IC 与模块：了解物联网应用的技术权衡
随着物联网持续改变各个行业，围绕无线连接组件所做出的设计决策变得越来越复杂。工程师们在为其物联网应用选择组件时，常常面临着在 IC 和无线模块之间做出抉择的两难境地。这两种选择都有其独特的优势和需要权衡的方面，会对设计复杂度、成本、可扩展性以及产品上市时间等因素产生影响。这篇博客探讨了与 IC 和无线模块各自相关的技术考量因素和面临的挑战，并借鉴了 Silicon Labs 在无线解决方案方面的专业知识得出相关见解。我们将对 IC 和模块进行技术对比，着重阐述每种方案的关键差异、优势以及隐性成本。
了解 IC 和模块
IC (SoC) 是一种半导体器件，它在单芯片上集成了处理器、存储器以及其他功能元件。使用 IC 进行设计的工程师们必须开发一块配套的 PCB，其中包括天线设计、RF 匹配、电源管理以及其他组件。
另一方面，模块是一种预集成系统，它包含一个 IC 以及所有必要的支持组件，例如 RF 引脚/内置天线、EMC 屏蔽、电源滤波、RF 匹配组件、天线组件，并且具备全球范围的监管认证。模块的设计旨在将实现一个完整解决方案所需的硬件环境降至最低，从而降低设计的复杂程度并减少认证方面的工作量。
IC 和模块的设计与开发考量因素
RF 设计复杂性
- IC：RF 工程师必须精心设计并优化天线布局、PCB 走线长度以及匹配网络。即使布局上存在细微的差异，也可能会降低信号性能，这就需要进行大量的调试工作。
- 模块：预先优化的 RF 设计消除了对复杂天线布局和匹配的需求，从而减少了开发时间和精力。
认证与合规
- IC：使用 SoC 的产品需要针对每个目标市场（如 FCC、CE 等）分别获得监管批准，这可能既昂贵又耗时。
- 模块：模块带有预先认证的监管批文，这大大降低了认证成本和风险。
上市时间
- IC：RF 设计和认证的复杂性可能会使产品的发布推迟 3-6 个月。
- 模块：更快的开发周期能够使产品更快地进入市场，这对于竞争激烈的行业来说是一项至关重要的优势。
成本分析
- IC：初始组件成本较低，但设计和认证费用较高。适用于规模经济效益能够证明投资合理性的大规模生产。
- 模块：单位成本较高，但设计和开发费用有所降低。非常适合中低产量的生产情况。
IC 设计的隐性成本
正如 Silicon Labs 白皮书《无线 SoC 设计的六大隐性成本》所强调的那样，采用 SoC 进行设计会带来一些常常被忽视的隐性成本：
- RF 专业知识：聘请专业的 RF 工程师，每年的费用可能在 100,000 到 200,000 美元之间。
- 实验室设备：频谱分析仪、电波暗室以及其他 RF 测试设备的费用可能高达 50,000 美元。
- PCB 布局：实现最佳天线性能需要迭代 PCB 设计和制造周期。
- 认证成本：在五年时间里，对 SoC 进行的监管测试费用可能会超过 50,000 美元。
SiP（系统级封装）与 PCB 模块
在考虑 IC 和模块时，另一个因素是所使用的外形尺寸。
SiP 模块
系统级封装 (SiP) 模块将多个组件集成到单个封装中，提供了一种紧凑的解决方案，具备优化的 RF 性能，尺寸更小（小于 12 x 12 毫米），组件预先集成，采用先进的封装技术（例如，堆叠式存储器），针对高性能应用进行了优化，并且需要精心进行热设计和机械设计。
PCB 模块
PCB 模块由一块载板组成，各组件分别安装在该载板上。它们提供了更简便的开发流程和内部原型设计方式，设计变更更加灵活，更容易进行二次采购，并且尺寸通常更大（大于 10 x 10 毫米）。
用于小型化物联网设计的 SiP 模块
Silicon Labs 的系统级封装 (SiP) 模块（比如 BGM220S）就体现了基于模块设计的优势。这些模块具有集成的 RF 组件和屏蔽功能，为诸如可穿戴设备和智能传感器等空间受限的应用提供了卓越的尺寸和性能优化方案。SiP 模块的占位面积仅为 6.5 x 6.5 毫米，在确保强大 RF 性能的同时减少了 PCB 占用空间。
何时选择 IC 与模块
在以下情况下，IC 是理想的选择：
- 高产量证明了前期设计和认证成本的合理性。
- 设计团队拥有 RF 专业知识，并且能够使用先进的实验室设施。
- 自定义 RF 优化对该应用至关重要。
在以下情况下，模块是更佳选择：
- 快速推向市场至关重要。
- 需要将监管认证成本降至最低。
- 该应用需要紧凑且标准化的设计。
平衡方法
在 IC 和模块之间做出选择取决于具体的项目需求、可用资源以及业务目标。Silicon Labs 具备同时提供这两种解决方案的能力，这确保了客户能够随着自身生产规模的扩大和设计能力的提升，从使用模块无缝过渡到使用 SoC。通过与单一供应商合作，公司能够保护自身在软件方面的投资，并优化其物联网设计，以实现长期成功。
