適用於連線式健康裝置的無線 SoC

幾十年來，醫療保健業不斷使用更多數位科技。新冠肺炎疫情加速了這一改變。疫情期間需遠距求醫，也因此突顯了數位科技的幾項優勢，例如更有效率的提供保健，以及持續監測病患。科技持續進步，醫療物聯網 (IoMT) 應運而生：使用可攜式和／或穿戴式醫療裝置及感測器的病患，與對應的醫療保健系統及提供者，透過網際網路建立連線。許多裝置已廣泛採用，例如連續血糖值和心臟監視器。IoMT 裝置能幫助自動傳輸資料，減少人為錯誤。預測性資料分析和人工智慧 (AI) 的發展，讓 IoMT 裝置的功能更強大；能進行資料導向診斷，並提早偵測到異常、提高病患的自我參與度，還能降低保健花費。

IoMT 裝置的關鍵要求

• 安全性：醫療資訊本質上很敏感，因此傳輸時必須具備高安全性。先進加密標準 (AES) 與橢圓曲線加密 (ECC)，能使用安全金鑰對資料傳輸進行加密和解密，因此能對資料進行驗證。裝置內建真實亂數產生器 (TRNG)，有助於安全地產生金鑰。利用半導體元件中獨特的物理反複製功能 (PUF) 進行裝置識別，能徹底減少欺騙攻擊。安全啟動硬體協定，以及能防止存取裝置記憶體保護區的防竄改機制，有助於增強裝置的安全性。
• 功耗：穿戴式和可攜式裝置通常以電池供電。一些能最大程度延長電池續航力的重要特點包含 Bluetooth LE 5.x 等低功耗通訊協定、裝置閒置時採用的節能模式，以及能讓運作效能和功耗達到最佳表現的高效率架構。
• 尺寸小巧、特點豐富：由於小巧輕便，能用於穿戴式和可攜式醫療應用。智慧型牙齒植體等新興應用，必須具有非常小的尺寸。系統單晶片 (SoC) 的概念可在單晶片中高度整合多種功能，包括高速類比和數位感測、量測、資料轉換、通訊等周邊特點。其他必要需求包括無線連線、高速資料處理 (大型快閃記憶體和 RAM 記憶體)、精密低頻／低功耗時脈和計時器、DC/DC 電壓調節等。

Silicon Labs 針對 IoMT 應用推出 EFRBG27 無線 Gecko SoC 系列

2023 年 3 月，Silicon Labs 宣佈推出一系列安全節能元件，為 Wireless Gecko 產品組合加入新血，包括非常適合 IoMT 應用的 BG27 系列 Bluetooth LE SoC 元件。

圖 1 的方塊圖，展示 BG27 SoC 豐富的特點。下方列出主要特點的細節：

圖 1：EFR32BG27 無線 Gecko SoC 系列的特點。(圖片來源：Silicon Labs)

處理器和記憶體：76.8 MHz、32 位元的 ARM Cortex® M33 RISC 核心，搭載 DSP 指令與浮點單元，能達到 1.50 Dhrystone MIPS/MHz 的高效能訊號處理能力。內含 ARM TrustZone 安全性技術。快閃記憶體為 768 kB、資料記憶體為 64 kB RAM。鏈結式直接記憶體存取控制器 (LDMA) 讓系統能獨立於軟體外執行記憶體作業，因此能減少能源消耗和軟體工作負載。

低功率模式：EFR32BG27 中的能源管理單元 (EMU)，用於管理 SoC 能源模式的轉換 (EM0 至 EM4)。此單元能讓應用以動態的方式，徹底降低程式執行期間的能源消耗。EM0 模式提供的特點最多，例如以最高的時脈頻率使用 CPU、無線電和周邊裝置。在低功耗主動模式 EM2 和 EM3 下，可以停用周邊裝置。切換能源模式時，能源管理單元會使用電壓調整功能，儘量在較低的電壓下操作以達最佳能效。EM4 是一種非活動的最低功率狀態，可以從此狀態喚醒系統，進入 EM0 模式。

DC/DC 轉換：EFR32BG27 系列在晶片上搭載降壓與升壓模式轉換器，能提供所需的內部電壓 (1.8 V)。EFR32BG27C230F768IM32-B 等升壓模式元件，工作電壓最低達 0.8 V，支援鹼性單電池、氧化銀及其他低電壓電池作業。升壓轉換器能以專用 BOOST_EN 引腳來關閉，因此能在儲存和出貨時節省系統的電池電量。在此模式下，電流消耗量最多只有 20/50 nA，依特定引腳的供電規格而定。EFR32BG27C140F768IM40-B 等降壓模式元件，外部供電電壓最高可達 3.8 V。當電壓低到足以繞過穩壓器時，晶片上的電壓監視器會發出訊號，並將電壓範圍延伸至 1.8 V。旁路模式還能使系統進入 EM4 節能模式。DC/DC 轉換器中整合庫倫計數器區塊。包含兩個 32 位元計數器，用於測量 DC/DC 轉換器傳遞的電荷脈衝數，能準確追蹤電池電量，提高使用者的安全性。

藍牙 5.x 網路：此 SoC 系列支援低功耗藍牙 (LE) 無線協定。無線電接收器採用低中頻架構，此架構包含低雜訊放大器和 I/Q 降轉技術。自動增益控制 (AGC) 模組會調整接收器增益以避免飽和，改善選擇性和阻斷效能。2.4 GHz 無線電在生產時會進行校正，以提高鏡像抑制效能。此系列的發射功率範圍介於 4 dBm 至 8 dBm。無線射頻雜訊獲得緩解，包括 DC/DC 轉換器能在啟動時以軟切換模式運作，以及進行 DC/DC 穩壓-旁路模式轉換，以限制最大電源迴轉率並緩解湧入電流。RFSENSE 區塊能讓元件持續處於 EM2、EM3 或 EM4 節能模式，並在無線射頻能量超過指定閾值時喚醒。

安全性：EFR32BG27 系列 SoC 具有廣泛的安全特點，如圖 2 所示。

圖 2：EFR32BG27 無線 Gecko SoC 系列的安全特點。(圖片來源：Silicon Labs)

具有信任根和安全載入程式 (RTSL) 的安全啟動將驗證受信任的韌體，此韌體從不可竄改的唯讀記憶體 (ROM) 啟動。加密加速器支援 AES 和 ECC 的加密與解密。亦附有差分能量分析 (DPA) 應對措施，以保護金鑰。TRNG 從熱源取得熵，並如 NIST SP800-90B 和 AIS-31 標準所要求，為此來源實行啟動健全測試，並實行 NIST SP800-90C 要求的線上健全測試。出廠時鎖定的偵錯介面能安全解鎖，可以在根據公鑰加密的驗證後進行存取。硬體方面，外部竄改偵測 (ETAMPDET) 模組有助於偵測外部竄改行為，例如是否有人擅自打開外殼。能產生中斷訊號以便警告軟體，並允許在系統層級執行動作。

眾多周邊裝置：SoC 內含混合式類比數位轉換器，轉換器本身結合 SAR 和 Delta Sigma 技術。12 位元模式的運作速度可高達 1 Msps，16 位元轉換器則可高達 76.9 ksps。類比比較器模組能使用內部或外部參考電壓，也能用來感測電源電壓。支援 SPI、USART 和 I2C 序列通訊模式。即時時脈與擷取 (RTCC) 模組可以在最低 EM3 能源模式下提供 32 位元計時功能，並能以內部低頻振盪器來計時。低功耗計時器 (LETIMER) 提供 24 位元解析度，當大多數元件皆斷電時，也能用來產生計時與輸出，以最小的功耗執行簡單的任務。周邊裝置反射系統 (PRS) 是一種訊號路由網路，能讓周邊模組直接相互通訊，完全不需要 CPU。這能降低軟體開銷和電流消耗量。

低覆蓋區封裝：EFR32BG27 系列其中一款元件是 EFR32BG27C320F768GJ39-B。此元件採用晶圓級晶片尺寸封裝 (WLCSP)，尺寸僅 2.6 mm x 2.3 mm，能在降壓或升壓穩壓器模式下執行。其餘系列產品採用 QFN32 4 mm x 4 mm 或 QFN40 5 mm x 5 mm 封裝，具有特定的穩壓器模式 (不是降壓就是升壓穩壓器)。

結論

EFR32BG27 提供業界一流的節能處理能力及低功率藍牙連線。這些小型 SoC 具有多種安全特點，非常適合 IoMT 應用。