藍(lán)牙電路板設(shè)計指南
如果不采取某些預(yù)防措施,采用藍(lán)牙技術(shù)的印刷電路板可能會出現(xiàn)干擾,數(shù)據(jù)丟失和信號完整性差的問題。我們將概述為特定應(yīng)用選擇藍(lán)牙技術(shù)時,尤其是將其設(shè)計到電路板中時要考慮的許多規(guī)則和準(zhǔn)則。
各種應(yīng)用利用藍(lán)牙,包括:
l 大型購物中心使用的信標(biāo)
l 用于工業(yè)傳感應(yīng)用的渦流框架
l 遠(yuǎn)程外圍設(shè)備,例如視頻游戲控制器或計算機(jī)鼠標(biāo)/鍵盤
l 家庭自動化系統(tǒng)
l 無線消費電子應(yīng)用,包括相機(jī),打印機(jī)和電話
每個應(yīng)用程序都采用相同的通用藍(lán)牙技術(shù),但是使用方式不同,并且取決于連接類型,設(shè)計工程師需要結(jié)合基本原理來優(yōu)化信號完整性和整體設(shè)備效率。
與Wi-Fi相比,藍(lán)牙不是一個非??焖俚臒o線選擇,但是它變得越來越快。它也不能很好地穿透墻壁和其他附近的障礙物,并且射程很差。
盡管仍在進(jìn)行中,但它仍然是一個不錯的選擇(5.0是最新更新,相對于4.2是不錯的改進(jìn))。在大多數(shù)情況下,它是一種功耗較低,可靠,安全,得到廣泛支持的選件,可以輕松地在各種小型外圍設(shè)備上實施。
藍(lán)牙技術(shù)已有20多年的歷史,并且仍在不斷發(fā)展,盡管這些年來藍(lán)牙技術(shù)在速度,功率,范圍,安全性和其他屬性方面都有所提高,但自90年代中期概念問世以來,它似乎仍然存在一些相同的問題,包括其對信號干擾的敏感性。
那么,從PCB設(shè)計的角度來看,可以采取什么措施來優(yōu)化信號完整性,最大程度地減少干擾和丟失數(shù)據(jù)包?
以下是一些藍(lán)牙電路設(shè)計注意事項和一般經(jīng)驗法則:
使用認(rèn)證的模塊
1.如果要將Bluetooth集成到產(chǎn)品中并且資源有限,請考慮使用經(jīng)過預(yù)先認(rèn)證的,完全包含的模塊,以幫助加快開發(fā)速度和上市時間。最終可能會增加一點成本,但通常可以避免天線放置/設(shè)計和EMI敏感性引起的一些麻煩。
當(dāng)今市場上有幾種價格合理的經(jīng)過認(rèn)證的模塊,大多數(shù)模塊都集成了小型ARM處理器,例如Microchip的RN4020或RN4870或Silicon Labs的BT121或BGM113。將處理器安裝在板上可以使其具有更大的靈活性和功能,例如,除了其藍(lán)牙堆棧外,還可以通過GPIO,SPI,I2C,PWM等控制簡單的外圍設(shè)備。
檢查您的藍(lán)牙設(shè)備選擇
2.確保您為該應(yīng)用程序選擇了合適的藍(lán)牙設(shè)備,并且天線的尺寸和調(diào)整也適當(dāng)。
如果您要使用一個簡單的信標(biāo)應(yīng)用程序,而該應(yīng)用程序只需要短時間突發(fā)/間隔來通告位置或數(shù)據(jù),則可以使用低功耗(藍(lán)牙低功耗或BLE),具有最小功能和外圍設(shè)備的高性價比解決方案以節(jié)省機(jī)載房地產(chǎn)和最終成本。
如果您正在尋找更高吞吐量,音頻流或數(shù)據(jù)交換藍(lán)牙應(yīng)用程序的更多產(chǎn)品,那么您可能需要具有更高發(fā)射功率,更高接收靈敏度和更快數(shù)據(jù)速率的產(chǎn)品(盡管會降低數(shù)據(jù)傳輸速度)速率通常有助于最大程度地減少丟包)。
如果您正在尋找一種多合一芯片,請考慮使用包含功能強(qiáng)大或輔助處理器的芯片組,這些處理器包括可用的UART,SPI,I2C,PWM,ADC,DAC和GPIO引腳。
如果您要處理的內(nèi)容嚴(yán)重依賴RSSI讀數(shù),請確保其RSSI監(jiān)視器具有足夠的dB分辨率。
分離或去除銅信號和高能成分
3.在藍(lán)牙芯片組或模塊中進(jìn)行設(shè)計時,請使天線區(qū)域完全遠(yuǎn)離附近的銅信號或承載大量能量的組件(尤其是經(jīng)過升壓或降壓轉(zhuǎn)換器切換的電源路徑)。
這還包括使區(qū)域(和板層)沒有平面和多邊形傾倒。大多數(shù)藍(lán)牙芯片組制造商將提供在PCB設(shè)計期間應(yīng)嚴(yán)格遵循的布局指南。如果您要手動布置天線區(qū)域,請適當(dāng)使用接地平面,以在輸入端保持良好的帶寬,并確保為調(diào)諧元件留出足夠的空間(印刷和陶瓷天線需要接地平面)。
使用接地線跡過孔來防止PCB邊緣不必要的輻射,因為它可能會穿透附近的Bluetooth信號。如果可以,請嘗試針對藍(lán)牙設(shè)備及其天線所在位置優(yōu)化板的形狀,將其放在邊緣并遠(yuǎn)離附近的組件和信號。如果使用音頻等基于模擬的信號,請確保模擬和數(shù)字接地層分開。
屏蔽電子器件(當(dāng)然不是天線)始終是一個好主意,以防止交叉耦合并使噪聲最小化。
電源注意事項
4.確保為Bluetooth模塊或芯片供電的導(dǎo)軌干凈,并在需要時使用旁路(1.0 uF)和去耦電容器(0.1uF和10nF)。還可以在電源軌上使用鐵氧體磁珠進(jìn)入電路板的藍(lán)牙區(qū)域,以抑制高頻噪聲。
工具與分析
5.如果要設(shè)計天線區(qū)域,請確保您具有合適的設(shè)備(例如網(wǎng)絡(luò)分析儀)來分析和調(diào)整匹配的網(wǎng)絡(luò),或者考慮將設(shè)計發(fā)送給第三方RF測試實驗室。
考慮現(xiàn)實世界的障礙
6.在藍(lán)牙連接過程中,會導(dǎo)致阻塞或失諧的因素有很多種,包括附近的水(人類也是……我們主要是水),金屬化物體,智能手機(jī)/平板電腦,計算機(jī),操作設(shè)備在同一ISM頻段上,例如微波爐或WLAN技術(shù),電源,無線RF視頻,辦公照明和家用電話。
即使在近距離(1-2米)配對時,它也極易受到信號丟失的影響。如果此類情況影響信號質(zhì)量的風(fēng)險更高,請選擇功率更高的設(shè)備并以較低的速度運(yùn)行,以最大程度地減少數(shù)據(jù)包丟失?;蛘?,如果電子設(shè)備位于外殼內(nèi)部,請確保金屬化材料最小化,并且遠(yuǎn)離BLE模塊。藍(lán)牙信號強(qiáng)度和距離之間的關(guān)系不是線性關(guān)系。實際上,它是非常非線性的,根據(jù)周圍環(huán)境有些不可預(yù)測,但確實遵循一般模式(如下所示)。
無論您是設(shè)計小型,簡單的Beacon模塊,還是設(shè)計數(shù)據(jù)流,耗電的藍(lán)牙集線器,遵循這些注意事項都可以在設(shè)計的測試/實施階段為您省去很多麻煩。
隨著藍(lán)牙PCB組件的擴(kuò)展,現(xiàn)在是將無線通信和控制整合到產(chǎn)品中的激動人心的時刻,而未來只會帶來更小,更快,更便宜和更強(qiáng)大的藍(lán)牙組件。
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