蓝牙PCB设计方法与技巧

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的提示和注意事项

蓝牙是一种我们都知道并喜爱的通信协议。它使我们的扬声器、键盘和其他日常使用的设备都能使用。

蓝牙占用2.4 GHz的频谱，其带宽和范围小于同样工作在2.4 GHz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则更好地用于设备到集线器配置。

由于WiFi和蓝牙共享一部分频谱，如果两种传输路径之间的距离在10米以内，就有可能受到干扰。然而，在新版本的蓝牙中，这种情况被降到最低，它可以了解哪些无线电频道工作得很好，哪些频道受到了更多的干扰。这样蓝牙通信就可以动态地切换到干扰较少的信道，即自适应跳频。

现在的经典蓝牙可以达到3mbps，而蓝牙低能量(LE)，下文将进一步讨论，可以达到2mbps。蓝牙由蓝牙特殊利益集团(Bluetooth Special Interests Group, SIG)管理，这是一群共同努力推进蓝牙技术的公司。制造商要销售蓝牙设备，必须满足蓝牙SIG标准。

在本文中，我们将探讨蓝牙pcb。

蓝牙连接流程

蓝牙设备使用主要和次要模型来进行通信。一台主设备(如智能手机、计算机、控制台等)可以连接多个从节点设备。

每个蓝牙设备都有一个唯一的48位地址，通常用一个12位的十六进制值表示。希望被发现的BLE设备在一个被称为广告的过程中发出消息。广告消息包含有关设备的信息，包括这个唯一ID。与此同时，另一个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，设备正在接收或传输数据
• 嗅嗅模式在该系统中，设备处于休眠状态，并在设定的时间内监听信号
• 保持状态，其中设备休眠一段时间，然后返回到活动模式
• 公园模式，该设备处于休眠状态，直到主设备将其唤醒

蓝牙安全

蓝牙设备使用加密技术来保证设备之间的安全连接

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，非常适合小型外围设备。一般来说，蓝牙设备的范围是1厘米到100米，每个连接的设备都需要使用唯一的代码进行设备审批。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，它还可以改变作为设备身份的地址，包括在无线数据交换中，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来创建蓝牙连接。第一种是调制和传输信号的无线电装置。二是数字控制器;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连接。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。

低能耗(LE)蓝牙

低能蓝牙(BLE)是一种额外的蓝牙标准，允许许多电子开发和创新。具体地说,许多物联网和医疗设备利用蓝牙LE进行通信。

蓝牙LE是低能耗的，在主动模式下使用不到15 mA的电流。BLE设备大部分时间都处于低功耗睡眠模式，只有在发送数据时才会唤醒。相比之下，传统的蓝牙通常会花更多的时间在积极的交流上。

BLE在开放区域的传输距离可达150米，是一种具有成本效益的蓝牙替代方案，因为它还可以显著提高电池寿命。它也可以用于广播或网状网络。

蓝牙PCB应用

蓝牙有多种应用——从医疗保健到音频流媒体

具有蓝牙功能的pcb被用于各种电器和设备。一些蓝牙PCB应用包括:

• 医疗设备，如血压测量装置、血糖监测装置、体温测量装置等。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传感器，可以测量速度、RPM、监测体重的秤，或者可以测量心率的可穿戴设备。
• 音频流媒体设备我们所熟悉的蓝牙扬声器和耳机，功率更低、范围更小，也让我们受益良多。

蓝牙PCB设计技巧

在设计蓝牙设备时，有各种各样的提示和指针是必须记住的

在设计蓝牙pcb时，有很多事情需要考虑，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。使用具有低功耗深度睡眠模式的微控制器可以延长设备寿命。
• 供电可靠性．蓝牙设备通常需要1.6 V到3.6 V的稳定电压。线路波动会导致传输和操作问题。一如既往，确保稳定的电源轨道对设备可靠性至关重要，并遵循良好的设计实践。必要时使用一个旁路电容器和多个去耦电容器。此外，在动力轨上使用铁氧体珠有助于消除高频噪声。
• 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您的电路板。根据您的蓝牙应用程序，您可能需要不同大小的天线和不同的传输功率。例如，如果您计划使用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，可以节省电路板空间。另一方面，如果你的设备需要音频流或更高的数据速率，更大、功能更强的ic可能是正确的选择，因为它们通常会消耗更多的功率，但却能提供更灵敏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上的周围组件造成EMI问题。为了确保高频耦合不会到达这些组件，请使用电磁干扰屏蔽策略，例如增加迹线之间的距离或添加EMI屏蔽。
• 信号的完整性．正如我们所讨论的，有很大的空间噪音和其他干扰进入您的板。出于这个原因，保持天线区域与附近的铜信号或其他高能组件(如电源路径或降压转换器)(以及多边形倾泻和大平面)保持距离是很重要的。如果您正在布置天线区域，请利用地平面(印刷天线和陶瓷天线所需)来确保输入处有良好的带宽，并为调谐元件留下适当的空间。你的蓝牙IC制造商很可能会为你提供布局指南。在精细模拟信号的情况下，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，因此可能需要适合某种外壳，因此有必要考虑这些机械限制。无论是智能可穿戴设备、消费设备、扬声器还是其他任何东西，都能与PCB设计软件一起工作ECAD-MCAD集成可以帮助你在以后的设计过程中。
• 板房物业管理．您的设备很可能会执行与蓝牙无关的附加功能。无论是WiFi卡、NFC、模拟微芯片还是额外的传感器，这些组件都需要占用蓝牙PCB上的空间。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。
• 使用认证模块．如果您要求设备支持蓝牙，请考虑使用预认证的全包含模块来简化开发过程。虽然这可能会增加前期成本，但它将防止后续的挑战，包括天线放置、EMI易感性和制定各种协议，最终加速您的上市时间。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极大的帮助。
• 板布局．将大的衬垫、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。