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Konstruktionsrichtlinien für Bluetooth-Leiterplatten
Konstruktionsrichtlinien für Bluetooth- Leiterplatten

Leiterplatten mit Bluetooth-Technologie können Probleme mit Interferenzen, Datenverlust und schlechter Signalintegrität verursachen, wenn bestimmte Vorsichtsmaßnahmen nicht getroffen werden. Wir werden viele Regeln und Richtlinien skizzieren, die bei der Auswahl der Bluetooth-Technologie für eine bestimmte Anwendung und insbesondere beim Entwerfen einer Leiterplatte zu berücksichtigen sind.

Eine Vielzahl von Anwendungen verwenden Bluetooth, darunter:
  • Leuchtfeuer in Einkaufszentren
  • Eddystone-Rahmen für industrielle Sensoranwendungen
  • Headsets und Audio- / Stereo-Produkte
  • Remote-Peripheriegeräte wie Videospiel-Controller oder Computermäuse / -tastaturen
  • Hausautomationssysteme
  • Drahtlose Unterhaltungselektronikanwendungen, einschließlich Kameras, Drucker und Telefone
Jede Anwendung verwendet dieselbe gemeinsame Bluetooth-Technologie, nutzt sie jedoch unterschiedlich. Je nach Verbindungstyp muss der Konstrukteur die Grundprinzipien einbeziehen, um die Signalintegrität und die Gesamteffizienz des Geräts zu optimieren.

Bluetooth ist keine sehr schnelle drahtlose Wahl im Vergleich zu Wi-Fi, wird jedoch immer schneller. Es funktioniert auch nicht gut durch Wände und andere Hindernisse in der Nähe und hat eine schlechte Reichweite.

Es ist immer noch eine gute Wahl, obwohl es sich um ein in Arbeit befindliches Update handelt (5.0 ist das neueste Update und stellt eine anständige Verbesserung gegenüber 4.2 dar). In den meisten Fällen handelt es sich um eine relativ stromsparende, zuverlässige, sichere und weitgehend unterstützte Option, die problemlos auf einer Vielzahl kleiner Peripheriegeräte implementiert werden kann.

Bluetooth gibt es seit über 20 Jahren und entwickelt sich immer weiter. Obwohl es im Laufe der Jahre in Bezug auf Geschwindigkeit, Leistung, Reichweite, Sicherheit und andere Eigenschaften verbessert wurde, scheint es seit seiner Konzeption Mitte des Jahres immer noch einige der gleichen Probleme zu haben. '90er Jahre, einschließlich seiner Anfälligkeit für Signalstörungen.

Was kann man also unter dem Gesichtspunkt des PCB-Designs tun, um die Signalintegrität zu optimieren, Interferenzen und verlorene Datenpakete zu minimieren?

Hier sind einige Überlegungen zum Bluetooth-Schaltungsdesign und allgemeine Faustregeln:

Verwenden Sie zertifizierte Module

1. Wenn Sie Bluetooth in ein Produkt integrieren und nur über begrenzte Ressourcen verfügen, sollten Sie ein vorzertifiziertes, vollständig integriertes Modul verwenden, um die Entwicklung und die Markteinführung zu beschleunigen. Dies kann am Ende ein wenig Kosten verursachen, verhindert jedoch in der Regel einige Kopfschmerzen, die durch die Platzierung / das Design der Antenne und die EMI-Anfälligkeit entstehen können.

Heutzutage gibt es mehrere zertifizierte Module zu vernünftigen Preisen auf dem Markt. Die meisten verfügen über einen kleinen ARM-Prozessor, z. B. RN4020 oder RN4870 von Microchip oder BT121 oder BGM113 von Silicon Labs. Der integrierte Prozessor bietet mehr Flexibilität und Leistung, z. B. die Steuerung einfacher Peripheriegeräte über GPIO, SPI, I2C, PWM usw., zusätzlich zum Bluetooth-Stack.
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Überprüfen Sie Ihre Bluetooth-Geräteauswahl

2. Vergewissern Sie sich, dass Sie ein für die Anwendung geeignetes Bluetooth-Gerät auswählen und die Antenne entsprechend dimensioniert und abgestimmt ist.

Wenn Sie sich für eine einfache Beacon-Anwendung entscheiden, bei der Sie nur den Standort oder die Daten in kurzen Abständen ankündigen müssen, können Sie eine kostengünstige Lösung mit geringem Stromverbrauch (Bluetooth Low Energy oder BLE) und minimalen Funktionen und Peripheriegeräten verwenden um an bord immobilien und endkosten zu sparen.

Wenn Sie mehr von einer Bluetooth-Anwendung mit höherem Durchsatz, Audio-Streaming oder Datenaustausch wünschen, benötigen Sie möglicherweise etwas, das etwas mehr Sendeleistung, eine höhere Empfangsempfindlichkeit und eine schnellere Datenrate aufweist (obwohl die Daten verlangsamt werden rate kann normalerweise bei der Minimierung verworfener Pakete helfen.

Wenn Sie nach einer Art All-in-One-Chip suchen, sollten Sie die Chipsätze verwenden, die leistungsstarke oder sekundäre Prozessoren mit verfügbaren UART-, SPI-, I2C-, PWM-, ADC-, DAC- und GPIO-Pins enthalten.

Wenn Sie an etwas arbeiten, das stark von einem RSSI-Messwert abhängig ist, stellen Sie sicher, dass der RSSI-Monitor über eine ausreichende dB-Auflösung verfügt.

Kupfersignale und energiereiche Komponenten trennen oder entfernen

3. Halten Sie beim Entwerfen in einem Bluetooth-Chipsatz oder -Modul den Antennenbereich vollständig frei von nahegelegenen Kupfersignalen oder Komponenten, die erhebliche Energiemengen enthalten (insbesondere Leistungspfade, die geschaltet werden, wie Boost- oder Buck-Wandler).

Dies schließt auch ein, dass der Bereich (und die Plattenebenen) frei von Ebenen und Polygonen ist. Die meisten Hersteller von Bluetooth-Chipsätzen geben Layout-Richtlinien vor, die beim PCB-Design genau eingehalten werden sollten. Wenn Sie den Antennenbereich manuell auslegen, verwenden Sie eine geeignete Erdungsebene, um eine gute Bandbreite am Eingang zu gewährleisten, und stellen Sie sicher, dass genügend Platz für Abstimmelemente vorhanden ist (für gedruckte und Keramikantennen ist eine Erdungsebene erforderlich).

Verwenden Sie Ground Stitching Vias, um unerwünschte Strahlung von der Leiterplattenkante zu vermeiden, da diese in die Nähe von Bluetooth-Signalen dringen kann. Versuchen Sie nach Möglichkeit, die Platinenform für das Bluetooth-Gerät und die Position der Antenne zu optimieren, und halten Sie sie dabei am Rand und weit entfernt von Komponenten und Signalen in der Nähe. Wenn Sie analoge Signale wie Audio verwenden, stellen Sie sicher, dass die analoge und die digitale Masseebene voneinander getrennt sind.

Und es ist immer eine gute Idee, die Elektronik (natürlich nicht die Antenne) abzuschirmen, um eine Querkopplung zu verhindern und das aufgenommene Rauschen zu minimieren.
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Hinweise zum Netzteil

4. Vergewissern Sie sich, dass die Schiene, die das Bluetooth-Modul oder den Bluetooth-Chip mit Strom versorgt, sauber ist, und verwenden Sie bei Bedarf einen Bypass (1,0 bis 1,0) und entkoppeln Sie die Kondensatoren (0,1 uF und 10 nF). Sie können auch Ferritperlen auf der Stromschiene verwenden, die in den Bluetooth-Bereich der Platine gelangen, um hochfrequente Störungen zu unterdrücken.

Tools & Analyse

5. Wenn Sie den Antennenbereich entwerfen, vergewissern Sie sich, dass Sie über die richtige Ausrüstung (z. B. einen Netzwerkanalysator) verfügen, um das passende Netzwerk zu analysieren und abzustimmen, oder überlegen Sie, das Design an ein RF-Testlabor eines Drittanbieters zu senden.

Betrachten Sie reale Hindernisse

6. Es gibt eine Vielzahl von Dingen, die während einer Bluetooth-Verbindung zu Behinderungen oder Abstimmungen führen können, darunter in der Nähe befindliches Wasser (auch Menschen - wir bestehen hauptsächlich aus Wasser), metallisierte Gegenstände, Smartphones / Tablets, Computer und Geräte, mit denen gearbeitet wird dasselbe ISM-Band wie Mikrowellenherde oder WLAN-Technologien, Stromquellen, drahtloses HF-Video, Bürobeleuchtung und Heimtelefone.

Es ist sehr anfällig für Signalverluste, selbst wenn es in geringer Entfernung (1-2 Meter) gepaart wird. Wenn ein höheres Risiko besteht, dass diese Art von Dingen die Signalqualität beeinträchtigt, wählen Sie ein Gerät mit höherer Leistung und arbeiten Sie langsamer, um den Paketverlust zu minimieren. Wenn sich die Elektronik in einem Gehäuse befindet, stellen Sie sicher, dass die metallisierten Materialien auf ein Mindestmaß beschränkt und weit vom BLE-Modul entfernt sind. Die Beziehung zwischen der Bluetooth-Signalstärke und der Entfernung ist keine lineare Beziehung. Tatsächlich ist es sehr nichtlinear und in Abhängigkeit von der Umgebung etwas unvorhersehbar, folgt aber einem allgemeinen Muster (siehe unten).
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Unabhängig davon, ob Sie ein kleines, einfaches Beacon-Modul oder einen stromhungrigen Bluetooth-Hub für das Daten-Streaming entwerfen, können Sie sich bei der Test- / Implementierungsphase des Designs eine Menge Kopfzerbrechen ersparen.

Mit der Erweiterung der Bluetooth-Leiterplattenbestückung ist es eine aufregende Zeit, drahtlose Kommunikation und Steuerung in Produkte zu integrieren, und die Zukunft wird nur kleinere, schnellere, billigere und stärkere Bluetooth-Komponenten bringen.

Wir bei JHY PCB freuen uns, Ihnen bei der Umsetzung dieser neuen Konzepte behilflich zu sein. Die Partnerschaft mit einem erfahrenen Leiterplattenhersteller und Leiterplattenbestücker mit Ingenieuren, die langjährige Beziehungen zu Komponentenlieferanten unterhalten, ist entscheidend für den Erfolg Ihrer nächsten Anforderungen an die Herstellung und Bestückung von Bluetooth-Leiterplatten.

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