如何改善藍牙電路板的PCB設計

發表時間:2021-04-27 09:28:19 人氣:388


藍牙電路板設計指南


如果不采取某些預防措施,采用藍牙技術的印刷電路板可能會出現干擾,數據丟失和信號完整性差的問題。我們將概述為特定應用選擇藍牙技術時,尤其是將其設計到電路板中時要考慮的許多規則和準則。



各種應用利用藍牙,包括:


l 大型購物中心使用的信標


l 用于工業傳感應用的渦流框架


l 耳機和音頻/立體聲產品


l 遠程外圍設備,例如視頻游戲控制器或計算機鼠標/鍵盤


l 家庭自動化系統


l 無線消費電子應用,包括相機,打印機和電話


每個應用程序都采用相同的通用藍牙技術,但是使用方式不同,并且取決于連接類型,設計工程師需要結合基本原理來優化信號完整性和整體設備效率。


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與Wi-Fi相比,藍牙不是一個非??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)。在大多數情況下,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備上實施。


藍牙技術已有20多年的歷史,并且仍在不斷發展,盡管這些年來藍牙技術在速度,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設計的角度來看,可以采取什么措施來優化信號完整性,最大程度地減少干擾和丟失數據包?


以下是一些藍牙電路設計注意事項和一般經驗法則:


使用認證的模塊


1.如果要將Bluetooth集成到產品中并且資源有限,請考慮使用經過預先認證的,完全包含的模塊,以幫助加快開發速度和上市時間。最終可能會增加一點成本,但通??梢员苊馓炀€放置/設計和EMI敏感性引起的一些麻煩。


當今市場上有幾種價格合理的經過認證的模塊,大多數模塊都集成了小型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,除了其藍牙堆棧外,還可以通過GPIO,SPI,I2C,PWM等控制簡單的外圍設備。


檢查您的藍牙設備選擇


2.確保您為該應用程序選擇了合適的藍牙設備,并且天線的尺寸和調整也適當。


如果您要使用一個簡單的信標應用程序,而該應用程序只需要短時間突發/間隔來通告位置或數據,則可以使用低功耗(藍牙低功耗或BLE),具有最小功能和外圍設備的高性價比解決方案以節省機載房地產和最終成本。


如果您正在尋找更高吞吐量,音頻流或數據交換藍牙應用程序的更多產品,那么您可能需要具有更高發射功率,更高接收靈敏度和更快數據速率的產品(盡管會降低數據傳輸速度)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。


如果您要處理的內容嚴重依賴RSSI讀數,請確保其RSSI監視器具有足夠的dB分辨率。


分離或去除銅信號和高能成分


3.在藍牙芯片組或模塊中進行設計時,請使天線區域完全遠離附近的銅信號或承載大量能量的組件(尤其是經過升壓或降壓轉換器切換的電源路徑)。


這還包括使區域(和板層)沒有平面和多邊形傾倒。大多數藍牙芯片組制造商將提供在PCB設計期間應嚴格遵循的布局指南。如果您要手動布置天線區域,請適當使用接地平面,以在輸入端保持良好的帶寬,并確保為調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,請嘗試針對藍牙設備及其天線所在位置優化板的形狀,將其放在邊緣并遠離附近的組件和信號。如果使用音頻等基于模擬的信號,請確保模擬和數字接地層分開。


屏蔽電子器件(當然不是天線)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入電路板的藍牙區域,以抑制高頻噪聲。


工具與分析


5.如果要設計天線區域,請確保您具有合適的設備(例如網絡分析儀)來分析和調整匹配的網絡,或者考慮將設計發送給第三方RF測試實驗室。


考慮現實世界的障礙


6.在藍牙連接過程中,會導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/平板電腦,計算機,操作設備在同一ISM頻段上,例如微波爐或WLAN技術,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量的風險更高,請選擇功率更高的設備并以較低的速度運行,以最大程度地減少數據包丟失?;蛘?,如果電子設備位于外殼內部,請確保金屬化材料最小化,并且遠離BLE模塊。藍牙信號強度和距離之間的關系不是線性關系。實際上,它是非常非線性的,根據周圍環境有些不可預測,但確實遵循一般模式(如下所示)。




無論您是設計小型,簡單的Beacon模塊,還是設計數據流,耗電的藍牙集線器,遵循這些注意事項都可以在設計的測試/實施階段為您省去很多麻煩。


隨著藍牙PCB組件的擴展,現在是將無線通信和控制整合到產品中的激動人心的時刻,而未來只會帶來更小,更快,更便宜和更強大的藍牙組件。


此文關鍵字: pcb設計