PCB 기술 - Bluetooth 회로 기판의 PCB 설계 개선 방법

Bluetooth 회로기판 설계 가이드

일부 예방 조치를 취하지 않으면 Bluetooth 기술을 사용하는 인쇄 회로 기판이 간섭, 데이터 손실 및 신호 무결성이 저하될 수 있습니다.특히 보드로 설계할 때 특정 애플리케이션에 대해 Bluetooth 기술을 선택할 때 고려해야 할 많은 규칙과 지침을 간략하게 설명합니다.

다음과 같은 다양한 애플리케이션에서 Bluetooth를 사용합니다.

쇼핑센터에서 사용하는 등대

산업 감지 응용에 사용되는 와류 프레임워크

헤드폰 및 오디오 / 스테레오

비디오 게임 컨트롤러 또는 컴퓨터 마우스 / 키보드와 같은 원격 주변 장치

홈 자동화 시스템

카메라, 프린터, 휴대폰을 포함한 무선 소비자 전자 어플리케이션

각 응용 프로그램은 동일한 범용 Bluetooth 기술을 사용하지만 연결 유형에 따라 설계 엔지니어는 신호 무결성과 전반적인 장치 효율성을 최적화하기 위해 기본 원리를 결합해야합니다.

화추 DFM

Bluetooth는 Wi-Fi에 비해 매우 빠른 무선 옵션은 아니지만 점점 더 빨라지고 있습니다.벽과 근처의 다른 장애물도 잘 뚫지 못하고 사정거리도 형편없다.

여전히 진행 중이지만 여전히 좋은 선택입니다 (5.0은 4.2보다 향상된 최신 업데이트입니다). 대부분의 경우 저전력, 신뢰성, 보안, 광범위한 지원 옵션이며 다양한 소형 주변 장치에서 쉽게 구현할 수 있습니다.

Bluetooth 기술은 20년 이상의 역사를 가지고 있으며 계속 발전하고 있습니다.Bluetooth 기술은 수년 동안 속도, 전력, 범위, 보안 및 기타 특성을 개선했지만 신호 간섭에 대한 감수성을 포함하여 여전히 동일한 문제가 있는 것으로 보입니다.

그렇다면 PCB 설계 관점에서 신호 무결성을 최적화하고 간섭과 분실을 최소화하기 위해 어떤 조치를 취할 수 있습니까?

다음은 Bluetooth 회로 설계 고려 사항과 일반적인 경험 법칙입니다.

인증된 모듈 사용

1. Bluetooth를 제품에 통합하고 리소스가 제한된 경우 사전 인증된 전체 모듈을 사용하여 개발 및 출시 시기를 앞당길 수 있습니다.결국, 비용이 조금 더 들 수 있지만 일반적으로 안테나 레이아웃 / 설계 및 EMI 감수성으로 인한 몇 가지 문제를 피할 수 있습니다.

현재 시장에는 Microchip의 RN4020 또는 RN4870 또는 Silicon Labs의 BT121 또는 BGM113과 같은 소형 ARM 프로세서가 통합된 몇 가지 합리적인 인증 모듈이 있습니다.프로세서를 보드에 장착하면 유연성과 기능이 향상됩니다.예를 들어, Bluetooth 스택 외에도 간단한 주변 장치는 GPIO, SPI, I2C, PWM 등을 통해 제어할 수 있습니다.

Bluetooth 장치 선택 확인

2. 응용 프로그램에 적합한 Bluetooth 장치를 선택했는지 확인하십시오. 안테나 크기와 조정도 적절합니다.

간단한 비콘 어플리케이션을 사용하려는 경우 위치나 데이터를 발표하기 위해 짧은 돌발/간격만 필요합니다. 최소 기능과 주변 장치를 갖춘 낮은 에너지 소비량 (Bluetooth 낮은 에너지 또는 BLE) 을 사용할 수 있습니다.이 솔루션은 온보드 부동산과 최종 비용을 절약하는 비용 효율적인 장치 솔루션입니다.

처리량, 오디오 스트림 또는 Bluetooth 데이터 교환 어플리케이션이 향상된 제품을 찾고 있다면 송신 전력, 수신 감도 및 데이터 전송 속도가 향상된 제품이 필요할 수 있습니다 (데이터 전송 속도가 저하되지만). 일반적으로 전송 속도는 패킷 손실을 최소화하는 데 도움이 됩니다).

올인원 칩을 찾고 있다면 사용 가능한 UART, SPI, I2C, PWM, ADC, DAC 및 GPIO 핀을 포함하는 강력하거나 보조적인 프로세서가 포함된 칩셋을 사용하는 것이 좋습니다.

RSSI 판독에 크게 의존하는 컨텐츠를 처리하는 경우 RSSI 모니터에 dB 해상도가 충분한지 확인합니다.

구리 신호 및 고에너지 어셈블리 분리 또는 제거

3. Bluetooth 칩셋이나 모듈에서 설계할 때 안테나 영역을 가까운 구리 신호나 많은 에너지를 가진 구성 요소 (특히 승압 또는 강압 변환기로 전환되는 전원 경로) 에서 완전히 멀어지게 합니다.

여기에는 평면 및 다각형 기울기가 없는 영역 (및 보드) 도 포함됩니다.대부분의 Bluetooth 칩셋 제조업체는 PCB 설계 과정에서 엄격히 준수해야 할 레이아웃 지침을 제공합니다.안테나 영역을 수동으로 배치하려면 접지 평면을 적절히 사용하여 입력 끝에서 좋은 대역폭을 유지하고 튜닝 컴포넌트에 충분한 공간을 확보해야 합니다 (인쇄 안테나와 세라믹 안테나에는 접지 평면이 필요함).

근처의 Bluetooth 신호를 관통할 수 있기 때문에 PCB 가장자리에서 불필요한 방사선을 방지하기 위해 접지선 통과 구멍을 사용합니다.가능하다면 Bluetooth 장치와 안테나의 위치에 따라 회로 기판의 모양을 최적화하여 근처의 구성 요소와 신호에서 멀리 떨어진 가장자리에 놓으십시오.오디오와 같은 아날로그 기반 신호를 사용하는 경우 아날로그와 디지털 접지 평면이 분리되어 있는지 확인합니다.

교차 결합을 방지하기 위해 전자 장치 (물론 안테나가 아님) 를 차단하여 노이즈를 최소화하는 것은 항상 좋은 생각입니다.

전원 고려 사항

4. Bluetooth 모듈 또는 칩에 전원을 공급하는 레일을 청소하고 필요한 경우 바이패스(1.0 uF) 및 디커플링 콘덴서(0.1 uF 및 10nF)를 사용합니다.또한 전원 레일의 페로브스카이트를 사용하여 회로 기판의 Bluetooth 영역에 진입하여 고주파 소음을 억제할 수 있습니다.

도구 및 분석

5.안테나 영역을 설계하려면 일치하는 네트워크를 분석하고 조정하기 위해 네트워크 분석기와 같은 적절한 장치가 있는지 확인하거나 설계를 타사 무선 주파수 테스트 연구소에 보내는 것을 고려하십시오.

현실 세계의 장애물을 생각하다

Bluetooth 연결 중에 근처의 물 (인간도...우리는 주로 물), 금속화 된 물체, 스마트 폰 / 태블릿, 컴퓨터 및 운영 장치를 포함하여 많은 요소들이 막히거나 부조화를 일으킬 수 있습니다.전자레인지 또는 WLAN 기술, 전원 공급 장치, 무선 무선 비디오, 사무실 조명 및 가정용 전화와 같은 동일한 ISM 대역

가까운 거리 (1-2m) 에서도 신호 손실에 취약합니다.이 경우 신호 품질에 영향을 줄 위험이 더 높을 경우 패킷 손실을 최소화하기 위해 더 높은 전원 장치를 선택하고 더 낮은 속도로 실행합니다.또는 전자 장치가 케이스 내에 있는 경우 금속 재료가 BLE 모듈에서 최소화되고 멀리 떨어져 있는지 확인합니다.Bluetooth 신호 강도와 거리 사이의 관계는 선형이 아닙니다.사실, 그것은 매우 비선형이며 주변 환경에 따라 약간 예측 할 수 없지만 확실히 일반적인 모델을 따릅니다.

작고 단순한 Beacon 모듈을 설계하든, 데이터 흐름, 전력 소비가 많은 Bluetooth 허브를 설계하든, 이러한 예방 조치를 준수하면 설계의 테스트 / 구현 단계에서 많은 번거로움을 줄일 수 있습니다.

Bluetooth PCB 구성 요소가 확장됨에 따라 무선 통신과 제어를 제품에 통합하는 흥미로운 순간입니다. 앞으로 더 작고, 더 빠르고, 더 싸고, 더 강력한 Bluetooth 구성 요소만 가져올 것입니다.