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Pautas de diseño de placa de circuito Bluetooth
Pautas de diseño de placa de circuito Bluetooth

Las placas de circuito impreso con tecnología Bluetooth pueden ser problemáticas con interferencia, pérdida de datos y mala integridad de la señal si no se toman ciertas precauciones. Esbozaremos muchas reglas y pautas a tener en cuenta al elegir la tecnología Bluetooth para una aplicación determinada y, más específicamente, al diseñarla en una placa de circuito.

Una variedad de aplicaciones utilizan Bluetooth, que incluyen:
  • Balizas usadas en centros comerciales
  • Marcos Eddystone para aplicaciones de detección industrial
  • Auriculares y productos de audio / estéreo
  • Dispositivos periféricos remotos como el controlador de videojuegos o los mouse / teclados de computadora
  • Sistemas domóticos
  • Aplicaciones inalámbricas de electrónica de consumo que incluyen cámaras, impresoras y teléfonos.
Cada aplicación incorpora la misma tecnología Bluetooth común, pero la utiliza de manera diferente y, según el tipo de conexión, depende del ingeniero de diseño incorporar principios básicos para optimizar la integridad de la señal y la efectividad general del dispositivo.

Bluetooth no es una opción inalámbrica muy rápida en comparación con Wi-Fi, sin embargo, se está volviendo más rápido. Tampoco funciona bien a través de paredes y otras obstrucciones cercanas y tiene un rango deficiente.

Sigue siendo una buena opción, a pesar de ser un trabajo en progreso (5.0 es la actualización más reciente y es una mejora decente con respecto a 4.2). En su mayor parte, es una opción bastante baja, confiable, segura y ampliamente compatible que se puede implementar fácilmente en una amplia gama de pequeños periféricos.

Bluetooth ha existido durante más de 20 años y todavía está evolucionando, y aunque ha mejorado en velocidad, potencia, alcance, seguridad y otros atributos a lo largo de los años, todavía parece tener algunos de los mismos problemas desde su concepción a mediados de Años 90, incluida su susceptibilidad a la interferencia de la señal.

Entonces, ¿qué se puede hacer desde el punto de vista del diseño de PCB para optimizar la integridad de la señal, minimizar la interferencia y la pérdida de paquetes de datos?

Aquí hay algunas consideraciones de diseño de circuitos Bluetooth y reglas generales generales:

Usar módulos certificados

1. Si está incorporando Bluetooth en un producto y tiene recursos limitados, considere usar un módulo completo y precertificado para ayudar a acelerar el desarrollo y el tiempo de comercialización. Al final, puede costar un poco, pero generalmente evitará varios dolores de cabeza que pueden surgir de la colocación / diseño de la antena y la susceptibilidad a EMI.

Hay varios módulos certificados a un precio razonable en el mercado actual y la mayoría incorpora un pequeño procesador ARM, como el RN4020 o RN4870 de Microchip, o el BT121 o BGM113 de Silicon Labs. Tener el procesador incorporado le da más flexibilidad y potencia, como controlar periféricos simples a través de GPIO, SPI, I2C, PWM, etc., además de su pila Bluetooth.
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Verifique la selección de su dispositivo Bluetooth

2. Asegúrese de elegir un dispositivo Bluetooth apropiado para la aplicación y que la antena también haya sido dimensionada y sintonizada adecuadamente.

Si está buscando una aplicación de baliza simple donde solo necesita anunciar la ubicación o los datos en cortos períodos / intervalos, entonces se podría usar una solución rentable de baja potencia (Bluetooth Low Energy o BLE) con características y periféricos mínimos para ahorrar bienes inmuebles a bordo y costos finales.

Si está buscando más aplicaciones Bluetooth de mayor rendimiento, transmisión de audio o intercambio de datos, entonces puede necesitar algo que tenga un poco más de potencia de transmisión, mayor sensibilidad de Rx y una velocidad de datos más rápida (aunque ralentiza los datos la tasa generalmente puede ayudar a minimizar los paquetes descartados).

Si está buscando una especie de chip todo en uno, considere usar los conjuntos de chips que contienen procesadores potentes o secundarios que incluyen los pines UART, SPI, I2C, PWM, ADC, DAC y GPIO disponibles.

Si está trabajando en algo muy dependiente de una lectura RSSI, asegúrese de que tenga suficiente resolución de dB en su monitor RSSI.

Separar o eliminar señales de cobre y componentes de alta energía

3. Cuando diseñe en un chipset o módulo Bluetooth, mantenga la región de la antena completamente libre de señales o componentes de cobre cercanos que transporten cantidades significativas de energía (especialmente rutas de alimentación conmutadas, como convertidores de refuerzo o reductores).

Esto también incluye mantener el área (y las capas del tablero) libres de planos y vertidos de polígonos. La mayoría de los fabricantes de conjuntos de chips Bluetooth proporcionarán pautas de diseño que deben seguirse de cerca durante el diseño de PCB. Si está diseñando manualmente el área de la antena, use un plano de tierra según corresponda para mantener un buen ancho de banda en la entrada y asegúrese de construir suficiente espacio para sintonizar elementos (se requiere un plano de tierra para las antenas impresas y de cerámica).

Use vías de conexión a tierra para evitar la radiación no deseada desde el borde de la PCB, ya que podría penetrar las señales Bluetooth cercanas. Si puede, intente optimizar la forma de la placa para el dispositivo Bluetooth y dónde está su antena, manteniéndola en el borde y lejos de los componentes y señales cercanos. Si utiliza señales analógicas como el audio, asegúrese de que los planos de tierra analógicos y digitales estén separados.

Y siempre es una buena idea proteger la electrónica (no la antena, por supuesto) para evitar el acoplamiento cruzado y minimizar el ruido recogido.
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Notas de la fuente de alimentación

4. Asegúrese de que el riel que suministra energía al módulo o chip Bluetooth esté limpio y use bypass (1.0 arriba) y condensadores de desacoplamiento (0.1uF y 10nF) donde sea necesario. También puede usar cuentas de ferrita en el riel de alimentación que ingresa al área Bluetooth de la placa para rechazar el ruido de alta frecuencia.

Herramientas y análisis

5. Si está diseñando el área de la antena, asegúrese de tener el equipo adecuado (como un analizador de red) para analizar y ajustar la red correspondiente, o considere enviar el diseño a un laboratorio de pruebas de RF de terceros.

Considere las obstrucciones del mundo real

6. Hay una gran variedad de cosas que pueden causar obstrucción o desconexión durante una conexión Bluetooth, incluyendo agua cercana (los humanos también estamos hechos principalmente de agua), objetos metalizados, teléfonos inteligentes / tabletas, computadoras, dispositivos que funcionan con la misma banda ISM como hornos microondas o tecnologías WLAN, fuentes de energía, video RF inalámbrico, iluminación de oficinas y teléfonos domésticos.

Es muy susceptible a la pérdida de señal incluso cuando se combina a corta distancia (1-2 metros). Si existe un mayor riesgo de que este tipo de cosas afecten la calidad de la señal, elija un dispositivo de mayor potencia y opere a una velocidad más lenta para minimizar la caída de paquetes. O si la electrónica está dentro de una caja, asegúrese de que los materiales metalizados estén minimizados y lejos del módulo BLE. La relación entre la intensidad de la señal Bluetooth y la distancia no es una relación lineal. De hecho, es muy no lineal y algo impredecible según el entorno circundante, pero sigue un patrón general (que se muestra a continuación).
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Ya sea que esté diseñando un módulo Beacon pequeño y simple o un concentrador Bluetooth que transmite datos y necesita mucha energía, seguir estas consideraciones podría ahorrarle muchos dolores de cabeza durante la etapa de diseño de prueba / implementación.

Con la expansión del ensamblaje de PCB Bluetooth , es un momento emocionante para incorporar comunicación y control inalámbricos en los productos, y el futuro solo traerá componentes Bluetooth más pequeños, más rápidos, más baratos y más fuertes.

En JHY PCB, estamos entusiasmados de ayudar a hacer realidad estos nuevos conceptos. La asociación con un proveedor experimentado de fabricación de PCB y ensamblaje de PCB con ingenieros que tienen relaciones de larga data con proveedores de componentes es crucial para el éxito de sus próximas necesidades de fabricación y ensamblaje de PCB Bluetooth.

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