蓝牙PCB设计方法和技巧

关键的外卖

• 经典蓝牙的讨论，包括安全性和架构
• 低功耗蓝牙及蓝牙应用分析
• 设计蓝牙pcb的技巧和注意事项

蓝牙是我们都知道和喜爱的通信协议。它使我们的扬声器、键盘和其他我们日常使用的设备成为可能。

蓝牙占用2.4 GHz频谱，其带宽和范围小于同样在2.4 GHz上工作的典型WiFi a波段配置。它通常用于个人区域网络(PAN)，而不是WiFi的无线区域网络。换句话说，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配置。

由于WiFi和蓝牙共享一部分频谱，因此如果两种传输路径相距在10米以内，就有可能产生干扰。然而，在较新的蓝牙版本中，这种情况被最小化了，它可以了解哪些无线电频道工作良好，哪些频道受到更多干扰。然后，蓝牙通信可以动态切换到使用干扰较小的信道，即自适应跳频。

目前的经典蓝牙可以达到3mbps，而蓝牙低功耗(LE)可以达到2mbps，下面将进一步讨论。蓝牙由蓝牙特殊兴趣小组(Bluetooth Special interest Group, SIG)管理，这是一个由多家公司共同推动蓝牙技术发展的组织。制造商要销售蓝牙设备，它必须符合蓝牙SIG标准。

在本文中，我们将探讨蓝牙pcb。

蓝牙连接过程

蓝牙设备使用主要和次要模型来进行通信。单个主设备，如智能手机、计算机、控制台等，可以连接到多个辅助节点设备。

每个蓝牙设备都有一个唯一的48位地址，通常表示为12位十六进制值。希望被发现的BLE设备在一个称为广告的过程中发送消息。广告消息包含有关设备的信息，包括这个唯一的ID。同时，另一台有能力的设备将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:

• 主动模式，设备在这里接收或传输数据
• 嗅嗅模式，在那里，设备休眠并在设定的周期内监听信号
• 保持状态，在这种模式下，设备会休眠一段时间，然后返回到活动模式
• 公园模式，其中设备休眠，直到主设备将其唤醒

蓝牙安全

蓝牙设备采用加密技术，保证设备间的安全连接

一般来说，蓝牙是一种相当低功耗、可靠、安全且得到广泛支持的通信标准，非常适合小型外设。一般来说，蓝牙设备的范围为1厘米到100米，每个连接的设备都需要使用唯一代码进行设备审批。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，它还可以更改作为设备标识的地址，该地址包含在无线数据交换中，从而降低任何设备被跟踪的风险。

蓝牙硬件架构

在任何蓝牙PCB设备中，有两个部分一起工作以创建蓝牙连接。第一种是调制和传输信号的无线电设备。第二个是数字控制器;它们在物理上可能是分开的，也可能不是。

数字控制器通常是一个CPU，它运行一个链路控制器并与主机设备接口。该链路控制器负责基带的处理和物理层FEC协议的管理。此外，它还处理传输函数(异步和同步)、音频编码和数据加密。

低功耗(LE)蓝牙

低能蓝牙(BLE)是一种附加的蓝牙标准，它允许许多电子开发和创新。具体地说,许多物联网与医疗设备利用蓝牙LE进行通信。

蓝牙LE是低功耗的，在主动模式下使用的电流小于15毫安。BLE设备大部分时间处于低功耗睡眠模式，只有在发送数据时才会被唤醒。与传统的蓝牙相比，后者通常花费更多的时间“打开”和主动通信。

BLE可以在开放区域达到150米，是蓝牙的一种经济高效的替代方案，因为它还可以显着增加电池寿命。它也可以用于广播或网状网络。

蓝牙PCB应用

蓝牙有各种各样的应用——从医疗保健到音频流

具有蓝牙功能的pcb用于各种电器和设备。一些蓝牙PCB应用包括:

• 医疗保健设备，如血压测量设备、血糖监测设备、温度测量设备等。这包括可穿戴设备和与智能手机或其他外部设备通信的植入设备。
• 环境传感装置例如照度、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。
• 健身设备它们配备了可以测量速度、转速的传感器、监测体重的秤，或者能够测量心率的可穿戴设备。
• 音频流设备我们也特别受益于蓝牙的低功耗和低范围——我们都熟悉的扬声器和耳机。

蓝牙PCB设计技巧

在设计蓝牙设备时，有各种各样的技巧和指针需要记住

在设计蓝牙pcb时，需要考虑多种因素，以确保设备的可靠性、功能和安全性。

• 电力消耗．你的蓝牙设备很可能是电池供电的。特别是在低功耗设计中，提前计算功耗是很重要的。验证您的设计中没有电流泄漏，并且您的组件都是可靠的。使用能够低功耗深度睡眠模式的微控制器可以延长设备的使用寿命。
• 电源可靠性．蓝牙设备通常需要在1.6 V到3.6 V之间的稳定电压。线路的波动可能导致传输和操作问题。一如既往，确保稳定的电源轨对设备的可靠性至关重要，并遵循良好的设计实践。必要时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可以帮助消除高频噪声。
• 传输的需求．仅仅因为一个组件具有蓝牙功能，并不一定意味着它适合你的电路板。根据您的蓝牙应用程序，您可能需要不同尺寸的天线和不同的传输功率。例如，如果您计划一个简单的信标应用程序，其中通信需要一些位置或其他短数据流，BLE可能是一个更具成本效益的选择。使用更小、更节能的集成电路和更少的附加功能可以节省电路板空间。另一方面，如果您的设备需要音频流或更高的数据速率，则可能需要更大，更强大的ic，因为它们通常会消耗更多功率，但允许更敏感的接收和更高的传输功率。
• 电磁干扰(EMI)．虽然蓝牙在2.4 GHz频谱上工作，但它仍然会对PCB上的周围组件产生EMI问题。为了保证高频耦合不到达这些元件，使用电磁干扰屏蔽策略，例如增加走线之间的距离或添加EMI屏蔽。
• 信号的完整性．正如我们讨论过的，有很多空间让噪音和其他干扰进入你的电路板。出于这个原因，让天线区域与附近的铜信号或其他高能量组件(如电源路径或降压转换器)保持距离是很重要的——多边形倾泻和大平面也是如此。如果你在布置天线区域，利用一个接地平面(印刷和陶瓷天线所需要的)，以确保在输入处有良好的带宽，并为你的调谐元件留下适当的空间。您的蓝牙IC制造商可能会提供布局指南供您遵循。在微妙的模拟信号的情况下，考虑使用单独的模拟和数字地平面。
• 物理尺寸限制．您的蓝牙PCB设备可能是便携式的，因此可能需要安装在某种外壳中，因此有必要考虑这些机械限制。无论是智能可穿戴、消费类设备、扬声器还是其他任何东西，配合PCB设计软件都能胜任ECAD-MCAD集成可以在以后的设计过程中帮助你。
• 董事会不动产管理．您的设备很可能会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，这些组件都需要在蓝牙PCB上占有一席之地。这些组件总是会竞争空间，所以在选择组件时要考虑IC尺寸。
• 认证模块的使用．如果您要求您的设备具有蓝牙功能，请考虑使用预先认证的完整包含模块来简化您的开发过程。虽然这可能会增加前期成本，但它将防止后期的挑战，包括天线放置，EMI敏感性，以及找出各种协议，最终加快您的上市时间。市场上有各种各样的设备，所以花时间找到一个适合你所需功能的设备会有很大的帮助。
• 板布局．将大的焊盘、长导线或其他电感器放置在离蓝牙PCB天线太近的地方可能会改变谐振频率。