Leiterplattentechnisch - Wie man das PCB-Design der Bluetooth-Leiterplatte verbessert

Anleitung zum Design von Bluetooth-Leiterplatten

Wenn bestimmte Vorsichtsmaßnahmen nicht getroffen werden, Leiterplatten Bei Verwendung der Bluetooth-Technologie kann es zu Störungen kommen, Datenverlust, und schlechte Signalintegrität. Es wird die vielen Regeln und Richtlinien umreißen, die bei der Auswahl der Bluetooth-Technologie für eine bestimmte Anwendung zu beachten sind, besonders bei der Gestaltung in eine Leiterplatte.

Verschiedene Anwendungen nutzen Bluetooth, darunter:

Leuchtfeuer in Einkaufszentren

Wirbelstromrahmen für industrielle Sensoranwendungen

Kopfhörer und Audio-/Stereoprodukte

Remote-Peripheriegeräte wie Videospielcontroller oder Computermaus/Tastatur

Hausautomationssystem

Drahtlose Unterhaltungselektronik-Anwendungen, einschließlich Kameras, Drucker und Telefone

Jede Anwendung verwendet die gleiche allgemeine Bluetooth-Technologie, aber auf unterschiedliche Weise und je nach Verbindungstyp müssen Konstrukteure grundlegende Prinzipien kombinieren, um die Signalintegrität und die allgemeine Geräteeffizienz zu optimieren.

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Im Vergleich zu Wi-Fi ist Bluetooth keine sehr schnelle drahtlose Option, aber es wird immer schneller. Es kann auch Wände und andere nahe gelegene Hindernisse nicht gut durchdringen und hat eine schlechte Reichweite.

Obwohl es noch in Arbeit ist, ist es immer noch eine gute Wahl (5.0 ist das neueste Update, eine gute Verbesserung gegenüber 4.2). In den meisten Fällen ist es eine niedrige Stromaufnahme, zuverlässige, sichere, weit unterstützte Option und kann leicht auf verschiedenen kleinen Peripheriegeräten implementiert werden.

Die Bluetooth-Technologie hat eine Geschichte von mehr als zwanzig Jahren und entwickelt sich immer noch weiter. Obwohl sich die Bluetooth-Technologie im Laufe der Jahre in Bezug auf Geschwindigkeit, Leistung, Reichweite, Sicherheit und andere Eigenschaften verbessert hat, scheint es immer noch zu sein. Es gibt einige der gleichen Probleme, einschließlich seiner Anfälligkeit für Signalstörungen.

Also, aus der Perspektive von PCB Design, Welche Maßnahmen zur Optimierung der Signalintegrität und Minimierung von Interferenzen und Paketverlusten ergriffen werden können?

Im Folgenden sind einige Überlegungen zum Design von Bluetooth-Schaltungen und allgemeine Faustregeln aufgeführt:

Zertifizierte Module verwenden

1. Wenn Sie Bluetooth in Ihr Produkt integrieren möchten und über begrenzte Ressourcen verfügen, sollten Sie vorzertifizierte, vollständig enthaltene Module verwenden, um die Entwicklung und Markteinführung zu beschleunigen. Am Ende kann es einige Kosten erhöhen, aber es kann normalerweise einige Probleme vermeiden, die durch Antennenplazierung/Design und EMI-Empfindlichkeit verursacht werden.

Es gibt heute mehrere zertifizierte Module zu vernünftigen Preisen auf dem Markt, von denen die meisten einen kleinen ARM-Prozessor integrieren, wie z.B. Microchips RN4020 oder RN4870 oder Silicon Labs BT121 oder BGM113. Die Montage des Prozessors auf der Platine ermöglicht es ihm, mehr Flexibilität und Funktionen zu haben. Zum Beispiel können neben dem Bluetooth Stack einfache Peripheriegeräte über GPIO, SPI, I2C, PWM usw. gesteuert werden.

Überprüfen Sie Ihre Bluetooth-Geräteauswahl

2. Stellen Sie sicher, dass Sie das geeignete Bluetooth-Gerät für die Anwendung ausgewählt haben, und dass die Antennengröße und -einstellung ebenfalls angemessen sind.

Wenn Sie eine einfache Beacon-Anwendung verwenden möchten und die Anwendung nur kurze Bursts/Intervalle benötigt, um Standort oder Daten anzuzeigen, können Sie Low Energy (Bluetooth Low Energy oder BLE) mit minimalen Funktionen und Peripheriegeräten verwenden. Eine kostengünstige Lösung für Geräte, um an Bord Immobilien und Endkosten zu sparen.

Wenn Sie nach mehr Produkten mit höherem Durchsatz, Audio-Streaming oder Datenaustausch Bluetooth-Anwendungen suchen, benötigen Sie möglicherweise Produkte mit höherer Sendeleistung, höherer Empfangsempfindlichkeit und schnellerer Datenrate (obwohl dies die Datenübertragungsgeschwindigkeit verringert. Rate hilft normalerweise, Paketverlust zu minimieren).

Wenn Sie nach einem All-in-One-Chip suchen, sollten Sie einen Chipsatz verwenden, der leistungsstarke oder zusätzliche Prozessoren enthält, die verfügbare UART-, SPI-, I2C-, PWM-, ADC-, DAC- und GPIO-Pins enthalten.

Wenn Sie es mit Inhalten zu tun haben, die stark auf RSSI-Messwerte angewiesen sind, stellen Sie bitte sicher, dass der RSSI-Monitor über eine ausreichende dB-Auflösung verfügt.

Trennen oder Entfernen von Kupfersignalen und hochenergetischen Komponenten

3. Wenn Sie in einem Bluetooth-Chipsatz oder -Modul entwerfen, halten Sie bitte den Antennenbereich vollständig von nahe gelegenen Kupfersignalen oder Komponenten fern, die viel Energie tragen (insbesondere den Strompfad, der durch einen Boost- oder Buck-Konverter geschaltet wird).

This also includes making areas (and slabs) free of flat and polygonal dumping. Die meisten Bluetooth-Chipsatzhersteller stellen Layoutrichtlinien bereit, die während der PCB-Design. Wenn Sie den Antennenbereich manuell anordnen möchten, please use a ground plane appropriately to maintain a good bandwidth at the input and make sure to leave enough space for the tuning element (printed and ceramic antennas require a ground plane).

Verwenden Sie Masseverbindungen, um unnötige Strahlung vom Rand der Leiterplatte zu verhindern, da diese in nahe gelegene Bluetooth-Signale eindringen kann. Wenn möglich, versuchen Sie, die Form der Platine für den Standort des Bluetooth-Geräts und seiner Antenne zu optimieren, indem Sie es an der Kante und weg von nahe gelegenen Komponenten und Signalen platzieren. Wenn Sie analoge Signale wie Audio verwenden, stellen Sie sicher, dass die analoge und die digitale Masseebene getrennt sind.

Es ist immer eine gute Idee, die Elektronik (nicht natürlich die Antenne) abzuschirmen, um Kreuzkupplungen zu vermeiden und Geräusche zu minimieren.

Vorsichtsmaßnahmen für die Stromversorgung

4. Stellen Sie sicher, dass die Schienen, die das Bluetooth-Modul oder den Chip versorgen, sauber sind, und verwenden Sie Bypass (1.0 uF) und Entkopplungskondensatoren (0.1uF und 10nF), wenn erforderlich. Sie können auch Ferritperlen auf der Stromschiene verwenden, um den Bluetooth-Bereich der Leiterplatte zu betreten, um hochfrequente Rauschen zu unterdrücken.

Werkzeuge und Analysen

5.Wenn Sie den Antennenbereich entwerfen möchten, stellen Sie bitte sicher, dass Sie über die entsprechende Ausrüstung (z. B. einen Netzwerkanalysator) verfügen, um das passende Netzwerk zu analysieren und anzupassen, oder erwägen Sie, das Design an ein HF-Testlabor eines Drittanbieters zu senden.

Betrachten Sie die Hindernisse der realen Welt

6. Während des Bluetooth-Verbindungsprozesses gibt es viele Faktoren, die Blockierung oder Entstörung verursachen können, einschließlich nahegelegenes Wasser (Menschen sind auch... wir sind hauptsächlich Wasser), metallisierte Objekte, Smartphones/Tablets, Computer und Bediengeräte. Auf demselben ISM-Frequenzband, wie Mikrowellenherd oder WLAN-Technologie, Stromversorgung, drahtloses HF-Video, Bürobeleuchtung und Heimtelefon.

Selbst wenn es in einer engen Entfernung (1-2 Meter) gekoppelt ist, ist es extrem anfällig für Signalverlust. Wenn solche Bedingungen ein höheres Risiko haben, die Signalqualität zu beeinträchtigen, wählen Sie ein Gerät mit höherer Leistung und führen Sie es mit einer geringeren Geschwindigkeit aus, um Paketverluste zu minimieren. Wenn sich das elektronische Gerät im Gehäuse befindet, stellen Sie sicher, dass das Metallisierungsmaterial minimiert und vom BLE-Modul ferngehalten wird. Die Beziehung zwischen Bluetooth Signalstärke und Entfernung ist nicht linear. Tatsächlich ist es sehr nichtlinear und etwas unvorhersehbar je nach Umgebung, aber es folgt einem allgemeinen Muster.

Egal, ob Sie ein kleines, einfaches Beacon-Modul entwerfen oder einen Datenstrom-stromverbrauchenden Bluetooth-Hub entwerfen, diese Vorsichtsmaßnahmen können Ihnen in der Test-/Implementierungsphase des Designs viel Mühe ersparen.

With the expansion of Bluetooth PCB Komponenten, Jetzt ist eine spannende Zeit, drahtlose Kommunikation und Steuerung in Produkte zu integrieren, und die Zukunft wird nur kleinere, schneller, günstigere und leistungsfähigere Bluetooth-Komponenten.