使用低功率多協定無線 SoC，簡化安全線路供電智慧裝置的設計

用於智慧照明和大樓自動化的物聯網 (IoT) 裝置正快速從簡單的控制節點發展成為功能豐富的連線系統。這些系統必須支援更高的運算需求、強大的安全性、提升的射頻 (RF) 效能。這些裝置的設計人員面臨更大的壓力，不僅需平衡各種要求，包括多協定連線、進階安全功能、電源效率，還需大幅降低物料清單 (BOM) 成本和系統複雜性。此時，便需要先進的無線系統單晶片 (SoC) 元件，滿足新興物聯網需求。

本文說明在設計新興物聯網裝置和系統時會面臨的挑戰。接著介紹 Silicon Labs 的新一代無線物聯網 SoC 如何以超低功率架構因應這些挑戰；此架構結合一個高效能處理器與多個專用子系統。

各式需求如何促成更高整合的轉換

對於運用在 LED 照明、智慧插頭、開關等應用中的線路供電智慧元件，人們期望能在更短的開發週期內提供更強大的功能。這些元件的設計人員面臨極高的要求：須整合更高的處理能力、多重無線標準，以及強大的安全性，同時維持緊湊的物料清單目標，並且在常開的環境下維持可預測的表現。

無線連接的複雜性加重這些壓力。Bluetooth Low Energy (BLE)、Zigbee、Thread、Matter 等技術的共存更加普及，使得基於單一協定或多晶片架構的解決方案更加複雜。由外部組件支援多種異質協定，可能會減緩開發速度並導致效率低下。因此，物聯網設計已轉用單晶片無線 SoC，例如 Silicon Labs 的 SiMG301/SiBG301 Series 3 無線 SoC (圖 1)，將應用處理、安全功能、無線電操作整合到單一元件中。

圖 1：先進的無線物聯網 SoC 整合完整功能堆疊，相較於早期的多晶片解決方案，提供更高設計效率。(圖片來源：Silicon Labs)

這些 SoC 具備先進的架構，可提供高效能、強大的安全性、靈活的連接性，有助於設計人員更有效率因應智慧型裝置快速變化的需求。

整合式架構滿足新興物聯網應用的各種需求

SixG301 系列整合線路供電智慧型裝置所需的全部功能完整堆叠。為了滿足更加複雜的運算需求，SixG301 SoC 以 150 MHz 的 Arm Cortex-M33 處理器核心打造，並附有數位訊號處理 (DSP) 指令和浮點單元 (FPU) (圖 2)。處理器子系統將此核心結合晶片上隨機存取記憶體 (RAM)、共封裝快閃記憶體、直接記憶體存取 (DMA) 控制器和偵錯介面。此架構以其專用的硬體模塊，更加完善地支援智慧型裝置。這些硬體模塊用於連線、安全、能源管理、時脈、計時器、周邊裝置，包括用於 LED 照明的專用功能。

圖 2：SixG301 無線 SoC 架構合併應用處理、無線連接和安全功能，在線路供電的智慧型裝置中提供延伸效能，並降低系統複雜性。(圖片來源：Silicon Labs)

SixG301 系列為設計人員提供可延伸的解決方案，滿足廣泛的需求。針對以藍牙連接的智慧型裝置設計，SiBG301 藍牙 SoC 系列支援 BLE、Bluetooth Mesh，以及專有的 2.4 GHz 應用。SiMG301 多協定 SoC 系列支援相同的藍牙選項，同時增加對 IEEE 802.15.4 實體層 (PHY) 和媒體存取控制層 (MAC) 的支援，用於低數據傳輸率無線網路，包括 Zigbee、Matter over Thread、OpenThread。各系列的每個成員都提供額外的配置選項，最多可配備 512 Kbytes 的 RAM 和 4 Mbytes 的安全就地執行 (XIP) 四通道序列週邊介面 (QSPI) 快閃記憶體。無論涵蓋何種配置選項，SixG301 SoC 系列的所有成員都具備新一代物聯網裝置所需的相同功能。

先進的物聯網應用依賴強大的連線，且一般處於密集、易受干擾的環境中。SixG301 系列的設計宗旨就是即使處於這些環境也能可靠運作。此系列的低功率無線 (LPW) 無線電 (圖 3) 產品整合無線電處理器核心、RAM，以及專用的發射和接收訊號路徑，提供一個完整的連線子系統。

圖 3：SixG301 SoC 的整合式 LPW 無線電子系統，透過專用的發射和接收路徑支援強大的連線。(圖片來源：Silicon Labs)

LPW 子系統可提供維持可靠連線所需的發射功率和接收靈敏度。此子系統支援以 1 mW 為參考的 +10 dB (dBm) 輸出功率，在天線放置和外殼限制造成難題的線路供電安裝中，達到可靠的鏈路餘裕。在接收端，此無線電提供適用於藍牙為中心和多協定物聯網設計所需的靈敏度。針對所有 SixG301 元件上，藍牙／低功耗藍牙 (BLE) 中使用的 125 kbits/s 高斯頻移鍵控 (GFSK) 調變，接收靈敏度為 -106.8dBm。對於 SiMG301 元件上用於 802.15.4的 250 kbits/s 偏移正交相位偏移調變 (O-QPSK)，接收靈敏度為 -106.3dBm。

不懈地追求安全和能源效率

靈活的無線連線選項是進階物聯網應用的基礎。這些連線和物聯網裝置的安全性取決於對強大的硬體式安全能力的不懈追求。SixG301 元件採用硬體式安全架構，基於 Silicon Labs 的 Secure Vault High，屬於該公司多層級 Secure Vault 安全技術的最高等級。此架構獲得 PSA 認證 Level 4，這是平台安全架構認證框架的最高等級。要獲得此認證，元件必須提供強大的保護，以抵禦複雜的軟體和硬體攻擊，包括可延伸的側通道攻擊和故障注入攻擊，所有這些都包含在 Secure Vault High 層級中。

此安全架構使用具有自身處理器的專用安全引擎建立硬體信任根 (RoT)，可將加密功能和敏感資料與主 Cortex-M33 應用核心隔離。這種隔離機制確保即使應用軟體遭到破壞，加密金鑰和安全關鍵操作仍然受到保護。Arm TrustZone 在硬體層面強制進行安全程式碼執行和非安全程式碼執行之間的隔離，而安全金鑰管理則使用實體不可複製函數 (PUF) 技術，在啟動時產生唯一金鑰。為確保此金鑰無法被提取或以其他方式複製，僅對加密引擎可見，並且僅在裝置斷電之前有效。

使用 RoT 和安全載入程式 (RTSL) 進行安全啟動，可確保只有經過驗證的韌體才能執行，而經過驗證的就地執行 (AXiP) 則將此保護擴展到執行時間程式碼驗證。自主硬體加密加速器將密碼和協定從主處理器卸載。加上 SixG301 的防滲透特點，這些功能有助於設計人員建立安全、高效能的裝置，以驗證韌體更新、保護憑證，並且維護物聯網應用中的信任。

在支援常開、線路供電的作業中，進行能源管理以達到最低能耗扮演也同樣重要。SixG301 元件除了提供時脈和周邊裝置電源閘控之外，還具備多種執行模式，讓設計人員能夠動態平衡效能和功耗。在主動模式 (EM0) 下，主機處理器使用所有周邊裝置和振盪器來源執行程式碼，通常在 While 迴路中以 150 MHz 的頻率消耗 47 µA/MHz 的電流，或在執行 CoreMark 時消耗 62 µA/MHz 的電流。睡眠模式 (EM1) 可讓處理器不活動，但所有周邊裝置仍可使用，隨時準備在發生系統事件時快速喚醒處理器。在此模式下，典型功耗會降至 33 µA/MHz 或更低，實際取決於時脈配置。

若僅需最小活動量，關機模式 (EM4) 會關閉裝置的大部分電源，將功耗降低到僅 0.26 µA (不使用備援即時計數器 (BURTC)) 或 0.75 µA (BURTC 使用低頻振盪器運作)。

使用這些模式並且搭配靈活的時脈和周邊裝置閘控，設計人員可以取得應用所需的特定功率和效能平衡。

整合類比功能如何簡化智慧照明裝置的設計

各物聯網應用對功能的需求不斷增加，SixG301 元件整合類比和電源特點，專門用於智慧照明應用。晶片上 LED 預驅動器 (LEDDRV) 子系統 (圖 4) 旨在為單色和可調白光 LED 應用提供節能解決方案。整合一個充電幫浦和兩個閘極驅動器，可直接為場效應電晶體 (FET) 供電，取代專用的驅動器晶片來控制暖白光和冷白光 LED 燈串。

圖 4：LEDDRV 子系統提供高效能 LED 電流調節所需的全部功能。(圖片來源：Silicon Labs)

LEDDRV 周邊裝置提供控制訊號和監控功能，包括電流監控和過電流保護，簡化 LED 電流調節。例如，在典型的單通道 LED 照明應用中，設計人員只需將 LEDDRV 輸出連接到驅動 LED 燈串的外部功率 FET (圖 5)，使用一般用途輸入／輸出 (GPIO) 連接埠感測交流電壓、汲極電壓、峰值電流。

圖 5：整合式 LEDDRV 周邊裝置介面與外部功率 FET 和感測電路連接，用於在可調式白光照明應用中調節 LED 電流。(圖片來源：Silicon Labs)

針對軟體控制，此處理器透過由計時器模組產生的兩個脈寬調變 (PWM) 通道與 LEDDRV 模塊進行介接，達到精準調光和色溫混合。此方法能讓設計人員以韌體達成平滑的調光曲線，以及從暖白光到冷白光的過渡。為了防止操作過熱，設計人員還可以使用軟體進行控制，依據能量管理單元的整合式溫度感測器或外部感測器的測量結果，停用 LEDDRV 模塊。

LEDDRV 模塊還支援雙驅動器和直接驅動配置，設計人員除了能將基本的雙通道設定進行延伸，也能適應不同的功率級拓撲結構。將這些照明導向功能直接嵌入到 SoC 中，SixG301 元件即可達到更緊密的整合、更低的物料清單成本，以及更緊湊的線路供電照明系統設計。

運用評估和原型製作資源加速開發

Silicon Labs 為 SixG301 的開發提供硬體和軟體資源，可加速評估和原型製作。

SixG301 Explorer Kit (SIXG301-EK2719A) (圖 6) 是一款 USB 供電的開發平台，為設計人員提供了一個緊湊、低成本的入門點。此板件以 SiMG301 模組為中心，具有 4 Mbytes 的快閃記憶體和 512 Kbytes 的 RAM，並且提供用於加上感測器和周邊裝置的插槽和連接器。板載 J-Link 除錯器具有虛擬 COM 連接埠和封包追蹤介面，因此無需額外元件即可進行韌體開發和無線電評估。

圖 6：SIXG301-EK2719A 是一款緊湊的 USB 供電開發平台，含連接器和板載 J-Link 除錯器，可進行快速原型開發。(圖片來源：Silicon Labs)

若要進行更進階的開發和瞭解更詳細的效能特徵，SixG301 Flash Pro Kit (SIXG301-PK6037A) (圖 7) 將 SI-MB4002A BRD4002A 無線 Pro Kit 主機板與具有 4 Mbytes 快閃記憶體的 SIXG301-RB4407A 插入式無線電板或具有 8 Mbytes 快閃記憶體的 SIXG301-RB4408A 插入式無線電板結合。此主機板提供整合式偵錯、進階能源監控、全面的周邊裝置分接，用於系統級整合測試；兩款插入式無線電板均包含一個含 512 Kbytes RAM 的 SiMG301、一個匹配網路，以及一個印刷電路板 (PCB) 天線。

圖 7：SixG301 Flash Pro 套件涵蓋功能豐富的主機板、插入式無線電板，以及用於偵錯和效能表徵的連接埠。(圖片來源：Silicon Labs)

SixG301 Explorer Kit 和 SixG301 Flash Pro Kit 皆可搭配 Silicon Labs 的 Simplicity Studio 開發環境。此環境提供設定精靈、範例專案，並可存取 Simplicity Software Development Kit (SDK)。結合這些資源，設計人員能有效率地將設計從初步評估、原型製作，到投入生產。

結論

LED 照明、智慧插頭、開關等線路供電智慧裝置的設計人員面臨巨大的壓力，需要在最低成本下提供高效能、高可靠性、多協定連線性、強大的安全性、高能源效率。Silicon Labs 的 SiMG301 和 SiBG301 新一代 Series 3 無線 SoC 及其相關開發工具能支援這些需求，並為快速開發提供可延伸的基礎。