PCB Tecnico - Come migliorare il design PCB del circuito stampato Bluetooth

Guida alla progettazione del circuito stampato Bluetooth

Se non vengono adottate determinate precauzioni, i circuiti stampati che utilizzano la tecnologia Bluetooth possono subire interferenze, perdita di dati e scarsa integrità del segnale. Esso delinea le molte regole e linee guida da considerare quando si seleziona la tecnologia Bluetooth per una specifica applicazione, soprattutto quando si progetta in un circuito stampato.

Diverse applicazioni utilizzano Bluetooth, tra cui:

Beacon utilizzati nei centri commerciali

Struttura a corrente continua per applicazioni di rilevamento industriale

Cuffie e prodotti audio/stereo

Periferiche remote, come controller di videogiochi o mouse/tastiera del computer

Sistema domotico

Applicazioni elettroniche di consumo senza fili, comprese fotocamere, stampanti e telefoni

Ogni applicazione utilizza la stessa tecnologia Bluetooth generale, ma in modi diversi e a seconda del tipo di connessione, i progettisti devono combinare i principi di base per ottimizzare l'integrità del segnale e l'efficienza complessiva del dispositivo.

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Rispetto al Wi-Fi, il Bluetooth non è un'opzione wireless molto veloce, ma sta diventando sempre più veloce. Inoltre non può penetrare bene i muri e altri ostacoli vicini, e ha una scarsa portata.

Anche se ancora in corso, è ancora una buona scelta (5.0 è l'ultimo aggiornamento, un buon miglioramento rispetto alla 4.2), nella maggior parte dei casi è un'opzione a basso consumo energetico, affidabile, sicura, ampiamente supportata, e può essere facilmente implementata su varie periferiche di piccole dimensioni.

La tecnologia Bluetooth ha una storia di oltre 20 anni ed è ancora in evoluzione. Anche se la tecnologia Bluetooth è migliorata in termini di velocità, potenza, portata, sicurezza e altre proprietà nel corso degli anni, sembra ancora esserci alcuni degli stessi problemi, tra cui la sua suscettibilità alle interferenze del segnale.

Quindi, dal punto di vista della progettazione PCB, quali misure possono essere adottate per ottimizzare l'integrità del segnale e ridurre al minimo le interferenze e la perdita di pacchetti?

Di seguito sono riportate alcune considerazioni di progettazione del circuito bluetooth e regole generali:

Utilizzare moduli certificati

1. Se si desidera integrare Bluetooth nel proprio prodotto e disporre di risorse limitate, si prega di considerare l'utilizzo di moduli pre-certificati e completamente contenuti per aiutare ad accelerare lo sviluppo e il time to market. Alla fine, può aumentare un po 'di costo, ma di solito può evitare alcuni problemi causati dal posizionamento / design dell'antenna e la suscettibilità EMI.

Ci sono diversi moduli certificati a prezzi ragionevoli oggi sul mercato, la maggior parte dei quali integra un piccolo processore ARM, come RN4020 o RN4870 di Microchip o BT121 o BGM113 di Silicon Labs. Il montaggio del processore sulla scheda consente di avere una maggiore flessibilità e funzioni. Ad esempio, oltre al suo stack Bluetooth, le periferiche semplici possono essere controllate tramite GPIO, SPI, I2C, PWM, ecc.

Verifica la selezione del dispositivo Bluetooth

2. Assicurarsi di aver selezionato il dispositivo Bluetooth appropriato per l'applicazione e che le dimensioni e la regolazione dell'antenna siano appropriate.

Se si desidera utilizzare una semplice applicazione beacon, e l'applicazione necessita solo di brevi raffiche/intervalli per annunciare la posizione o i dati, è possibile utilizzare a basso consumo energetico (Bluetooth Low Energy o BLE) con funzionalità e periferiche minime Una soluzione conveniente per le apparecchiature per risparmiare beni immobili a bordo e costi finali.

Se siete alla ricerca di più prodotti con maggiore throughput, streaming audio o applicazioni Bluetooth di scambio dati, allora potreste aver bisogno di prodotti con maggiore potenza di trasmissione, maggiore sensibilità di ricezione e velocità di trasmissione dati più veloce (anche se ridurrà la velocità di trasmissione dati) Tasso di solito aiuta a ridurre al minimo la perdita di pacchetti).

Se stai cercando un chip all-in-one, considera l'utilizzo di un chipset che contiene processori potenti o ausiliari che includono i pin UART, SPI, I2C, PWM, ADC, DAC e GPIO disponibili.

Se hai a che fare con contenuti che si basano fortemente sulle letture RSSI, assicurati che il suo monitor RSSI abbia una risoluzione dB sufficiente.

Separare o rimuovere segnali in rame e componenti ad alta energia

3. Quando si progetta in un chipset o modulo Bluetooth, si prega di tenere l'area dell'antenna completamente lontana dai segnali in rame vicini o componenti che trasportano molta energia (in particolare il percorso di alimentazione commutato da un convertitore boost o buck).

Ciò include anche la realizzazione di aree (e lastre) libere da scarichi piatti e poligonali. La maggior parte dei produttori di chipset Bluetooth fornirà linee guida di layout che dovrebbero essere rigorosamente seguite durante la progettazione PCB. Se si desidera disporre manualmente l'area dell'antenna, utilizzare un piano di terra appropriato per mantenere una buona larghezza di banda all'ingresso e assicurarsi di lasciare spazio sufficiente per l'elemento di sintonizzazione (antenne stampate e ceramiche richiedono un piano di terra).

Utilizzare vias traccia di terra per evitare radiazioni inutili dal bordo del PCB, in quanto potrebbe penetrare i segnali Bluetooth vicini. Se possibile, cercare di ottimizzare la forma della scheda per la posizione del dispositivo Bluetooth e della sua antenna, posizionandola sul bordo e lontano da componenti e segnali vicini. Se si utilizzano segnali analogici come l'audio, assicurarsi che i piani di terra analogici e digitali siano separati.

È sempre una buona idea proteggere l'elettronica (non l'antenna, ovviamente) per evitare l'accoppiamento incrociato e ridurre al minimo il rumore.

Precauzioni di alimentazione

4. Assicurarsi che le rotaie che alimentano il modulo Bluetooth o il chip siano pulite e utilizzare bypass (1.0 uF) e condensatori di disaccoppiamento (0.1uF e 10nF) quando necessario. È inoltre possibile utilizzare perle di ferrite sulla guida elettrica per entrare nell'area Bluetooth del circuito stampato per sopprimere il rumore ad alta frequenza.

Strumenti e analisi

5. Se si desidera progettare l'area dell'antenna, assicurarsi di avere l'attrezzatura appropriata (come un analizzatore di rete) per analizzare e regolare la rete corrispondente, o prendere in considerazione l'invio del progetto a un laboratorio di prova RF di terze parti.

Considera gli ostacoli del mondo reale

6. Durante il processo di connessione Bluetooth, ci sono molti fattori che possono causare blocco o detuning, tra cui l'acqua nelle vicinanze (gli esseri umani sono anche... siamo principalmente acqua), oggetti metallizzati, smartphone / tablet, computer e dispositivi operativi. Sulla stessa banda di frequenza ISM, come forno a microonde o tecnologia WLAN, alimentazione elettrica, video RF wireless, illuminazione dell'ufficio e telefono domestico.

Anche se accoppiato a distanza ravvicinata (1-2 metri), è estremamente suscettibile alla perdita di segnale. Se tali condizioni presentano un rischio maggiore di influenzare la qualità del segnale, scegliere un dispositivo con maggiore potenza ed eseguirlo a una velocità inferiore per ridurre al minimo la perdita di pacchetti. Oppure, se il dispositivo elettronico è all'interno della custodia, assicurarsi che il materiale di metallizzazione sia minimizzato e tenuto lontano dal modulo BLE. La relazione tra potenza del segnale Bluetooth e distanza non è lineare. In realtà, è molto non lineare e un po 'imprevedibile secondo l'ambiente circostante, ma segue uno schema generale.

Sia che stiate progettando un modulo Beacon piccolo e semplice, sia che stiate progettando un flusso di dati, un hub Bluetooth ad alto consumo energetico, seguire queste precauzioni può farvi risparmiare molti problemi nella fase di test/implementazione del progetto.

Con l'espansione dei componenti PCB Bluetooth, ora è un momento emozionante per integrare la comunicazione e il controllo wireless nei prodotti e il futuro porterà solo componenti Bluetooth più piccoli, più veloci, più economici e più potenti.