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Diretrizes de design da placa de circuito Bluetooth
Diretrizes de design da placa de circuito Bluetooth

As placas de circuito impresso com tecnologia Bluetooth podem ser problemáticas com interferência, perda de dados e baixa integridade do sinal se certas precauções não forem tomadas. Descreveremos muitas regras e diretrizes a serem consideradas ao escolher a tecnologia Bluetooth para um determinado aplicativo e, mais especificamente, projetá-lo em uma placa de circuito.

Uma variedade de aplicativos utiliza Bluetooth, incluindo:
  • Faróis usados ​​em shopping centers
  • Quadros Eddystone para aplicações de detecção industrial
  • Fones de ouvido e produtos de áudio / estéreo
  • Dispositivos periféricos remotos, como controlador de videogame ou mouse / teclado de computador
  • Sistemas de automação residencial
  • Aplicativos eletrônicos de consumo sem fio, incluindo câmeras, impressoras e telefones
Cada aplicativo incorpora a mesma tecnologia Bluetooth comum, mas a utiliza de maneira diferente e, dependendo do tipo de conexão, cabe ao engenheiro de projeto incorporar princípios básicos para otimizar a integridade do sinal e a eficácia geral do dispositivo.

O Bluetooth não é uma opção sem fio muito rápida quando comparado ao Wi-Fi, no entanto, está ficando mais rápido. Também não se sai bem através de paredes e outras obstruções próximas e tem um alcance ruim.

Ainda é uma boa escolha, apesar de ser um trabalho em andamento (5.0 é a atualização mais recente e é uma melhoria decente em relação a 4.2). Na maioria das vezes, é uma opção de baixo consumo de energia, confiável, segura e amplamente suportada, que pode ser facilmente implementada em uma ampla variedade de pequenos periféricos.

O Bluetooth existe há mais de 20 anos e ainda está evoluindo e, embora tenha melhorado em velocidade, potência, alcance, segurança e outros atributos ao longo dos anos, ainda parece ter alguns dos mesmos problemas desde sua concepção em meados de Anos 90, incluindo sua suscetibilidade à interferência de sinal.

Então, o que pode ser feito do ponto de vista do projeto de PCB para otimizar a integridade do sinal, minimizar a interferência e a perda de pacotes de dados?

Aqui estão algumas considerações sobre o projeto de circuitos Bluetooth e regras gerais:

Usar módulos certificados

1. Se você estiver incorporando o Bluetooth em um produto e tiver recursos limitados, considere usar um módulo totalmente certificado e pré-certificado para ajudar a acelerar o desenvolvimento e o tempo de colocação no mercado. No final, pode custar um pouco, mas geralmente evita várias dores de cabeça que podem surgir do posicionamento / design da antena e da suscetibilidade a EMI.

Atualmente, existem vários módulos certificados com preços razoáveis ​​no mercado e a maioria incorpora um pequeno processador ARM, como o RN4020 ou RN4870 da Microchip, ou o BT121 ou BGM113 da Silicon Labs. Ter o processador integrado proporciona mais flexibilidade e energia, como controlar periféricos simples via GPIO, SPI, I2C, PWM e outros, além de sua pilha Bluetooth.
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Verifique sua seleção de dispositivo Bluetooth

2. Verifique se você está escolhendo um dispositivo Bluetooth apropriado para o aplicativo e se a antena também foi dimensionada e ajustada adequadamente.

Se você estiver procurando por um aplicativo beacon simples, no qual você só precisa anunciar local ou dados em intervalos / intervalos curtos, poderá ser usada uma solução econômica de baixa energia (Bluetooth Low Energy ou BLE), econômica, com recursos e periféricos mínimos para economizar bens imobiliários a bordo e custo final.

Se você está procurando mais aplicativos de maior rendimento, streaming de áudio ou troca de dados Bluetooth, pode precisar de algo que tenha um pouco mais de potência de Tx, maior sensibilidade de Rx e uma taxa de dados mais rápida (embora diminua a velocidade dos dados) A taxa normalmente pode ajudar a minimizar os pacotes descartados).

Se você procura um tipo de chip tudo em um, considere usar os chipsets que contêm processadores poderosos ou secundários que incluem pinos UART, SPI, I2C, PWM, ADC, DAC e GPIO disponíveis.

Se você estiver trabalhando em algo altamente dependente de uma leitura de RSSI, verifique se ele possui resolução de dB suficiente no monitor RSSI.

Separar ou remover sinais de cobre e componentes de alta energia

3. Ao projetar em um chipset ou módulo Bluetooth, mantenha a região da antena completamente livre de sinais ou componentes de cobre próximos que transportem quantidades significativas de energia (especialmente os caminhos de energia que são comutados, como conversores auxiliares ou reversíveis).

Isso também inclui manter a área (e as camadas da placa) livres de planos e vazamentos de polígonos. A maioria dos fabricantes de chipsets Bluetooth fornecerá diretrizes de layout que devem ser seguidas de perto durante o design da PCB. Se você estiver configurando manualmente a área da antena, use um plano de aterramento adequado para manter uma boa largura de banda na entrada e certifique-se de criar espaço suficiente para os elementos de sintonia (um plano de aterramento é necessário para antenas impressas e cerâmicas).

Use vias de costura no solo para impedir a radiação indesejada da borda da PCB, pois ela pode penetrar nos sinais Bluetooth próximos. Se puder, tente otimizar a forma da placa para o dispositivo Bluetooth e onde está a antena, mantendo-a na borda e longe de componentes e sinais próximos. Se estiver usando sinais analógicos, como Áudio, verifique se os planos de aterramento analógico e digital estão separados.

E é sempre uma boa idéia proteger a eletrônica (não a antena, é claro) para impedir o acoplamento cruzado e minimizar o ruído captado.
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Notas sobre a fonte de alimentação

4. Certifique-se de que a alimentação do trilho para o módulo ou chip Bluetooth esteja limpa e use capacitores de desvio (1,0 para cima) e desacoplamento (0,1uF e 10nF), quando necessário. Também fique à vontade para usar contas de ferrite no trilho de energia que entra na área Bluetooth da placa para rejeitar ruídos de alta frequência.

Ferramentas e Análise

5. Se você estiver projetando a área da antena, verifique se possui o equipamento adequado (como um analisador de rede) para analisar e ajustar a rede correspondente, ou considere enviar o projeto para um laboratório de teste de RF de terceiros.

Considere as obstruções do mundo real

6. Há uma grande variedade de coisas que podem causar obstrução ou desativação durante uma conexão Bluetooth, incluindo água próxima (seres humanos também - somos feitos principalmente de água), objetos metalizados, smartphones / tablets, computadores, dispositivos operando em a mesma banda ISM, como fornos de microondas ou tecnologias WLAN, fontes de energia, vídeo sem fio de RF, iluminação de escritório e telefones domésticos.

É extremamente suscetível à perda de sinal, mesmo quando emparelhado a uma curta distância (1-2 metros). Se houver um risco maior de que esses tipos de coisas afetem a qualidade do sinal, escolha um dispositivo de maior potência e opere em uma velocidade mais lenta para minimizar a queda de pacotes. Ou, se os componentes eletrônicos estiverem dentro de um gabinete, verifique se os materiais metalizados estão minimizados e distantes do módulo BLE. A relação entre a força e a distância do sinal Bluetooth não é linear. Na verdade, é muito não linear e imprevisível com base no ambiente circundante, mas segue um padrão geral (mostrado abaixo).
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Esteja você projetando um módulo Beacon pequeno e simples ou um hub Bluetooth com fome de energia e fluxo de dados, seguir estas considerações poderá economizar muitas dores de cabeça durante o estágio de teste / implementação do design.

Com a expansão do conjunto de PCBs Bluetooth , é um momento emocionante para incorporar a comunicação e o controle sem fio nos produtos, e o futuro trará apenas componentes Bluetooth menores, mais rápidos, mais baratos e mais fortes.

Na JHY PCB, estamos entusiasmados em ajudar a trazer esses novos conceitos à realidade. A parceria com um fornecedor experiente de fabricação e montagem de PCBs com engenheiros que têm um relacionamento de longa data com fornecedores de componentes é crucial para o sucesso das suas próximas necessidades de fabricação e montagem de PCBs Bluetooth.

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