LoRa核心芯片

       众所周知,LoRa技术是Semtech公司的专利技术,而Semtech公司是一家60年的老牌半导体公司,具有丰富的半导体开发和生态发展经验。为了LoRa的生态发展,Semtech公司开发了全系列的LoRa芯片,并将这些芯片通过直销或知识产权授权的方式推广到市场上,所以现在市场上的所有LoRa芯片都是源于Semtech。
       芯片是LoRa无线网技术的根本,是一个行业能否发展壮大的基础,在前面的章节中我们知道经过5年多的发展,LoRa芯片已经累计出货超过1亿颗。那么,LoRa的核心芯片到底有多少种类?它们分别有什么特点?未来的LoRa芯片的发展趋势是什么?本章会针对这些问题展开讲述。

一、LoRa芯片的分类

       LoRa的芯片分为两大类:一类是LoRa射频收发芯片,我们称其为transceiver,也叫节点芯片或终端芯片;另一类是LoRa网关芯片,我们称其为gateway,有时也叫基站芯片。
       LoRa射频收发芯片是一颗简单的小型单芯片,具有LoRa所有的物理层和控制命令,现在市场上所有的LoRa终端都是基于这类芯片实现的。LoRa射频收发芯片可以用来制作简单应用的网关,比如单通道或者双通道网关。智能家居和一些简单的抄表应用中经常使用这类节点芯片来实现网关的功能。
       LoRa网关芯片是为LoRaWAN协议定制的专用网关芯片,该芯片处理能力强大。这里用Wi-Fi作类比:手机或者笔记本计算机里面的Wi-Fi模块芯片对应于LoRa的节点芯片,而工业级的Wi-FiAP里面的Wi-Fi模块芯片对应于LoRa的网关芯片。手机Wi-Fi在多数情况下只能作为Wi-Fi终端使用,有需要的时候手机Wi-Fi还能作为一个小型路由器Wi-Fi热点,这点与LoRa节点芯片非常类似。LoRa节点多数情况下是作为LoRa终端使用,有需要时可以作为网关使用,这是因为这颗LoRa节点芯片内部具有完整的LoRa通信功能。工业级的Wi-FiAP要求就非常高了,不仅要更大的吞吐量,还要保证通信距离和通信稳定性,手机和计算机中普通的Wi-Fi模块芯片无法满足这个需求,需要专用芯片来支持。同理,LoRaWAN网络需要更大的区域覆盖、更高的吞吐量和更快的计算能力,就需要一款专用的LoRa网关芯片。
       LoRa网关芯片的早期设计目标是成为运营商基站的物联网核心芯片,相当于运营商4G或者5G基站内的核心基带芯片。由于网关芯片性价比很高,很快得到市场认可,并逐步推广到非运营商网络领域。尤其在中国,几乎所有的网关芯片都应用于私有LoRaWAN网络中。
       由于LoRa在各国工作频率不同,应用需求不同以及芯片的研发迭代,LoRa芯片种类有很多。网关芯片型号如表4-1所示。由于LoRaWAN网关功能复杂,网关的核心芯片由两类芯片组成,分别是数字基带芯片(DigitalBased-BandIC)和模拟前端芯片(AnalogFront-EndIC),运营商的4G、5G基站内部的核心芯片也是同样的架构。第一代的LoRaWAN数字基带芯片为SX1301和SX1308,它们  负责LoRaWAN网关的多路数字信号的调制解调,SX1301主要应用于 室外网关,SX1308应用于室内网关。一个LoRaWAN网关除了需要数 字信号调制解调外还必须搭配射频前端芯片才能工作。由于市场上的网
关射频前端芯片多为运营商基站专业芯片价格很高(约100美元)不利于LoRa物联网的发展,Semtech公司开发了配套的网关射频前端芯片SX125X系列。有一些高性能要求的LoRaWAN基站供应商,为了保证更好的性能会选择ADI公司的高端基站射频前端芯片。由于全球各地的LoRa工作频率不同,为了满足各地的频率要求,射频前端芯片根据不同工作频率划分为:SX1258工作在779~787MHz;SX1257工作在862~1020MHz;SX1255工作在400~510MHz。中国的LoRaWAN 网关射频前端芯片选择使用SX1255。
表4-1       LoRa网关芯片型号表
LoRa网关芯片型号表
       2019年Semtech公司推出了第二代的LoRaWAN网关芯片,包括数字基带芯片SX1302和射频前端芯片SX1250。它们使用了更先进的工艺,实现了较高的性价比。
       表4-2所示为LoRa的终端节点芯片,根据频段差异分为Sub-1GHz和2.4GHzISM两大类,第一类是传统意义上一直提及的LPWAN应用(LPWAN标准中设备都工作在1GHz之内的频段)的LoRa节点芯片,也是可以跟LoRaWAN网关芯片SX130X系列匹配通信的芯片。第二类节点芯片是应用于2.4GHz的LoRa芯片。Sub-1GHz的芯片是现在市场的主流,也是我们日常讨论LoRa应用的节点芯片。
       Sub-1GHz的节点芯片共有两代,第一代是SX127X系列,第二代是SX126X系列,根据各国频带以及输出功率不同其编号不同。其中,SX1272最大输出功率为+20dBm,工作频率为680~1000MHz;SX1276最大输出功率为+20dBm,工作频率为137~1020MHz;SX1278最大输出功率为+20dBm,工作频率为137~525MHz。
表4-2     LoRa节点芯片型号表
LoRa节点芯片型号表
        第二代SX126X系统芯片采用90nm工艺,性能提升且成本降低,其主要的三款芯片为:SX1261最大输出功率为+15dBm,工作频率为150~960MHz;SX1262最大输出功率为+22dBm,工作频率为150~960MHz;SX1268最大输出功率为+22dBm,工作频率为410~810MHz。
       2.4GHz节点芯片是根据2.4GHz频段LoRa市场需求而开发的,其内部支持多种协议且内置测距引擎。其中,SX1280是带有测距功能的2.4GHz     LoRa节点芯片,SX1281不带测距功能。2.4GHz的LoRaWAN协议还在制定中,所以配套的网关数字基带和射频前端芯片也没有开发出来。
       除了上述的常用芯片外,还有根据市场应用定义的芯片,如针对中国室内应用的LLCC68芯片以及针对定位的LR1110芯片。

二、Sub-1GHzLoRa收发芯片

       2019年市场销量最大的LoRa芯片是这款射频收发芯片SX126X。本节将从它开始介绍LoRa的核心芯片,并通过与SX127X系列芯片的对比,对Sub-1GHzLoRa芯片进行全面分析。
       SX1261和SX1262是1GHz以下频段无线LoRa收发芯片,非常适合远距离无线应用。这款芯片的最小接收电流只需4.2mA,非常适合长电池寿命的应用。SX1261的最大发射功率可达+15dBm(支持欧洲规范要求及小功率市场),SX1262的最大发射功率可达+22dBm。
       这款芯片都支持LoRa调制和(G)FSK调制。它们可以灵活地配置,以满足全球不同的LoRaWAN或专有协议的应用需求。
       芯片的物理层满足LoRa联盟发布的LoRaWAN协议规格要求。
       芯片满足各国无线电法规要求。这些无线电法规包括但不限于ETSIEN300220、FCCCFR47Part15,中国的监管要求同日本的ARIBT-108。该芯片从150MHz到960MHz连续的频率覆盖范围支持世界上所有主要的1GHz以下的ISM频段。

1.芯片架构

       SX1261/2是半双工收发芯片,能够低功耗地工作在150~960MHzISM频段。如图4-1所示,其包括模拟前端、数字调制解调、数字接口和控制、电源部分四个主要功能部分。
SX1261/2芯片架构
图4-1       SX1261/2芯片架构
     (1)模拟前端部分。这部分是发射和接收链路,以及数据转换接口。SX1261与SX1262的发射链路中最后的功率放大电路是不相同的。SX1261在DC-DC或者LDO模式下都能够输出最大+14/15dBm的功率。SX1262在电池供电模式下能够输出最大+22dBm的功率。
     (2)数字调制解调部分。SX1261/2能够处理以下调制解调方式:
  •  LoRaRX/TX,带宽=7.8~500kHz,扩频因子SF为5~12,比特速率为0.018~62.5kb/s。
  • (G)FSKRX/TX,比特速率为0.6~300kb/s。
       这款芯片是支持两种数字调制模式的,方便客户切换使用。LoRa的许多应用都是传统的FSK技术替代,LoRa芯片内部具有FSK调制解调引擎从而实现对上一代产品兼容。
     (3)数字接口和控制部分。这部分包括所有的有效载荷和协议处理以及通过SPI接口对芯片进行配置的功能。
     (4)电源部分。这部分包含DC-DC或者LDO两种形式的电压转换器。具体使用根据应用要求设计。
 

2. SX126X芯片规格

1.功耗
       表4-3所示为芯片静态及接收功耗表,其中关键参数为IDDSL:热启动休眠Sleep模式下电流为1.2μA,为LoRa唤醒应用中休眠功耗;IDDRX在LoRa125kHz接收电流为4.6mA。LoRa接收电流为物联网应用电池寿命关键参数,尤其是带有下行唤醒的物联网设备。
表4-3   芯片静态及接收功耗
 
    芯片静态及接收功耗
       表4-4所示为发射模式功耗表,其中关键参数为IDDTX。发射功率与无线传输范围紧密相关,功率越大系统覆盖范围越广,同时系统的功耗越大。如果对距离要求不是很远,同时功耗控制比较严格,可以适当选择较小的发射功率。使用大功率设备时,选择SX1262效率最高;使用小功率设备时,选择SX1261效率更高。
表4-4    发射模式功耗表
 发射模式功耗表
2.通用规格
       表4-5所示为通用规格表,其中关键参数如下。
  • BW_L:通信双方带宽一致,才能正常通信。其他条件一定时,带宽越大,通信速率越快。
  • SF:LoRa技术采用的扩频因子,需要通信双方配置一致才能正常通信。在一定条件下,扩频因子越大,理论上通信距离越远,同时速率越低。
表4-5    通用规格表
通用规格表

3.接收模式规格

表4-6所示为接收模式规格表,其中关键参数如下。
  • RXS_LB:LoRa灵敏度,指的是接收机能够正确把有用信号解调出来的最小接收功率。此值负数绝对值越大,接收灵敏度越高,可以提供的传输距离越远。
  • TS_RX:接收机PLL锁定到待工作的载波频率所消耗的典型时间。
表4-6接收模式规格表
续表
续表

4.发射模式规格

表4-7所示为发射模式规格表,其中关键参数如下。
  • TXOP:输出功率越大,理论上可传输的距离越远。
  • TXRMP:此值会影响射频连续发射的时间间隔,此值越大,连续发射时等待时间越久。
表4-7   发射模式规格表
发射模式规格表

5.芯片规格对比

       通过上述SX126X的规格参数介绍,相信读者已对SX126X芯片有了一定了解,下面通过表4-8所示的SX126X与SX127X芯片对比讲解两款芯片的优缺点。
表4-8      SX126X与SX127X芯片对比
  SX126X与SX127X芯片对比
        从对比表中可以看到,SX126X的几个关键指标较第一代收发芯片有很大提升。
  • 工作频率范围:由原来非连续分段频带,变成连续的全频段覆盖。
  • 链路预算:两代芯片的灵敏度相同,SX126X比新一代芯片输出功率增大了2dB,所以链路预算增加了2dB。2dB的链路预算约增加了30%的通信距离。链路预算Link budget=最大输出功率(Output Power)-灵敏度(Sensitivity);链路预算增加与覆盖范围的关系在8.1.2小节有详细计算。
  • 输出功率:新一代芯片输出功率增加2dB,对应增加58%的输出功率。
  • 发射电流:发射电流比过去降低了很多,这是因为新一代芯片采用DC-DC供电,在大功率发射时其供电效率提升32%。功耗这一参数在物联网应用中非常重要,发射电流就是其中重要的参数之一。
  • 接收电流:接收电流降低了一半,是由先进的半导体工艺实现的。接收电流的功耗是物联网应用中射频芯片除灵敏度外最重要的参数。
  • 休眠电流:由于使用更精细的半导体工艺,其静态漏电流就会加大,这是半导体工艺的特性。休眠电流和接收电流在先进工艺下一个变大、一个变小。由于接收电流相对于休眠电流更重要,再加上原有的休眠电流的确非常小,所以这里即使成为过去的3倍,对应用影响也不大。
  • 扩频因子:扩频因子增加SF=5模式,支持更快的通信速率。
  • 带宽和灵敏度:这两个参数都没有变化。
  • 封装引脚:为了应对小型化需求,新一代芯片采用更小的封装,尺寸是上一代的一半,这样在小型化设计在物联网应用中更受欢迎。
  • SPI接口:为了方便客户开发,采用命令控制,对比上一代操作寄存器的方法,软件开发难度降低很多。虽然这样的通信接口方便了新开发者,但是对于已经对LoRa有深入研究的老玩家来说,他们也丧失了过去对芯片精细控制的竞争优势。总的来说对LoRa生态是有利的。

三、关键电路描述

1.功率放大器

       SX1261和SX1262供电方式为DC-DC或LDO,从表4-3中可知使用DC-DC供电效率会更高,系统的供电电流会更小。图4-2为DC-DC模式下的功率放大器供电原理图。
  DC-DC模式下的功率放大器供电原理
图4-2      DC-DC模式下的功率放大器供电原理
 
1)SX1261功率放大器特性
       对于SX1261芯片,当采用内部DC-DC供电时,发射机的功率效率将会达到最高。其VR_PA端口的电压会依据软件配置的输出功率在20mV~1.35V内变化。
如图4-3所示,当电源电压在1.8~3.7V范围内变化时,输出功率几乎保持恒定。
SX1261在DC-DC模式下的电流与输出功率
图4-3     SX1261在DC-DC模式下的电流与输出功率
 
        在DC-DC模式下,总功耗将直接受供电电压的影响。例如,供电电压为3.7V时,10dBm的输出功率需要消耗电流17mA;同样输出功率的情况下,供电电压在1.8V时,需要消耗电流34mA。
2)SX1262功率放大器特性
       SX1262工作在DC-DC模式时,DC-DC只负责为内核供电。对于SX1262,功率放大器优化了最大输出功率,同时最大限度地提高了效率,这导致如果要使SX1262保持较高的输出功率,就必须为其功率放大器提供相当高的电压。当输出功率最大时,功率放大器的电流效率最高,其输出功率受限于供电电压。
       芯片内部的VR_PA电压变换器有一个小于200mV的压降,这意味着供电电压必须比VR_PA的输出电压至少高出200mV才能满足相应的输出功率要求。例如,设置输出功率为+20dBm时,需要的VR_PA输出电压为2.5V,那么此时的供电电压必须在2.7V~3.7V的范围内,才能保证SX1262输出+20dBm的功率。当电压低于2.7V时,输出功率将随着供电电压的降低而降低。
       如图4-4所示,当供电电压在1.8V时,VR_PA可以提供1.7V的输出电压,功率设置超过17dBm后电流恒定不会增加,此时的输出功率稳定在+17dBm。但是在3.3V和3.7V供电环境下可以到达最大的22dBm功率输出。
SX1262的输出功率与电流
图4-4      SX1262的输出功率与电流
      只要供电电压足够高以满足VR_PA所需的电压,则输出功率是线性的。
3)SX126X和SX127X功耗对比
       SX126X对比SX127X最大的提升是功耗的提升,尤其是接收模式下与发射模式下的功耗。表4-9为详细的功耗对比,包含所有关键模式下不同供电方式的功耗对比,非常详细。
表4-9     SX126X和SX127X功耗对比表
 
       在实际应用中,芯片的状态是不断切换的,其各个部分耗电的情况也是不断变化的,上面的表格把LoRa芯片内部所有与功耗相关的部分都已罗列出来。从表格中可以看到SX126X系列几乎在每一个模块的耗电都有了大幅下降。如果读者希望把一个项目应用做到极致,或者说做同样的LoRa项目其功耗优于竞争对手,就需要抠每一个细节,对于每一个耗电模块,每一个状态转换都充分考虑和详细计算。

2.发热对频率偏移的影响

       由于LoRa芯片大功率发射时会发出大量热量,这个热量会热传导到外围晶振上,当未使用温补晶振(TCXO)时,晶振由于温度升高导致频率发生变化。普通晶振的振动频率随温度升高而降低。晶振提供的振荡频率发生偏移时,会影响整个LoRa射频芯片的锁相环频率,导致LoRa设备发射的信号频率偏移,当偏移频率大于一个极限时,就会发生丢包现象。所以晶振的选择以及电路板的设计对于系统的灵敏度都是至关重要的。
       在LoRa调制模式下应该使包传输时间内的频率漂移降至最小并且低于Freq_drift_max:
      在低速模式下LowDataRateOptimize配置为0x01,可以使包传输时间内的频率漂移的要求放松至16×Freq_drift_max:
BW=125kHz/SF=12时,上式表达为
         图4-5为SX1261芯片在不同供电模式下的功耗和发热情况。
SX1261在LDO模式160mW功耗时发热135mW,SX1261在DC-DC模式85mW功耗时发热60mW。
 SX1261芯片在不同模式下的功耗和发热情况
图4-5    SX1261芯片在不同模式下的功耗和发热情况
 
       再考虑不同扩频因子和不同载荷情况下发射LoRa信号需要的时间,如表4-10所示,可以通过发射功率和飞行时间计算出发热量。
表4-10    各地区包长时间计算表
各地区包长时间计算表
       针对发热引起频偏的问题,可以通过使用温补晶体或电路板开槽的方案解决,前者晶体成本较高,后者成本几乎没有增加,只是需要布板优化设计。图4-6给出了SX1262散热设计方法,将晶振靠近芯片部分 的PCB挖空即可,图中空白部分为挖空的PCB。
   SX1262PCB版图设计图
图4-6     SX1262PCB版图设计图
        图4-7所示为三种LoRa系统下的频率偏移情况,从中可以看到在未采取措施的情况下,频率偏移随温度变化很快,在1.5s时频率偏移会超过163Hz,导致系统完全无法通信。采用温补晶体的曲线是最好的,不过采用挖空散热的方法也可以满足需求。
三种SX1262系统发热频偏测试图
图4-7      三种SX1262系统发热频偏测试图

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