System-in-package for IoT sigfox applications

Abstract

In this work, the System-in-Package (SiP) electronic circuit manufacturing technology is presented as an economically viable alternative for implementing solutions where circuits processed in different technologies need to be integrated into a single, compact device. This technology is explored here through the development of a complete hardware plat form designed for implementing devices for the Internet of Things (IoT) in the SigFox standard. The platform consists of an RF front-end module, a sub-GHz radio transceiver capable of operating in any global SigFox configuration, and an ARM M0+ microcon troller with 64 Kbytes of Flash memory, 8 Kbytes of RAM, a 2Kbyte EEPROM, a 12-bit 1.14Msps analog-to-digital multi-channel interface, a 12-bit digital-to-analog interface, ultra-low-power comparators for implementing a wake-up system, and a complete set of digital communication peripherals. In addition to this SiP, only a power source (e.g. two AAA batteries) and an antenna are required to implement applications on the SigFox network. The system integrates an MCU, a radio transceiver, and an RF front-end module, enabling global operation of this device through Sigfox Monarch technology. The SiP operates from a supply voltage of 2.7-3.6 V, and its RF output power is programmable in the range of -30 dBm to 26 dBm. Operating at a supply voltage of 3.3V, it consumes 188.5 mA or 23 mA for RF output power of 22 dBm or 12.8 dBm, at 902.2MHz and 868.13 MHz, respectively. The device also offers a current consumption of 3 µ A in deep sleep mode. The proposed SiP design has successfully met all the requirements for Sigfox Verified certification, enabling the Sigfox Monarch function as well. Currently, it represents the solution with the smallest dimensions approved for Sigfox in the global market, measur ing only 13 mm × 13 mm × 1.1 mm.Neste trabalho é apresentada a tecnologia de fabricação de circuitos eletrônicos System in-Package (SiP), que se oferece como uma alternativa economicamente interessante para a implementação de soluções, onde circuitos processados em tecnologias diversas devem ser integrados em um único dispositivo de tamanho mínimo. Esta tecnologia é aqui explorada através do desenvolvimento de uma plataforma completa de hardware, voltada à implementação de dispositivos para a Internet das Coisas (IoT) no padrão SigFox. Esta plataforma é composta por um módulo front-end de RF, um rádio transceptor sub-GHz, capaz de operar em qualquer configuração global do padrão SigFox, além de um micro controlador ARM M0+, com 64 Kbytes de memória Flash, 8 Kbytes de memória RAM, uma EEPROM de 2Kbytes, interface multi-canal analógico-digital de 12 bits e 1.14Msps, interface digital-analógico de 12 bits, comparadores ultra-low-power para implementação de um sistema de wake-up e linha completa de periféricos de comunicação digital. Além deste SiP, é necessário apenas a conexão de uma fonte de energia (bateria ou 2 pilhas AAA) e de uma antena, para implementar aplicações ma rede SigFox. O sistema integra uma MCU, um rádio transceptor e um módulo front-end de RF, que habilita a operação global deste dispositivo através da tecnologia Sigfox Monarch. O SiP trabalha a partir de uma tensão de alimentação de 2.7-3.6 V e sua potência de saída de RF é programável na faixa de -30 dBm até 26 dBm. Operando com uma tensão de alimentação de 3.3V, ele consome 188.5 mA ou 23 mA para a potência de saída de RF de 22 dBm ou 12.8 dBm, em 902.2MHz e 868.13 MHz respectivamente. O dispositivo também oferece um consumo de corrente de 3 µA no modo deep sleep. O design de SiP proposto, atingiu todos os requisitos da certificação Sigfox Verified com sucesso, habilitando também a função Sigfox Monarch, representando atualmente a solução com as menores dimensões homologada para SigFox no mercado mundial, com apenas 13 mm × 13 mm × 1.1 mm

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