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一文了解蓝牙的 PCB 设计方法和要点

关键词: 蓝牙 PCB设计

时间:2024-05-11 14:29:55      来源:Cadence楷登PCB及封装资源中

蓝牙作为最常见的通信协议之一,已经渗透到日常生活的方方面面,我们经常使用的音箱、键盘和其他设备都有可能使用蓝牙技术。

本文要点

• 介绍经典蓝牙设计,包括安全性和架构
• 低功耗蓝牙和蓝牙应用分析
• 设计蓝牙 PCB 的要点和注意事项

蓝牙作为最常见的通信协议之一,已经渗透到日常生活的方方面面,我们经常使用的音箱、键盘和其他设备都有可能使用蓝牙技术。

蓝牙占用 2.4 GHz 频段,与同样在 2.4 GHz 频段上运行的典型 WiFi A 波段配置相比,蓝牙的带宽和覆盖范围较小。与 WiFi 的无线局域网相比,蓝牙通常用于个人局域网 (PAN)。换言之,蓝牙用于一对一(设备到设备)通信,而 WiFi 更适合用于“设备到集线器”这种配置。

由于 WiFi 和蓝牙使用的部分频段是相同的,如果二者传输路径相距 10 米以内,就有可能产生干扰。不过,较新版本的蓝牙可以最大限度地减少这种干扰,它知道哪些无线电信道运转良好,哪些信道受到的干扰较多。这样,蓝牙通信就可以动态切换到干扰较少的信道,这就是所谓的“自适应跳频”技术。

目前,经典蓝牙的传输速率最高可达 3 Mbps,而低功耗蓝牙 (Bluetooth Low Energy, BLE) 的传输速率最高可达 2 Mbps,我们将在下文进一步介绍。蓝牙由蓝牙特殊利益集团 (Special Interests Group, SIG) 管理,该组织由多家公司组成,共同致力于推动蓝牙技术的发展。制造商必须符合蓝牙特殊利益集团的标准,才能在市场上销售蓝牙设备。

本文将探讨蓝牙 PCB 的设计。

1. 蓝牙连接过程

蓝牙设备使用主从模式进行通信。单个主设备(如智能手机、电脑、控制台等)可连接多个从属节点设备。

每个蓝牙设备都有一个唯一的 48 位地址,通常用 12 个十六进制数表示。希望被发现的 BLE 设备会通过一个称为广播 (advertising) 的过程发送消息。广播消息中包含蓝牙设备的相关信息,包括其唯一 ID。与此同时,另一个设备会扫描数据包并选择合适的数据包。

连接后,设备可以处于以下几种模式之一:

激活模式

此时设备正在接收或传输数据

呼吸模式

设备处于休眠状态,并在设定的时间段内监听信号

保持模式

设备休眠一段时间,然后返回激活模式

休眠模式

设备处于休眠状态,直到主设备将其唤醒

2. 蓝牙的安全性

总体来说,蓝牙是一种功耗很低、性能可靠、安全且受到广泛支持的通信标准,非常适合小型外设。一般来说,蓝牙设备的通信范围在 1 厘米到 100 米之间,每个设备都需要使用独特的代码获得其他设备的批准才能连接。设备之间交换的蓝牙数据可以加密,防止信息被窃听设备获取。此外,它还可以更改用于识别设备身份的地址(该地址包含在无线数据交换中),从而降低设备被跟踪的风险。

3. 蓝牙的硬件架构

在任何蓝牙 PCB 设备中,创建蓝牙连接都要依靠两个元件的协同工作。首先是用于调制和传输信号的无线电设备。其次是数字控制器;这两个元件在布局上可能是彼此分开的,但也可能是集成在一起的。

数字控制器通常是一块 CPU,运行着链路控制器并与主机设备连接。该链路控制器负责处理基带和管理物理层FEC 协议。此外,它还负责实现传输功能(异步和同步)、音频编码和数据加密。

4. 低功耗蓝牙

低功耗蓝牙 (BLE) 是另一种蓝牙标准,它也是推动众多电子产品不断发展和创新的幕后功臣。具体来说,许多物联网和医疗设备都利用低功耗蓝牙进行通信。

BLE 采用低能耗设计,在激活模式下的电流小于 15 mA。BLE 设备大部分时间处于低功耗休眠模式,只有在发送数据时才会唤醒。与传统蓝牙相比,BLE 设备通常有更多时间处于“开启”和主动通信状态。

BLE 在开放区域的传输距离可达 150 米,是颇具成本效益的蓝牙替代技术,因为它还能显著延长电池寿命。BLE 还可用于广播或网状网络。

5. 蓝牙 PCB 应用

搭载蓝牙功能的 PCB 可用于各种电器和设备。一些蓝牙 PCB 应用包括:

医疗保健设备,如血压测量仪、血糖监测仪和温度测量仪,其中包括与智能手机或其他外部设备通信的可穿戴设备和植入设备。

环境传感设备(如照度、环境湿度、压力或环境温度)能够将这些数据传输到智能手机或其他中央数据记录设备。

配备传感器,可测量速度、转速的健身设备;可监测体重的体重计;或可测量心率的可穿戴设备。

音频串流播放设备,例如我们常用的蓝牙音箱和耳机,蓝牙具备的低功耗和覆盖范围小的特点恰好可以在这类设备中派上用场。

6. 蓝牙 PCB 设计要点

在设计蓝牙 PCB 时,为确保设备的可靠性、功能和安全性,需要考虑诸多事项。

功耗

蓝牙设备很可能由电池供电。特别是在低功耗设计中,事先计算功耗非常重要。确认设计中没有电流泄漏问题,并且所有器件均质量可靠。使用支持低功耗深度休眠模式的微控制器,可以延长设备的使用寿命。

电源可靠性

蓝牙设备通常需要 1.6 V 至 3.6 V 的稳定电压。电源波动会导致传输和运行问题。依照经验,确保稳定的电源轨对设备可靠性至关重要,为此要遵循良好的设计实践实践。必要时可使用旁路电容器和多个去耦电容器。此外,在电源轨上使用铁氧体磁珠有助于消除高频噪声。

传输要求

一个元件具有蓝牙功能,并不一定意味着它就适合我们的电路板。根据具体的蓝牙应用,我们可能需要采用不同尺寸的天线和不同的传输功率。

例如,假设我们打算开发简单的信标类应用,在这种应用中,实现通信需要位置信息或其他简短的数据流,所以 BLE 可能是更具成本效益的选择。使用体积更小、功耗更低且功能简单的集成电路,可以节省电路板空间。

另一方面,如果我们的设备需要支持音频串流播放或更高的数据传输速率,那么体积更大、功能更强的集成电路可能是最佳选择,因为虽然它们通常功耗更高,但可以实现更灵敏的接收性能和更高的传输功率。

电磁干扰 (EMI)

虽然蓝牙在 2.4 GHz 频段上运行,但仍会对 PCB 上的周围器件产生电磁干扰。为了确保高频耦合不会影响到这些器件,可以使用 EMI 屏蔽策略,如增加走线之间的间距或添加 EMI 屏蔽层。

信号完整性

我们前面提到,电路板很可能会受到噪声和其他干扰的影响。因此,天线区域必须与附近的铜信号或其他高能量器件(如电源路径或降压转换器)保持一定的距离,多边形覆铜和大型平面也是如此。

如果要布置天线区域,应使用接地平面(对于印刷天线和陶瓷天线而言),以确保输入端有良好的带宽,并为调谐器件留出适当的空间。蓝牙集成电路制造商可能会提供 layout 指南供设计人员参考。对于需要谨慎处理的模拟信号,可考虑使用单独的模拟和数字接地平面。

物理尺寸限制

蓝牙 PCB 设备很可能是便携式的,因此很可能需要安装在某种外壳中,所以有必要考虑这些物理方面的限制。无论是智能可穿戴设备、消费电子设备、音箱还是其他任何设备,集成了 ECAD-MCAD 功能的 PCB 设计软件将成为得力助手,帮助我们顺利完成之后的设计流程。

路板空间管理

成品设备很可能也要执行与蓝牙无关的其他功能。无论是 WiFi 卡、NFC、模拟微芯片还是额外的传感器,这些器件都需要占用蓝牙 PCB 的空间。因此,空间永远不够用,在选择器件时要考虑到集成电路的尺寸。

使用经过认证的模块

如果设备需要具备蓝牙功能,应考虑使用经过预先认证的完整模块,以简化开发流程。虽然这可能会增加前期成本,但却能避免后期在天线布置、EMI 敏感性以及适配各种协议等方面遇到困难,最终可以加快产品上市。市场上有各种各样的设备,因此有必要花点时间找到适合所需功能的设备,这样做绝对会让我们事半功倍。

电路板 layout

如果将大型焊盘、较长的导线或其他电感器放在离蓝牙 PCB 天线太近的地方,可能会改变谐振频率。

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