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Directives de conception du circuit imprimé Bluetooth
Directives de conception du circuit imprimé Bluetooth

Les cartes de circuits imprimés avec technologie Bluetooth peuvent poser problème en raison d'interférences, de données perdues et d'une mauvaise intégrité du signal si certaines précautions ne sont pas prises. Nous exposerons de nombreuses règles et directives à prendre en compte lors du choix de la technologie Bluetooth pour une application donnée et, plus spécifiquement, de sa conception dans un circuit imprimé.

Une variété d'applications utilise Bluetooth, notamment:
  • Balises utilisées dans les centres commerciaux
  • Cadres Eddystone pour applications de détection industrielles
  • Casques et produits audio / stéréo
  • Périphériques distants tels qu'un contrôleur de jeu vidéo ou des souris / claviers d'ordinateur
  • Systèmes domotiques
  • Applications électroniques grand public sans fil, y compris appareils photo, imprimantes et téléphones
Chaque application intègre la même technologie Bluetooth commune, mais l’utilise différemment et, en fonction du type de connexion, il incombe au concepteur d’incorporer les principes de base permettant d’optimiser l’intégrité du signal et l’efficacité globale du périphérique.

Le Bluetooth n’est pas un choix sans fil très rapide par rapport au Wi-Fi, mais il s’accélère. Il ne fait pas aussi bien à travers les murs et autres obstacles à proximité et a une portée médiocre.

C'est toujours un bon choix, même s'il s'agit d'un travail en cours (la version 5.0 est la plus récente et représente une amélioration décente par rapport à la version 4.2). Pour l’essentiel, il s’agit d’une option à faible consommation d’énergie, fiable, sécurisée et largement prise en charge qui peut facilement être mise en œuvre sur une vaste gamme de petits périphériques.

Bluetooth existe depuis plus de 20 ans et continue d'évoluer. Bien que sa vitesse, sa puissance, son autonomie, sa portée, sa sécurité et d'autres attributs se soient améliorés au fil des ans, il semble que certains problèmes persistent depuis sa conception au milieu de l'année. Années 90, y compris sa susceptibilité aux interférences de signal.

Alors, que peut-on faire du point de vue de la conception des circuits imprimés pour optimiser l’intégrité du signal, minimiser les interférences et les paquets de données perdus?

Voici quelques considérations relatives à la conception de circuits Bluetooth et règles générales empiriques:

Utiliser des modules certifiés

1. Si vous intégrez Bluetooth dans un produit et que vous disposez de peu de ressources, envisagez l’utilisation d’un module pré-certifié et entièrement contenu afin d’accélérer le développement et la mise sur le marché. Cela peut coûter un peu cher au final, mais évitera généralement plusieurs maux de tête pouvant résulter du placement / de la conception de l’antenne et de la susceptibilité aux EMI.

Il existe actuellement sur le marché plusieurs modules certifiés à prix raisonnable et la plupart intègrent un petit processeur ARM, tel que le RN4020 ou RN4870 de Microchip, ou encore le BT121 ou le BGM113 de Silicon Labs. Le processeur intégré lui confère davantage de souplesse et de puissance, notamment en contrôlant des périphériques simples via GPIO, SPI, I2C, PWM, etc., en plus de sa pile Bluetooth.
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Vérifiez votre sélection de périphérique Bluetooth

2. Assurez-vous de choisir un périphérique Bluetooth approprié pour l’application et que l’antenne a également été dimensionnée et réglée de manière appropriée.

Si vous optez pour une application de balise simple dans laquelle vous devez uniquement publier un emplacement ou des données par petits jets / intervalles, vous pouvez utiliser une solution économique à faible consommation d'énergie (Bluetooth Low Energy ou BLE) avec un minimum de fonctionnalités et de périphériques. économiser des biens immobiliers à bord et des coûts finaux.

Si vous recherchez davantage d'applications à haut débit, de transmission audio en continu ou d'échange de données Bluetooth, vous aurez peut-être besoin de quelque chose qui offre un peu plus de puissance Tx, une sensibilité Rx plus élevée et un débit de données plus élevé (tout en ralentissant les données). taux peut généralement aider à minimiser les paquets perdus).

Si vous recherchez une sorte de puce tout-en-un, envisagez d’utiliser les jeux de puces contenant des processeurs puissants ou secondaires, notamment les broches UART, SPI, I2C, PWM, ADC, DAC et GPIO disponibles.

Si vous travaillez sur quelque chose de très dépendant d'une lecture RSSI, assurez-vous que sa résolution en dB est suffisante sur son moniteur RSSI.

Séparer ou supprimer les signaux de cuivre et les composants à haute énergie

3. Lors de la conception d'un chipset ou d'un module Bluetooth, veillez à ce que la région de l'antenne ne soit pas touchée par les signaux de cuivre ou par les composants transportant des quantités importantes d'énergie (notamment les chemins d'alimentation commutés tels que les convertisseurs boost ou buck).

Cela inclut également le maintien de la zone (et des couches de la carte) exempte d'avions et de déversements de polygones. La plupart des fabricants de jeux de puces Bluetooth fourniront des instructions de configuration qu'il convient de suivre de près lors de la conception du circuit imprimé. Si vous définissez manuellement la zone de l’antenne, utilisez un plan de masse comme il convient pour conserver une bonne bande passante à l’entrée et assurez-vous de ménager suffisamment de place pour les éléments de réglage (un plan de masse est nécessaire pour les antennes imprimées et en céramique).

Utilisez des vias de raccordement au sol pour éviter les rayonnements non désirés du bord du circuit imprimé car ils pourraient pénétrer dans les signaux Bluetooth à proximité. Si vous le pouvez, essayez d’optimiser la forme de la carte par rapport au périphérique Bluetooth et à l’emplacement de son antenne, en la maintenant sur le bord et à l’écart des signaux et des composants à proximité. Si vous utilisez des signaux analogiques tels que Audio, assurez-vous que les plans de masse analogiques et numériques sont séparés.

Et c’est toujours une bonne idée de protéger l’électronique (pas l’antenne, bien sûr) pour éviter les couplages croisés et minimiser les parasites captés.
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Notes sur l'alimentation

4. Assurez-vous que le rail qui alimente le module ou la puce Bluetooth est propre et utilisez des condensateurs de dérivation (1.0 et plus) et de découplage (0.1uF et 10nF) si nécessaire. Vous pouvez également utiliser des billes de ferrite sur le rail d'alimentation pour entrer dans la zone Bluetooth de la carte afin de rejeter le bruit haute fréquence.

Outils et analyse

5. Si vous concevez la zone de l’antenne, assurez-vous de disposer du matériel approprié (un analyseur de réseau, par exemple) pour analyser et régler le réseau correspondant ou envisagez d’envoyer la conception à un laboratoire de test RF tiers.

Considérer les obstructions du monde réel

6. Il existe une grande variété d'éléments pouvant causer une obstruction ou un désaccord lors d'une connexion Bluetooth, y compris l'eau à proximité (les humains aussi - nous sommes principalement constitués d'eau), des objets métallisés, des smartphones / tablettes, des ordinateurs, des appareils fonctionnant sous tension. la même bande ISM, comme les fours à micro-ondes ou les technologies WLAN, les sources d'alimentation, la vidéo RF sans fil, l'éclairage de bureau et les téléphones résidentiels.

Il est extrêmement susceptible à la perte de signal même lorsqu'il est couplé à une distance proche (1-2 mètres). S'il existe un risque plus élevé d'influence de ce type d'éléments sur la qualité du signal, choisissez un périphérique de puissance supérieure et utilisez-le à une vitesse plus lente afin de minimiser la perte de paquets. Ou si les composants électroniques sont à l'intérieur d'un boîtier, assurez-vous que les matériaux métallisés sont minimisés et éloignés du module BLE. La relation entre la puissance du signal Bluetooth et la distance n’est pas une relation linéaire. En fait, il est très non linéaire et quelque peu imprévisible en fonction de l’environnement mais suit un schéma général (voir ci-dessous).
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Que vous conceviez un petit module Beacon simple ou un concentrateur Bluetooth gourmand en streaming de données, respectez les recommandations qui suivent pour vous éviter des tonnes de maux de tête pendant la phase de test / mise en œuvre de la conception.

Avec l’extension de l’assemblage du circuit imprimé Bluetooth , c’est un moment excitant pour incorporer la communication et le contrôle sans fil dans les produits, et l’avenir n’apportera que des composants Bluetooth plus petits, plus rapides, moins chers et plus puissants.

Chez JHY PCB, nous sommes ravis de pouvoir concrétiser ces nouveaux concepts. La réussite de vos prochains besoins en matière de fabrication et d’assemblage de circuits imprimés Bluetooth est cruciale pour un fournisseur expérimenté dans la fabrication de circuits imprimés et la fabrication de circuits imprimés.

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