如何改善藍(lán)牙電路板的PCB設(shè)計(jì)

藍(lán)牙電路板設(shè)計(jì)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(huì)出現(xiàn)干擾，數(shù)據(jù)丟失和信號(hào)完整性差的問(wèn)題。我們將概述為特定應(yīng)用選擇藍(lán)牙技術(shù)時(shí)，尤其是將其設(shè)計(jì)到電路板中時(shí)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(gòu)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 耳機(jī)和音頻/立體聲產(chǎn)品

l 遠(yuǎn)程外圍設(shè)備，例如視頻游戲控制器或計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)/鍵盤(pán)

l 家庭自動(dòng)化系統(tǒng)

l 無(wú)線(xiàn)消費(fèi)電子應(yīng)用，包括相機(jī)，打印機(jī)和電話(huà)

每個(gè)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(lèi)型，設(shè)計(jì)工程師需要結(jié)合基本原理來(lái)優(yōu)化信號(hào)完整性和整體設(shè)備效率。

與Wi-Fi相比，藍(lán)牙不是一個(gè)非?？焖俚臒o(wú)線(xiàn)選擇，但是它變得越來(lái)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(gè)不錯(cuò)的選擇（5.0是最新更新，相對(duì)于4.2是不錯(cuò)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(shí)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(lái)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(wèn)世以來(lái)，它似乎仍然存在一些相同的問(wèn)題，包括其對(duì)信號(hào)干擾的敏感性。

那么，從PCB設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，可以采取什么措施來(lái)優(yōu)化信號(hào)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(jì)注意事項(xiàng)和一般經(jīng)驗(yàn)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(qǐng)考慮使用經(jīng)過(guò)預(yù)先認(rèn)證的，完全包含的模塊，以幫助加快開(kāi)發(fā)速度和上市時(shí)間。最終可能會(huì)增加一點(diǎn)成本，但通?？梢员苊?a target="_blank">天線(xiàn)放置/設(shè)計(jì)和EMI敏感性引起的一些麻煩。

當(dāng)今市場(chǎng)上有幾種價(jià)格合理的經(jīng)過(guò)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(guò)GPIO，SPI，I2C，PWM等控制簡(jiǎn)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(xiàn)的尺寸和調(diào)整也適當(dāng)。

如果您要使用一個(gè)簡(jiǎn)單的信標(biāo)應(yīng)用程序，而該應(yīng)用程序只需要短時(shí)間突發(fā)/間隔來(lái)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?xún)r(jià)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(huì)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(qǐng)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(lài)RSSI讀數(shù)，請(qǐng)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(hào)和高能成分

3.在藍(lán)牙芯片組或模塊中進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，請(qǐng)使天線(xiàn)區(qū)域完全遠(yuǎn)離附近的銅信號(hào)或承載大量能量的組件（尤其是經(jīng)過(guò)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(méi)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(jì)期間應(yīng)嚴(yán)格遵循的布局指南。如果您要手動(dòng)布置天線(xiàn)區(qū)域，請(qǐng)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(xiàn)需要接地平面）。

使用接地線(xiàn)跡過(guò)孔來(lái)防止PCB邊緣不必要的輻射，因?yàn)樗赡軙?huì)穿透附近的Bluetooth信號(hào)。如果可以，請(qǐng)嘗試針對(duì)藍(lán)牙設(shè)備及其天線(xiàn)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(hào)。如果使用音頻等基于模擬的信號(hào)，請(qǐng)確保模擬和數(shù)字接地層分開(kāi)。

屏蔽電子器件（當(dāng)然不是天線(xiàn)）始終是一個(gè)好主意，以防止交叉耦合并使噪聲最小化。

電源注意事項(xiàng)

4.確保為Bluetooth模塊或芯片供電的導(dǎo)軌干凈，并在需要時(shí)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(jì)天線(xiàn)區(qū)域，請(qǐng)確保您具有合適的設(shè)備（例如網(wǎng)絡(luò)分析儀）來(lái)分析和調(diào)整匹配的網(wǎng)絡(luò)，或者考慮將設(shè)計(jì)發(fā)送給第三方RF測(cè)試實(shí)驗(yàn)室。

考慮現(xiàn)實(shí)世界的障礙

6.在藍(lán)牙連接過(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致阻塞或失諧的因素有很多種，包括附近的水（人類(lèi)也是……我們主要是水），金屬化物體，智能手機(jī)/平板電腦，計(jì)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(wú)線(xiàn)RF視頻，辦公照明和家用電話(huà)。

即使在近距離（1-2米）配對(duì)時(shí)，它也極易受到信號(hào)丟失的影響。如果此類(lèi)情況影響信號(hào)質(zhì)量的風(fēng)險(xiǎn)更高，請(qǐng)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。或者，如果電子設(shè)備位于外殼內(nèi)部，請(qǐng)確保金屬化材料最小化，并且遠(yuǎn)離BLE模塊。藍(lán)牙信號(hào)強(qiáng)度和距離之間的關(guān)系不是線(xiàn)性關(guān)系。實(shí)際上，它是非常非線(xiàn)性的，根據(jù)周?chē)h(huán)境有些不可預(yù)測(cè)，但確實(shí)遵循一般模式（如下所示）。

無(wú)論您是設(shè)計(jì)小型，簡(jiǎn)單的Beacon模塊，還是設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)流，耗電的藍(lán)牙集線(xiàn)器，遵循這些注意事項(xiàng)都可以在設(shè)計(jì)的測(cè)試/實(shí)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(wú)線(xiàn)通信和控制整合到產(chǎn)品中的激動(dòng)人心的時(shí)刻，而未來(lái)只會(huì)帶來(lái)更小，更快，更便宜和更強(qiáng)大的藍(lán)牙組件。