Los MCU se hacen más pequeños y las aplicaciones IoT se expanden

La combinación de tecnología WLCSP (encapsulado a escala de chip y nivel de oblea), una nueva generación de sensores, y la funcionalidad DSP abrirán áreas de expansión para aplicaciones de MCU en el IoT (Internet de las Cosas). El espacio de aplicación más citado se encuentra en los dispositivos portátiles.

Existen otras oportunidades de diseño donde se requieren nodos de detección remota, tales como sistemas de automatización en el hogar, medidores de caudal, y lectores de códigos de barras. El encapsulado a escala de chip también permite vislumbrar la posibilidad de productos implantables e incluso dispositivos médicos de monitorización ingeribles en el futuro próximo.

En algunas aplicaciones, puede ser importante que el análisis de señales se ubique cerca del sensor. Este espacio de la aplicación es un ámbito particularmente prolífico para los MCU de 32 bits equipados con DSP. La integración de un MCU a escala de chip en un módulo con sensor, un chip de comunicación inalámbrica, y una fuente de energía, podría ofrecer a los diseñadores más flexibilidad en la creación de sistemas independientes de tamaño reducido. Además, les permitiría elegir sensores más pequeños y menos sofisticados pero que igualmente aborden las aplicaciones de alto rendimiento.

WLCSP conceptos básicos

Desde una perspectiva puramente del diseño eléctrico, usar los MCU con encapsulado a escala de chip no presenta problemas importantes en la medida en que los diseñadores utilicen herramientas de diseño de PCB que puedan manejar las características físicas del WLCSP. Las especificaciones pueden variar de un fabricante a otro, pero el paso equivalente de clavija (los WLCSP utilizan puntos de soldadura) es de 0,44 mm, los anchos de seguimiento son de alrededor de 100 µm y el espesor de la máscara de soldadura es de unos 25 µm.

Además de su pequeño espacio en placa y alturas, en comparación con los encapsulados de plástico, los WLCSP ofrecen otras ventajas, como la reducción de la inductancia entre el chip y la placa de circuito impreso, las características de alta conducción térmica, y un corto ciclo de fabricación.

Las clavijas de los encapsulados convencionales se sustituyen por puntos de soldadura (glóbulos) que se organizan en una matriz que tiene un paso de punto a punto que es compatible con los procesos de montaje de placa de circuitos más innovadores. Para montar un molde de WLCSP sobre un sustrato de un circuito impreso, el molde se coloca con los glóbulos de soldadura hacia abajo sobre los puntos de destino del sustrato metálico. Se utiliza un proceso de reflujo de soldadura para fundir la soldadura y formar una unión. La Figura 1 ilustra este proceso.


El chip está conectado al sustrato mediante la soldadura. La adición de un subrelleno aislante es una opción que no aparece en la figura pero que mejorará la fiabilidad de la unión.

Opciones de integración

Los equipos de diseño puede proceder a diseñar el subsistema completo ellos mismos con las piezas WLCSP o pueden optar por una solución diseñada por un tercero que integre dos o más funciones. La decisión depende principalmente de tres criterios: el espacio disponible del sistema, las necesidades energéticas y la singularidad de la aplicación.

Ya que es posible que los diseños IoT de vanguardia incluyan un MCU y capacidad de comunicación, el uso de productos de terceros tiene la ventaja de contar con la certificación previa por parte del grupo comercial que administra la norma. Los MCU inalámbricos se han convertido en una opción popular para agregar funcionalidad tanto de MCU como de comunicación en el mismo chip.

El dispositivo nRF51822 de Nordic Semiconductor, por ejemplo, ofrece funcionalidad MCU y banda base Bluetooth de bajo consumo energético en un solo paquete. El chip cuenta con certificación previa de SIG Bluetooth. En este caso, la porción MCU es un sistema ARM Cortex-M0 de 32 bits. Se incluyen un ADC de 10 bits y varias interfaces seriales para facilitar la integración con los sensores y un coprocesador AES de 128 bits para proporcionar conexiones de datos seguras cuando es necesario
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Una aplicación en la que los MCU a escala de chip podrían llevar este concepto un paso más adelante, y a la vez ser particularmente útil, es el monitor de actividad que detecta la frecuencia cardíaca y está integrado en auriculares. Ya que el uso típico de los auriculares es para escuchar música mientras se ejercita, agregar un sensor y un MCU a la funcionalidad de Bluetooth es una extensión lógica dado que la misma ya está presente en el auricular. Productos tales como los auriculares con monitor de frecuencia cardíaca LG se aproximan a este concepto, aunque no incluyen todas las funciones en un auricular.

La integración del sensor en un módulo multichip es aún un desafío ya que los sensores normalmente no escalan de la misma manera que los chips lógicos. Los principales candidatos para agregar capacidad de sensor son, sorprendentemente, los ledes, los cuales son fabricados mediante un proceso de semiconductores. En resumen, el concepto es que un transceptor LED pueda detectar las variaciones de flujo de fluido (es decir, un pulso) a lo largo del tiempo. En un sensor óptico de pulso de frecuencia cardíaca, la luz dirigida a la piel, o bien rebota hasta un sensor de luz, o bien es absorbida por las células sanguíneas. Que sea reflejada o absorbida en un determinado punto de medición depende del estado del latido del pulso. Las lecturas de los sensores de luz continua pueden proporcionar lecturas de pulso de frecuencia cardíaca increíblemente precisas.

La integración de control de la frecuencia cardíaca en un auricular es una aplicación que probablemente requiera un poderoso motor de cómputo. Todo depende de los algoritmos utilizados para transfomar los datos LED en información significativa acerca de frecuencia del pulso.

Los MCU SimpleLink inalámbricos de Texas Instruments admiten una amplia gama de tecnologías inalámbricas, incluyendo 6LoWPAN basada en estándares, Bluetooth de bajo consumo de energía, conexión inalámbrica a internet, y ZigBee, así como especialidades sub-GHz y 2.4 GHz patentadas. La familia CC3200 integra el portal de TI en la familia de chips integrados en un ARM Cortex-M4 con un transceptor Wi-Fi y funcionalidad de banda base. TI ha hecho que el kit de desarrollo CC3200-LAUNCHXL sea el portal para esta solución.

Una importante subcategoría de MCU inalámbricos utilizan transceptores sub-GHz patentados, que están incluidos en la oferta de productos SimpleLink de TI.

Un ejemplo de ello son los MCU inalámbricos Si106x/Si108x de Silicon Labs que operan en las bandas 490 MHz, 868 MHz y 915 MHz. Los kits de desarrollo de MCU inalámbricos de la compañía Si1060 y Si1062 proporcionan un punto de entrada para permitir a los diseñadores familiarizarse con estos productos.

Diseñar con WLCSP

Los equipos de diseño puede comprometerse a diseñar todo el sistema por sí mismos usando piezas WLCSP. Esta ruta requiere obviamente algo más de diseño que el uso de soluciones de terceros y potencialmente añade certificación estándar a los costos y plazos del ciclo del diseño. Esta vía puede ser una buena idea en particular con los productos de alto volumen en los que los costos de la lista de materiales deben mantenerse en niveles tan bajos como sea posible. En otros casos, el equipo de diseño debe trabajar desde cero, porque ninguna de las soluciones de terceros proporciona una opción perfecta.

Las dificultades a la hora de diseñar desde cero suponen elegir el fabricante adecuado. Los chips WLCSP son un tema más delicado debido a que, básicamente, son una pieza de silicio. Sin embargo, hay otras consideraciones. Ya que los chips no están encapsulados en plástico, la sensibilidad del silicio a la luz puede entrar en juego, en particular con dispositivos de potencia ultrabaja, que sería el caso típico de una aplicación IoT. Los efectos de la luz tienen lugar a nivel físico del dispositivo.

El brillo de la luz sobre el dispositivo puede proporcionar la energía suficiente para causar perturbaciones en el comportamiento del chip. El problema se puede resolver mediante la colocación de un material opaco en el chip. La sensibilidad a la luz es un ejemplo de cómo un experimentado fabricante puede identificar los posibles problemas que pueden no ser evidentes para los diseñadores.

Muchos de los problemas de diseño con los paquetes convencionales se agravan con el WLCSP. Proporcionar una fuente de energía es, probablemente, el más importante. Incluso una batería de celda de tipo botón es grande en comparación con los sistemas basados en dispositivos WLCSP pero aún así resultan generalmente la mejor opción.

La obtención de energía puede ser una posibilidad para algunas aplicaciones, pero incluso las recolectoras solares fotovoltaicas proporcionan sólo 100 mW/cm². Los MCU y transceptores de potencia ultrabaja están comenzando a hacer que la recolección de energía sea una posibilidad realista. La Figura 2 muestra los componentes de un nodo sensor para la recolección de energía. Tenga en cuenta que generalmente se requiere alguna clase de almacenamiento de energía debido a que es probable que la aplicación tenga picos de actividad con una mayoría del tiempo en modo de reposo. Un banco de capacitores es la forma más probable de energía.


Se debe observar más detalladamente al MCU y al transceptor. Los requisitos de las aplicaciones de captación de energía se adaptan muy bien a una simple solución inalámbrica sub-GHz patentada. Los dos parámetros significativos para el transceptor son el consumo de energía en modo de espera y en modo de transmisión.

Un candidato ideal para este tipo de aplicación es un MCU construido en el núcleo ARM Cortex-M4F, que tiene una amplia gama de funciones DSP exclusivas de procesamiento de señal en muchos menos ciclos de reloj que en los MCU sin capacidad DSP.

En comparación con el M3, el núcleo M4F integra un motor de asistencia de hardware FPU y extensiones de instrucción DSP. Por lo tanto, consume más energía cuando funciona a plena aceleración. El M3 debe ejecutar el algoritmo en el software, lo que significa que está en modo activo por más tiempo que el M4F. Para muchos algoritmos utilizados para procesar los datos del sensor, el núcleo M4F consume menos energía.

Localización de piezas WLCSP

Un número de opciones MCU están disponibles para las soluciones WLCSP que se construyen desde cero. En el ámbito del diseño de MCU de 32 bits, Atmel Corp. ofrece sus familias SAM4L y SAM4S en velocidades de reloj de 48 MHz y 120 MHz. Ambas familias se basan en el núcleo Cortex-M4. Una pieza típica, el ATSAM4LS4BA-UUR, ofrece 256 KB de memoria Flash, conectividad I²C, IrDA, LIN, SPI, UART y USB y una gran variedad de periféricos.

Freescale Semiconductor tiene una gama de MCUs WLCSP en su familia Kinetis. El MKL02Z32CAF4R, por ejemplo, funciona a 48 MHz. La conectividad incluye I²C, SPI y UART/USART.

NXP Semiconductors basa sus MCU WLCSP en el núcleo Cortex-M3 de ARM. El LPC1768UKJ funciona con un reloj de 100 MHz y tiene 512 KB de memoria Flash. Ofrece conectividad CAN, Ethernet, I²C, IrDA, Microwire, SPI, SSI, UART/USART, USB OTG y una gran variedad de periféricos.

Silicon Labs ofrece dispositivos WLCSP basados en al menos dos núcleos ARM. El EFM32LG360F128G-E-CSP81 se basa en el núcleo Cortex-M3 que funciona a 48 MHz y tiene 128 KB de memoria Flash (versiones 64 KB y 512 KB disponibles). Las opciones de conectividad incluyen UART/SPI/SmartCard, IrDA, I²C, USB con soporte de host y OTG, y USB 2.0.

El EFM32WG360F64G-A-CSP81 está basado en el núcleo Cortex-M4 de ARM que funciona a 48 MHz y tiene 64 KB de memoria Flash (hay versiones de 128 KB y 256 KB). Tiene una selección similar de interfaces de comunicación y también ofrece soporte de instrucciones DSP y unidad de punto flotante para ejecutar algoritmos de cálculo intensivo. Sus periféricos analógicos también son interesantes e incluyen un ADC de 12 bits y 1 Msamples/s, un sensor de temperatura en el chip, un DAC de 12 bits y 500 ksamples/s, y detección capacitiva con hasta 16 entradas.

Conclusión

A medida que evoluciona la definición de dispositivo portátil conectado a Internet, el tamaño de los sistemas que integran MCU, sensores y comunicaciones está destinado a reducirse. Los fabricantes de MCU están favoreciendo esta tendencia con dispositivos WLCSP que se pueden integrar en módulos más pequeños que si el MCU estuviera en un paquete de plástico convencional. Sin embargo, hay retos importantes para este nivel de integración en el sistema, incluyendo la fuente de energía y el tamaño del sensor, los cuales son más difíciles de reducir que la lógica del semiconductor. Innovadores ingenieros de todas las disciplinas crean constantemente soluciones que incluyen nuevas opciones de sensor y técnicas de recolección de energía. Sin embargo, aún queda mucho margen de innovación antes de que los sistemas ultrapequeños para llevar puestos, así como los implantables e ingeribles, se incorporen a la corriente principal de productos.

Para obtener más información sobre las piezas tratadas en este artículo, utilice los enlaces proporcionados para acceder a las páginas de información de los productos en el sitio web de DigiKey.