无线模块还是SoC？物联网设计中的成本考虑

原创 EETOP 2023-11-30 12:08

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在设计物联网 (IoT) 设备时，是使用无线模块还是片上系统 (SoC) 可能是一个关键且具有挑战性的决定。每个选项都有其独特的优点和缺点，选择正确的技术需要平衡性能、功能和成本。在本文中，我们将通过详细比较无线模块和 SoC 的成本影响来消除此过程中的一些不确定性。

了解无线模块和 SoC

让我们简要回顾一下正在讨论的技术。

无线模块是一种预先认证的单元，可作为完整的无线解决方案，通常包含带有微控制器、软件堆栈和天线的无线电收发器。无线模块因其易用性和缩短开发时间而受到青睐。

图 1. MRF24WB0MA/MB 2.4 GHz IEEE 802.11b/g/n 无线模块的框图。图片由Microchip提供

片上系统 (SoC)是一种集成电路，在同一硅片上结合了微控制器单元和射频(RF) 前端。SoC提供更多控制和灵活性，但需要更多设计工作。

图 2.通用 SoC 示意图。图片由Michael Keating 和Pierre Bricaud提供

无线模块和SoC的成本比较

我们将使用以下指标来比较无线模块和 SoC 的成本：

初始购买成本。
开发成本。
供应链成本。
可扩展性成本。

初始购买和开发成本

无线模块包括预先认证的射频电路、天线和软件堆栈，所有这些都会增加购买成本。相比之下，SoC 只是没有额外组件的集成电路。由于它们缺少无线模块中的附加组件，因此初始购买成本较低。这使得 SoC 对于预算有限的设计人员来说很有吸引力。

然而，同样的简单性意味着开发成本可能会迅速上升。考虑以下与开发相关的费用清单：

射频设计和工程费用。
实验室设备和基础设施投资。
PCB 配置和天线选择的成本。
认证费用。

无线模块包括预先设计、预先测试的射频电路，无需内部射频设计专业知识，并减少了对实验室测试的需求。它们通常还经过预先认证，并包含内置天线和引脚排列，从而简化了 PCB 布局过程。这些东西都包含在初始购买成本中，并且在开发阶段不需要更多支出。

另一方面，基于 SoC 的设计在进入市场之前需要额外的费用和时间来进行设计、测试和认证。基于无线模块的设计上市时间更短，投资回报更快。

供应链和可扩展性成本

与基于 SoC 的设计所需的所有单独部件相比，采购模块更容易。后一种选择可能会导致更高的供应风险，特别是对于规模较小的公司或在零部件短缺期间。然而，依赖模块供应商来保证供应连续性的成本可能会很高。如果选择 SoC，较大的公司或大批量生产可能会受益于对供应链的更多控制。

此外，无线模块通常意味着更高的单位成本，这在扩大规模时是一个缺点。对于大规模生产，SoC 的单位成本较低，可以抵消较高的开发成本。

盈亏平衡示例：无线模块与 SoC

Silicon Labs 的 Tom Nordman、Joe Tillison 和 Nick Dutton 分析了在物联网设计中使用无线模块和 SoC 的成本。他们比较了BGM210P 无线蓝牙模块和EFR32BG21 蓝牙 SoC的成本（30万件的批量成本）。

他们的成本比较基于以下假设：

年产量为 10,000 至 300,000 件，无线模块和 SoC 的售价分别为 2.99 美元和 1.11 美元。
SoC 的物料清单(BoM) 与制造过程中的测试相结合，每单位成本估计为 0.55 美元。其中 0.05 美元的成本来自测试；0.50 美元是 BoM。
他们计算出其产品的毛利率（产品销售价格与其生产成本之间的差额）为4.98 美元。
据称毛利率为 4.98 美元，比模块价格高出 40%，这意味着利润比他们在产品中使用无线模块时产生的成本高出 40%。
由于其复杂的设计、认证和监管审批流程，该 SoC 被认为需要额外六个月的开发时间。根据工程师平均年薪 100,000 美元，假设这需要额外花费 50,000 美元左右。

考虑到这些因素，并考虑到上市时间和使用 SoC 带来的收入损失，年产量的盈亏平衡产量在 500,000 到 1,300,000 件之间。如果我们忽略由于上市时间延迟而造成的收入损失，盈亏平衡点将下降到100,000 到 200,000 件之间。此处的盈亏平衡和盈亏平衡产量均指使用 SoC 的利润开始等于（并随后超过）使用无线模块的利润的产量范围。

Silicon Labs 团队的分析图如图 3 所示。黄线内的区域代表盈亏平衡量。由于生产过程中存在风险和不确定性，这个数量是一个范围，而不是一个点。

图 3.无线 SoC 和无线模块的盈亏平衡。图片由Silicon Labs提供

当产量低于 500,000 件时，使用无线模块比使用 SoC 更有利可图。这是由于与 SoC 相关的前期成本较高且上市时间较长。然而，一旦产量达到收支平衡区，这些前期成本可能会分摊到足够多的单元上，从而使 SoC 成为利润更高的选择。

作者指出，SoC 可能不是所有大批量产品的最佳选择。例如，由于物联网设备小型化的挑战，一些最畅销的移动设备选择无线模块，而本盈亏平衡比较没有考虑到这一点。无线模块提供紧凑的设计（SiP 模块）、全面的全球认证和具有竞争力的组件成本。尽管 SoC 具有潜在的大规模成本效益，但也存在无法量化的风险，例如技术问题或认证问题。

最佳选择

使用 SoC 进行设计使产品开发人员能够灵活地定制设计其系统并集成他们所需的硬件和软件功能。这种可定制性的另一面是增加了复杂性和更长的开发时间——设计人员需要深入了解 SoC 架构及其上运行的软件。

相比之下，预制无线模块通常需要较少的开发时间和专业知识，但在定制和集成方面可能会有所不足。对于较小的生产运行，或者如果快速上市时间至关重要，无线模块可能更具成本效益；对于较大的产量，或者如果有内部专业知识，SoC 可能会更具成本效益。

那么最终，什么才是最划算的选择呢？这是一个不稳定的答案，取决于许多因素：具体产品、设计师、产品发布的紧迫性、产量等等。希望本文能够帮助您做出明智的选择。

本文由EETOP编译整理自allaboutcircuits

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