par rapport aux produits actuels pour les dispositifs IoT alimentés par une batterie lithium au format pièce de monnaie, tout en simplifiant la nomenclature et en réduisant la place occupée sur la carte. Ils supportent également les fonctions BLE 4.2 qui ne sont pas disponibles sur de nombreux dispositifs concurrents.

Les consommations de 3.3 mA en réception (RX) et de 3.3 mA en émission (TX) sont obtenues grâce à une architecture et à une conception de circuit analogique, adaptées à un fonctionnement à faible puissance. Ceci allonge considérablement l'autonomie. La technologie SoC Toshiba intègre également les réseaux RF (radio-fréquence) d’appairage. Celai élimine le besoin de circuits d’appairage entre le dispositif et l'antenne. Ces dispositifs permettent aussi aux concepteurs d'éliminer les condensateurs que l’on trouve typiquement à côté des oscillateurs à quartz externes. Ceci favorise la miniaturisation des dispositifs IoT, en réduisant à seulement sept le nombre de composants externes de la BoM (Bill of Materials, ou nomenclature), et diminue encore l'empreinte sur carte de 20 %.

Bluetooth Low Energy, spécialement développé pour les transmissions sans-fil basse-consommation, est beaucoup utilisé dans les dispositifs IoT pour réduire le poids et allonger l'autonomie. Il existe généralement un compromis à trouver entre la consommation de courant (pour les wearables une consommation de courant entre 3 et 4 mA est une condition importante) et la performance radio (sensibilité du récepteur et puissance d’émission). Les SoC BLE conventionnels ne peuvent pas satisfaire simultanément ces deux exigences. Bien qu’il soit pertinent d’intégrer certains composants externes au SoC BLE pour miniaturiser le dispositif Bluetooth Low Energy, la dégradation de la sensibilité du récepteur et de la puissance de transmission d’un SoC BLE doté de circuits RF d’appairage intégrés demeure problématique, du fait du risque de "dés-appairage."

Toshiba a présenté trois techniques pour réduire la consommation de courant de ses SoC BLE : une architecture récepteur adaptée à une faible consommation de courant ; un système de gestion d'énergie extrêmement efficace ; et une conception RF à faible courant.

  1. L'architecture du récepteur fait appel à un synthétiseur local qui utilise une fréquence diminuée de moitié par rapport à celle d'un récepteur conventionnel, réduisant ainsi la consommation de courant dans l'oscillateur local. Bien que l'architecture soit plus vulnérable aux interférences du fait de sa configuration complexe en fréquence, une tolérance élevée aux interférences est obtenue en adoptant des fréquences capables d’éviter les perturbation par les signaux cellulaires.
  2. Afin d'améliorer les pertes dans les régulateurs LDO (Low Drop-Out, ou faible chute), les LDO sont éliminés du SOC. Étant donné que la dégradation des performances par le bruit de commutation d'un convertisseur DC/DC pose problème, une boucle à verrouillage de phase est utilisée pour bloquer la fréquence de commutation du convertisseur DC/DC, et éviter les interférences avec la bande utilisée par Bluetooth Low Energy. 
  3. Dans les circuits RF à faible courant, pour que TX et RX puissent se partager un même VCO (Voltage Controlled Oscillator, ou oscillateur piloté en tension), la plage de fréquence du VCO doit être relativement large, ce qui augmente la consommation de courant. En séparant le VCO pour TX et RX on peut rétrécir la plage de fréquence nécessaire à chaque VCO, et on obtient une consommation beaucoup plus faible. En outre, une technique à découpage est mise en oeuvre dans l'amplificateur de puissance pour réduire la consommation de courant.

En adoptant ces techniques à faible courant, la technologie SoC BLE de Toshiba réduit la consommation de courant opérationnelle, tout en améliorant les performances radio ; la sensibilité RX est de −93 dBm et la puissance de sortie de 0 dBm. En outre, en intégrant tous les circuits d’appairage RF dans le SoC, qui est fabriqué en technologie CMOS 65 nm, le nombre de composants externes peut être réduit à seulement 7, contre 19 pour le produit Toshiba actuel.

Les dispositifs Toshiba BT 4.2 bénéficient d'un firmware (micrologiciel) BLE 4.2 très complet. À la différence de nombreux dispositifs actuellement disponibles, les SoC BLE 4.2 Toshiba peuvent traiter jusqu'à 8 connexions BLE simultanément. Par conséquent, ils sont bien adaptés au Bluetooth Mesh (réseau maillé Bluetooth) et autres architectures multi-connexions. BLE 4.2 améliore le niveau de sécurité en proposant des connexions sécurisées basées sur une cryptographie à clé publique et privée ECDH (courbe elliptique Diffie-Hellman), ainsi qu’une bonne confidentialité de liaison pour la génération et la résolution automatique de l’adresse Bluetooth privée, ainsi qu’un cryptage supplémentaire de la charge ; autant de fonctionnalités qui ne sont pas disponibles en standard sur de nombreux CI BLE.

La solution BLE 4.2 dispose également de l'extension de longueur de paquet BLE à 251 octets, contre 27 octets dans la norme 4.1. Ceci permet d’améliorer le débit théorique de 305 à 803 kbits/s.

Cette technologie a été présentée officiellement à la conférence A-SSCC (Asian Solid State Circuits Conference, ou Conférence asiatique sur les semiconducteurs) 2016, à Toyama au Japon, le 8 novembre dernier. La société a adopté cette nouvelle technologie basse consommation pour ses produits Bluetooth Low Energy dont la production en série a démarré en décembre 2016.

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