Toshiba lanciert Bluetooth®-SoC mit niedrigem Energieverbrauch mit Empfangsstromverbauch von 3,2mA und Sendestromverbauch von 3,5mA

Toshiba (TOKYO:6502) hat Compliance für ein Bluetooth^{® 1} System-on-Chip (SoC, Ein-Chip-System) mit niedrigem Energieverbrauch entwickelt. Mit Version 4.2 wird die Spannung von IoT-Geräten, die mit einer kleinen Lithium-Knopfzelle betrieben werden, auf 50 Prozent der Spannung aktueller Produkte reduziert². Durch die Übernahme einer Architekturkonfiguration und einem Analogschaltkreis-Design, die sich für den Betrieb mit geringer Spannung eignen, wird ein Stromverbrauch von 3,2mA für den Empfang (RX) und 3,5mA für die Übertragung (TX)³ erzielt und damit die Batterielebenszeit beträchtlich verlängert. In das SoC sind außerdem an Radiofrequenzen (RF) ⁴ angepasste Netzwerke integriert. Damit wird die Anzahl der externen Komponenten reduziert und die Verkleinerung von IoT-Geräten mit ermöglicht. Diese Technologie soll am 8. November auf der IEEE Asian Solid-State Circuits Conference (A-SSCC) 2016 im japanischen Toyama präsentiert werden.

Durch aktuelle, rasche Fortschritte im Bereich IoT konnten tragbare, multifunktionale IoT-Geräte wie intelligente Uhren und Armbänder realisiert werden, mit denen eine Vielzahl von Sensorinformationen erfasst und verwaltet werden können. Bluetooth^® mit geringem Energieverbrauch, entwickelt speziell für drahtlose Kommunikation mit geringer Leistung, wird bei vielen IoT-Geräten eingesetzt, um das Gewicht zu senken und die Batterielebensdauer zu verlängern. Es gibt insgesamt einen Ausgleich zwischen Stromverbrauch und Funkleistung – Empfängerempfindlichkeit und Übertragungsleistung. Mit konventionellen Bluetooth^®-SoCs mit geringem Energieverbrauch lassen sich nicht beide Anforderungen gleichzeitig erfüllen. Um verschiedene Arten bei tragbaren IoT-Geräten gebräuchlicher Batterien zu nutzen, ist ein Bluetooth^®-SoC mit geringem Energieverbrauch im Bereich zwischen 3-4mA eine der Hauptanforderungen. Obwohl es effektiv ist, in ein Bluetooth^®-SoC mit geringem Energieverbrauch externe Komponenten einzubauen, um die Größe des Bluetooth^®-Geräts mit geringem Energieverbrauch zu reduzieren, bleibt die Verschlechterung der Empfängerempfindlichkeit und Übertragungsleistung eines Bluetooth^®-SoC mit geringem Energieverbrauch mit eingebauten, an RF angepassten Netzwerken aufgrund einer Fehlanpassung an die Verluste ein Problem.

Toshiba hat drei Techniken zur Senkung des Stromverbrauchs des Bluetooth^®-SoC mit geringem Energieverbrauch eingeführt. (1) eine Empfängerarchitektur-Konfiguration, die sich für geringen Stromverbrauch eignet; (2) ein hocheffizientes Stromverwaltungssystem sowie (3) ein RF-Design für geringen Energieverbrauch.

• (1) Mit der Empfänger-Architektur wird ein lokaler Synthesizer eingeführt, bei dem eine Frequenz verwendet wird, die halb so hoch ist wie die eines konventionellen Empfängers. Damit wird der Stromverbrauch im lokalen Oszillator gesenkt. Obwohl die Architektur aufgrund ihrer komplexen Frequenzkonfiguration eher verwundbar für Interferenzsignale ist, wird durch die Übernahme einer Frequenzplanung, mit der ein Einknicken aufgrund von Signalen von Mobiltelefonen vermieden werden kann, eine hohe Toleranz für Interferenzen erzielt.
• (2) Um den Energieverlust bei den Regulatoren (LDO: Low Drop Out)⁵ zu verringern, fallen LDOs beim SoC weg. Eine Leistungsverschlechterung aufgrund von Schaltgeräuschen von einem DC-DC-Wandler ist ein mögliches Problem. Eine phasenstarre Schleife⁶ dient zur Reparatur der Schaltfrequenz des DC-DC-Konverters und zur Vermeidung von Interferenzen mit der von der Bluetooth^®-Verbindung mit geringem Energieverbrauch genutzten Bandbreite.
• (3) Bei einem RF-Design mit niedrigem Strom muss der Frequenzbereich des einzelnen spannungsgesteuerten Oszillators (single voltage controlled oscillator VCO) beträchtlich weit sein, damit TX und RX gemeinsam einen VCO nutzen können. Damit wird der Stromverbrauch erhöht. Der geringe Stromverbrauch wird realisiert, indem der VCO für TX und RX geteilt wird, um den erforderlichen Frequenzbereich für jeden VCO einzuschränken. Außerdem wird eine Schaltverstärkertechnik im Leistungsverstärker eingeführt, um den Stromverbrauch zu senken.

Durch die Übernahme dieser Techniken für geringe Spannung kann mit Toshibas Bluetooth^®-SoC mit niedrigem Energieverbrauch der Betriebsstromverbrauch für den RX auf 3,2mA und für den TX auf 3,5mA gesenkt werden, während gleichzeitig die Funkleistung verbessert wird. Beim RX beträgt die Empfindlichkeit -93 dBm, und die Ausgangsleistung ist 0 dBm. Außerdem kann die Anzahl der externen Komponenten durch die Integration sämtlicher an RF angepasster Netzwerke in den SoC, der mit dem 65-nm-CMOS-Verfahren gefertigt wird, von den für das aktuelle Produkt von Toshiba benötigten 19 auf sieben reduziert werden.

Toshiba wird diese neue Technologie für den Stromverbrauch bei Bluetooth^®-Produkten mit niedrigem Energieverbrauch einführen, deren Massenproduktion am⁷. Dezember beginnen wird.

[1]: Die Wortmarke Bluetooth^® und die entsprechenden Logos sind eingetragene Markenzeichen, die Eigentum der Bluetooth SIG sind.

[2]: Im Vergleich zu Toshibas "TC35667FTG”.

[3]: Zum 11. Juli 2016 der weltweit geringste Stromverbrauch (Erhebung von Toshiba).

[4]: Bei drahtloser Kommunikation verwendete Frequenz

[5]: Ein Regulator, der auch bei einem nur geringen Spannungsunterschied zwischen Ein- und Ausgang betrieben werden kann.

[6]: Elektronische Schaltkreise zur Synchronisierung von Phase und Frequenz von Ein- und Ausgangssignal mit der Rückkopplungskontrolle.

[7]: Engineering-Muster sind seit Oktober 2016 erhältlich.

Über die Toshiba Corporation
Die Toshiba Corporation, ein Unternehmen der Fortune Global 500, lässt ihre Weltklasse-Kompetenzen im Bereich hoch entwickelter elektronischer und elektrischer Produkte und Systeme in drei Schwerpunkt-Geschäftsbereiche einfließen: Energie, die das tägliche Leben möglich macht, die sauberer und sicherer ist, Infrastruktur, die für Lebensqualität sorgt, und Speicherplatz, der die fortschrittliche Informationsgesellschaft möglich macht. Geleitet durch die Prinzipien des grundlegenden Bekenntnisses der Toshiba-Gruppe "Unseren Mitarbeitern und der Zukunft verpflichtet” fördert Toshiba globale Operationen und trägt zur Verwirklichung einer Welt bei, in der kommende Generationen bessere Leben führen können.
Die heutige Firma Toshiba, die 1875 in Tokio gegründet wurde, bildet das Herzstück eines globalen Netzwerks von 550 konsolidierten Unternehmen, die weltweit 188.000 Mitarbeiter beschäftigen und auf einen Jahresumsatz blicken, der 5,6 Billionen Yen (50 Milliarden US-Dollar) übersteigt. (Stand 31. März 2016)
Weitere Informationen zu Toshiba finden Sie unter www.toshiba.co.jp/index.htm.

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