Atmosic的藍牙方案神奇了 可實現物聯網設備永久續航或無需電池

做藍牙晶片和模塊的廠商很多，但是美國的Atmosic（謀思科技）很有顛覆性——可實現電子產品的永久續航或無需電池。這是怎麼做到的？適合哪些應用場景?

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202010/419007.htm

近日，Atmosic舉辦媒體線上溝通會，執行長David Su和營銷及業務拓展副總裁Srinivas Pattamatta介紹了這種新技術。

Atmosic執行長David Su和營銷及業務拓展副總裁Srinivas Pattamatta

1   重新定義IoT設備的電池壽命

物聯網(IoT)正風生水起。其中，無需擔心電池壽命或無電池條件下接入物聯網是非常重要的一類應用。這不僅可以節能，也可減少電池對環境的汙染。

為此，Atmosic提出了創新的藍牙SoC方案，主要的定位市場是IoT設備，例如消費類電子產品、家居環境、數據以及傳感上，此外，這些基礎技術解決方案也可以不斷地擴展和放大，適用於不同的應用場景。

Atmosic的產品和解決方案有3項核心的創新技術。

1）超低功耗射頻。相比友商，可以實現5~10倍的功耗以及相關電源能耗的降低。

2）射頻喚醒技術。可以讓設備無需使用是的時候隨時保持休眠狀態，只在需要的時候被喚醒。

3）受控能量收集技術。可以適用不同的能量收集來源，包括射頻、光能以及動能等等。

2   優異特性及應用案例

下圖是Atmosic藍牙5.0產品一個簡單的架構圖。基於此架構，Atmosic有優異的超低功耗性能；同時，友有非常差異化的特點——解決射頻喚醒、受控能量收集。

目前，Atmosic有2個藍牙系列產品。

1）M2系列解決方案：可以提供超低功耗的藍牙5.0的連接，同時支持射頻(RF)喚醒，以支持永久續航。

2）M3系列解決方案：在M2的基礎之上增加了受控能量收集技術，可以進一步地實現無需電池。

M2與市面上一些主要競爭對手的解決方案比較，可以看到，TX值比對手低了超過2倍之多；同時，接收器的功耗也比對手低了近6~7倍；如果針對每秒傳輸1次數據的藍牙信標，功耗比對手降低4倍（如下圖）。

Atmosic有2個合作案例。

①TraceSafe主要是一家開發接觸追蹤的解決方案公司，它開發的手環及相關的物聯網設備非常適合現在新冠肺炎疫情的大環境。

②與SMK合作，開發的是遠程搖控器及其他物聯網設備。

3   如何實現低能耗、無電池

為了更好地實現永久續航以及無需電池的願景，必須滿足以下3個主要的條件：

①超低功耗；

②進行外界能量的收集，能量可來源於射頻、光能、動能或者說是熱能；

③能量的存儲。為了實現能源的存儲，可以採用超級電容或可充電電池、標準電池。通過Atmosic的受控能量收集技術，只要收集到的外界能量能夠實時地保證大於設備運行所需要的超低功耗，就可實現永久續航，以及無需電池的應用場景。

Atmosic有3個例子，分別是射頻能量收集，光能量收集，動能收集。

●   射頻能量收集。有採用射頻能量收集技術的員工卡。在員工與計算機接近的時候，卡裡內置的晶片就會自動與設備進行接觸，並且開始射頻能量的收集。

●   光能量收集。例如傳感器標籤，一旦接觸，並且光能達到200普朗克時，Atmosic晶片就開始自動收集光能，並且進行存儲。

●   動能收集。例如一個簡單的開關，通過對開關的打開以及閉合，這個動能產生的能量就已經足夠可以支持對1個燈泡的供電。

以下是該技術的一些設計細節。

3.1   關於射頻喚醒，是射頻的哪些頻段，如何喚醒？

Atmosic對自己的接收機做了專門的設置和調整，可以對接收機進行啟動及自動關閉的，而它的運行頻段基本上是從200Hz~220 MHz不等。

由於設備在採用的時候都進行了射頻信號的導入，而基於射頻信號的不同，CPM(連續相位調製)將會自動判斷是否要把接收器打開或激活，這解決了射頻喚醒技術。

這裡補充一點，參見Atmosic藍牙5.0的架構圖（下圖），Atmosic所設計的接收器和之前市面上常見的藍牙接收器是非常不同的。Atmosic接收器上的射頻喚醒是集中在一個模塊上的，整個這個模塊都會處於休息的狀態，而不像藍牙設備一樣要麼開、要麼關，只有能選擇是或者不。

而作為具體信號傳輸的大小，究竟什麼樣的信號可以起到射頻喚醒的作用？這可以通過程序進行編寫。不管是從筆記本還是其他的設備、接入點上都可以對它進行設置。

除此之外，在其他用於喚醒Atmosic射頻模塊的設備上是不需要使用Atmosic晶片的。換句話說，客戶可以隨時採用Atmosic的晶片產品，並且與其他任何只要能夠發出信號的設備來進行結合使用。

3.2   目前能量收集的效率表現如何?

這取決於採用的是哪種能源的收集方式。

如果採用的是射頻，效率在50%左右。當然，這也是取決實際的應用場景以及具體信道通路的大小。

而作為光伏發電，通常會用一些PV(光伏)電池。這也取決於光源的強度，有多少光能照射到你的光伏板上的。

動作收集方面，基本上用非常小的動作就可以生成非常大的能量，是以毫瓦級來進行計算的。

整體上，永久續航和無需電池是兩種技術的有機結合體：

①本身設備功耗就非常低，②再結合Atmosic的解決方案，隨時進行能源的收集。

3.3   哪種超低功耗技術最關鍵？

如果超低功耗是一個系統工程的話，其中包括超低功耗射頻，射頻喚醒，受控能量收集技術等，未來，從進一步降低功耗的角度來看，哪方面的潛力更大？

實際上，就目前來看，超低功耗解決方案是客戶實現以及部署起來最為便捷的一項技術。

而剩下的兩項技術，目前它們的差異化更小。這也是Atmosic在市面上最主要的兩項差異化的產品。所以Atmosic非常期待這剩下的2項創新技術在市面上的表現和發展。

而Atmosic這些解決方案的組成架構，包括能源收集方案，在2020年年底之前都會有具體的方案正式推出。

3.4 Atmosic的TX和IX如何做到更低？

在有關能耗方面，客戶會採用Atmosic所謂的亞閾值設計。當然，Atmosic的技術更多的是適用於數字邏輯的，有關混合信號邏輯是要採用另外一種不同的技術解決方案。

而通過Atmosic亞閾值邏輯，它的基本原理是通過對供應電壓以及具體的調整來更好地控制能耗的消耗。而在混合的環境下對供應電壓來進行二次的調整，可能它的效果就沒有那麼好了。

所以在設計框架當中，Atmosic調整的並不僅僅是供應電壓的這1個換能器，採用的是多維度、多參數的調節來實現對它的控制。

除了供應電壓之外，Atmosic也會對整個電流包括信號的擺幅和整個架構的選擇來統一地考慮到其中，來整體實現功耗的下降。

總而言之，Atmosic這幾項專利技術和解決方案是超出了傳統的亞閾值邏輯針對單參數的調整，可以同時針對多個參數對它進行設計。

3.5 能量收集和藍牙收發是否會互相影響？

這要取決於你能量收集的來源是什麼。如果採用的是射頻能源進行收集的話，就取決於你採用的頻段。如果兩者頻段是完全一樣的，可能會有幹擾的。

但是，Atmosic在設計能源收集時特地選擇了220 MHz內的不同頻段，所以，如果你的頻段只要不是和它完全一樣，就不會有影響。

但是，如果你用的是光能或者是熱能等其他的能源收集方式，兩者之間就不會存在幹擾的可能。

3.6 在研發過程中的其他技術挑戰

「研發」這個詞本身就代表著無極限的困難，你永遠不知道你在過程中會面臨什麼樣的挑戰，以及什麼樣多樣化的問題。就拿受控能量收集技術來舉例，Atmosic受控能量收集技術整個開發過程大概花了3年時間。

而作為集成，能量收集與晶片的集成是非常典型的CMOS技術。Atmosic的換能器已經集成在裸片上了，通過這種方式來更好地實現控制。另外，Atmosic會給客戶提供參考設計的框架，來給他們做後續的開發。

實際上，在開發過程中面臨的挑戰是非常多的，其中最大的挑戰就是在不同的模式之間的複雜性是非常大的，如何在不同的模式之間選擇一個正確的組合，這是面臨的最大挑戰之一。

例如，受控能量收集技術有很多不同的應用場景，如何針對每個不同應用場景的特定需求進行調整，了解他們具體的需求。而且能量收集的來源也是多種多樣的，如何了解這些非常大的差別。而更重要的是如何把這些不同的能量的收集方式以及收集來源有機地整合為一體，這些都是很大的挑戰。所以整體看，開發過程中最困難的就是打造一個完整的、有機的協調的系統。

4 應用場景

客戶通常有2個選擇：

①可以選擇1個更小的電池，因為可以實現一樣的電池壽命。

②也可以在不改變電池容量的基礎上，進一步地去延長整個設備的使用時間，並且可以更好地實現永久續航。

如果絕大多數的客戶想要開發可穿戴設備，都希望在2個價值點下工夫。

1）在消費者端，例如買藍牙鍵盤、滑鼠等設備。現在市面上的解決方案可能產品使用了1~2年就要沒電了。但是，如果採用Atmosic解決方案的話，電池使用壽命可以直接延長到5~7年。所以可以說，在整個設備的生命周期中，是不需要更換電池的。因為一般像鍵盤滑鼠這種設備用戶不會一直用下去，平均5~7年也就會買個新的了。

2）而對於企業應用，擔心的就不是更換電池可能會產生成本，因為這些成本都是較小的。企業級應用通常是辦公級的大規模的應用，假設在樓裡裝了大概1萬個信標，每6個月都不需要更換電池的話，帶來的並不僅僅是成本的降低，還有人力資源以及其他的成本降低。

5 售價定位

在整個藍牙市場裡，並不是一個統一的無法區分的蛋糕，它其實也是由不同的細分市場組成的。有的藍牙產品定位低成本/低端，也有的是中端的產品，也有高端的產品。

目前，Atmosic的定位是要參與到中端市場的競爭。所以在整個這個市場細分中，Atmosic希望既有具備非常競爭力的價格，同時也在此基礎上考慮到自己的性能優勢，給客戶最優性價比的解決方案。

6 中國市場

Atmosic公司是在2016年正式成立的，從2018年開始已經正式與客戶有所接洽，並且開始做產品上的溝通和設計。而Atmosic首個海外的辦事處也是在2018年底、2019年初時在中國深圳設立的。Atmosic在中國本地也自己的銷售團隊，同時也有現場的技術支持和工程師對隨時為客戶提供支持。

除此之外，Atmosic在中國市場也建立起了自己的經銷商的網絡，以及技術支持第三方的合作網絡。

而且Atmosic在中國市場有很多的ODM和OEM的合作方，還有生產的廠商，都可以幫助Atmosic在中國市場不斷地拓展，並且給客戶提供幫助。

隨著Atmosic在中國市場業務不斷地擴展，計劃在未來的2年在中國更多的城市開設辦事處。

7 未來發展方向

Atmosic公司的願景就是能夠實現電池的永久續航，能夠降低設備對電池的依賴性，並且實現無需電池。

Atmosic現在做的都是藍牙的市場，但是對其他連接技術也是保持著非常開放的態度，例如Wi-Fi、NFC和藍牙以及GPS等的可能性。所以說在未來Atmosic並不會把自己限制在一個框架裡面，Atmosic也是有很多其他技術的前景可以展望，可以開發的。

實際上，在這個行業，為了能夠保證做一個長青樹，最佳的方法就是永遠至少領先於你的競爭對手3~4年左右。