藍牙電路板設(shè)計指南

如果不采取某些預(yù)防措施，采用藍牙技術(shù)的印刷電路板可能會出現(xiàn)干擾，數(shù)據(jù)丟失和信號完整性差的問題。我們將概述為特定應(yīng)用選擇藍牙技術(shù)時，尤其是將其設(shè)計到電路板中時要考慮的許多規(guī)則和準則。

各種應(yīng)用利用藍牙，包括：

l 大型購物中心使用的信標

l 用于工業(yè)傳感應(yīng)用的渦流框架

l 耳機和音頻/立體聲產(chǎn)品

l 遠程外圍設(shè)備，例如視頻游戲控制器或計算機鼠標/鍵盤

l 家庭自動化系統(tǒng)

l 無線消費電子應(yīng)用，包括相機，打印機和電話

每個應(yīng)用程序都采用相同的通用藍牙技術(shù)，但是使用方式不同，并且取決于連接類型，設(shè)計工程師需要結(jié)合基本原理來優(yōu)化信號完整性和整體設(shè)備效率。

與Wi-Fi相比，藍牙不是一個非?？焖俚臒o線選擇，但是它變得越來越快。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。

盡管仍在進行中，但它仍然是一個不錯的選擇（5.0是最新更新，相對于4.2是不錯的改進）。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)備上實施。

藍牙技術(shù)已有20多年的歷史，并且仍在不斷發(fā)展，盡管這些年來藍牙技術(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年代中期概念問世以來，它似乎仍然存在一些相同的問題，包括其對信號干擾的敏感性。

那么，從PCB設(shè)計的角度來看，可以采取什么措施來優(yōu)化信號完整性，最大程度地減少干擾和丟失數(shù)據(jù)包？

以下是一些藍牙電路設(shè)計注意事項和一般經(jīng)驗法則：

使用認證的模塊

1.如果要將Bluetooth集成到產(chǎn)品中并且資源有限，請考慮使用經(jīng)過預(yù)先認證的，完全包含的模塊，以幫助加快開發(fā)速度和上市時間。最終可能會增加一點成本，但通常可以避免天線放置/設(shè)計和EMI敏感性引起的一些麻煩。

當今市場上有幾種價格合理的經(jīng)過認證的模塊，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，除了其藍牙堆棧外，還可以通過GPIO，SPI，I2C，PWM等控制簡單的外圍設(shè)備。

檢查您的藍牙設(shè)備選擇

2.確保您為該應(yīng)用程序選擇了合適的藍牙設(shè)備，并且天線的尺寸和調(diào)整也適當。

如果您要使用一個簡單的信標應(yīng)用程序，而該應(yīng)用程序只需要短時間突發(fā)/間隔來通告位置或數(shù)據(jù)，則可以使用低功耗（藍牙低功耗或BLE），具有最小功能和外圍設(shè)備的高性價比解決方案以節(jié)省機載房地產(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，請考慮使用包含功能強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)容嚴重依賴RSSI讀數(shù)，請確保其RSSI監(jiān)視器具有足夠的dB分辨率。

分離或去除銅信號和高能成分

3.在藍牙芯片組或模塊中進行設(shè)計時，請使天線區(qū)域完全遠離附近的銅信號或承載大量能量的組件（尤其是經(jīng)過升壓或降壓轉(zhuǎn)換器切換的電源路徑）。

這還包括使區(qū)域（和板層）沒有平面和多邊形傾倒。大多數(shù)藍牙芯片組制造商將提供在PCB設(shè)計期間應(yīng)嚴格遵循的布局指南。如果您要手動布置天線區(qū)域，請適當使用接地平面，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（印刷和陶瓷天線需要接地平面）。

使用接地線跡過孔來防止PCB邊緣不必要的輻射，因為它可能會穿透附近的Bluetooth信號。如果可以，請嘗試針對藍牙設(shè)備及其天線所在位置優(yōu)化板的形狀，將其放在邊緣并遠離附近的組件和信號。如果使用音頻等基于模擬的信號，請確保模擬和數(shù)字接地層分開。

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

電源注意事項

4.確保為Bluetooth模塊或芯片供電的導(dǎo)軌干凈，并在需要時使用旁路（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入電路板的藍牙區(qū)域，以抑制高頻噪聲。

工具與分析

5.如果要設(shè)計天線區(qū)域，請確保您具有合適的設(shè)備（例如網(wǎng)絡(luò)分析儀）來分析和調(diào)整匹配的網(wǎng)絡(luò)，或者考慮將設(shè)計發(fā)送給第三方RF測試實驗室。

考慮現(xiàn)實世界的障礙

6.在藍牙連接過程中，會導(dǎo)致阻塞或失諧的因素有很多種，包括附近的水（人類也是……我們主要是水），金屬化物體，智能手機/平板電腦，計算機，操作設(shè)備在同一ISM頻段上，例如微波爐或WLAN技術(shù)，電源，無線RF視頻，辦公照明和家用電話。

即使在近距離（1-2米）配對時，它也極易受到信號丟失的影響。如果此類情況影響信號質(zhì)量的風險更高，請選擇功率更高的設(shè)備并以較低的速度運行，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，請確保金屬化材料最小化，并且遠離BLE模塊。藍牙信號強度和距離之間的關(guān)系不是線性關(guān)系。實際上，它是非常非線性的，根據(jù)周圍環(huán)境有些不可預(yù)測，但確實遵循一般模式（如下所示）。

無論您是設(shè)計小型，簡單的Beacon模塊，還是設(shè)計數(shù)據(jù)流，耗電的藍牙集線器，遵循這些注意事項都可以在設(shè)計的測試/實施階段為您省去很多麻煩。

隨著藍牙PCB組件的擴展，現(xiàn)在是將無線通信和控制整合到產(chǎn)品中的激動人心的時刻，而未來只會帶來更小，更快，更便宜和更強大的藍牙組件。