本文要點(diǎn)

• 介紹經(jīng)典藍牙設計，包括安全性和架構
• 低功耗藍牙和藍牙應用分析
• 設計藍牙 PCB 的要點(diǎn)和注意事項

藍牙作為最常見(jiàn)的通信協(xié)議之一，已經(jīng)滲透到日常生活的方方面面，我們經(jīng)常使用的音箱、鍵盤(pán)和其他設備都有可能使用藍牙技術(shù)。

藍牙占用 2.4 GHz 頻段，與同樣在 2.4 GHz 頻段上運行的典型 WiFi A 波段配置相比，藍牙的帶寬和覆蓋范圍較小。與 WiFi 的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)相比，藍牙通常用于個(gè)人局域網(wǎng) (PAN)。換言之，藍牙用于一對一（設備到設備）通信，而 WiFi 更適合用于“設備到集線(xiàn)器”這種配置。

由于 WiFi 和藍牙使用的部分頻段是相同的，如果二者傳輸路徑相距 10 米以?xún)�，就有可能產(chǎn)生干擾。不過(guò)，較新版本的藍牙可以最大限度地減少這種干擾，它知道哪些無(wú)線(xiàn)電信道運轉良好，哪些信道受到的干擾較多。這樣，藍牙通信就可以動(dòng)態(tài)切換到干擾較少的信道，這就是所謂的“自適應跳頻”技術(shù)。

目前，經(jīng)典藍牙的傳輸速率最高可達 3 Mbps，而低功耗藍牙 (Bluetooth Low Energy, BLE) 的傳輸速率最高可達 2 Mbps，我們將在下文進(jìn)一步介紹。藍牙由藍牙特殊利益集團 (Special Interests Group, SIG) 管理，該組織由多家公司組成，共同致力于推動(dòng)藍牙技術(shù)的發(fā)展。制造商必須符合藍牙特殊利益集團的標準，才能在市場(chǎng)上銷(xiāo)售藍牙設備。

本文將探討藍牙 PCB 的設計。

1. 藍牙連接過(guò)程

藍牙設備使用主從模式進(jìn)行通信。單個(gè)主設備（如智能手機、電腦、控制臺等）可連接多個(gè)從屬節點(diǎn)設備。

每個(gè)藍牙設備都有一個(gè)唯一的 48 位地址，通常用 12 個(gè)十六進(jìn)制數表示。希望被發(fā)現的 BLE 設備會(huì )通過(guò)一個(gè)稱(chēng)為廣播 (advertising) 的過(guò)程發(fā)送消息。廣播消息中包含藍牙設備的相關(guān)信息，包括其唯一 ID。與此同時(shí)，另一個(gè)設備會(huì )掃描數據包并選擇合適的數據包。

連接后，設備可以處于以下幾種模式之一：

激活模式

此時(shí)設備正在接收或傳輸數據

呼吸模式

設備處于休眠狀態(tài)，并在設定的時(shí)間段內監聽(tīng)信號

保持模式

設備休眠一段時(shí)間，然后返回激活模式

休眠模式

設備處于休眠狀態(tài)，直到主設備將其喚醒

2. 藍牙的安全性

總體來(lái)說(shuō)，藍牙是一種功耗很低、性能可靠、安全且受到廣泛支持的通信標準，非常適合小型外設。一般來(lái)說(shuō)，藍牙設備的通信范圍在 1 厘米到 100 米之間，每個(gè)設備都需要使用獨特的代碼獲得其他設備的批準才能連接。設備之間交換的藍牙數據可以加密，防止信息被竊聽(tīng)設備獲取。此外，它還可以更改用于識別設備身份的地址（該地址包含在無(wú)線(xiàn)數據交換中），從而降低設備被跟蹤的風(fēng)險。

3. 藍牙的硬件架構

在任何藍牙 PCB 設備中，創(chuàng )建藍牙連接都要依靠?jì)蓚�(gè)元件的協(xié)同工作。首先是用于調制和傳輸信號的無(wú)線(xiàn)電設備。其次是數字控制器；這兩個(gè)元件在布局上可能是彼此分開(kāi)的，但也可能是集成在一起的。

數字控制器通常是一塊 CPU，運行著(zhù)鏈路控制器并與主機設備連接。該鏈路控制器負責處理基帶和管理物理層FEC 協(xié)議。此外，它還負責實(shí)現傳輸功能（異步和同步）、音頻編碼和數據加密。

4. 低功耗藍牙

低功耗藍牙 (BLE) 是另一種藍牙標準，它也是推動(dòng)眾多電子產(chǎn)品不斷發(fā)展和創(chuàng )新的幕后功臣。具體來(lái)說(shuō)，許多物聯(lián)網(wǎng)和醫療設備都利用低功耗藍牙進(jìn)行通信。

BLE 采用低能耗設計，在激活模式下的電流小于 15 mA。BLE 設備大部分時(shí)間處于低功耗休眠模式，只有在發(fā)送數據時(shí)才會(huì )喚醒。與傳統藍牙相比，BLE 設備通常有更多時(shí)間處于“開(kāi)啟”和主動(dòng)通信狀態(tài)。

BLE 在開(kāi)放區域的傳輸距離可達 150 米，是頗具成本效益的藍牙替代技術(shù)，因為它還能顯著(zhù)延長(cháng)電池壽命。BLE 還可用于廣播或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )。

5. 藍牙 PCB 應用

搭載藍牙功能的 PCB 可用于各種電器和設備。一些藍牙 PCB 應用包括：

醫療保健設備，如血壓測量?jì)x、血糖監測儀和溫度測量?jì)x，其中包括與智能手機或其他外部設備通信的可穿戴設備和植入設備。

環(huán)境傳感設備（如照度、環(huán)境濕度、壓力或環(huán)境溫度）能夠將這些數據傳輸到智能手機或其他中央數據記錄設備。

配備傳感器，可測量速度、轉速的健身設備；可監測體重的體重計；或可測量心率的可穿戴設備。

音頻串流播放設備，例如我們常用的藍牙音箱和耳機，藍牙具備的低功耗和覆蓋范圍小的特點(diǎn)恰好可以在這類(lèi)設備中派上用場(chǎng)。

6. 藍牙 PCB 設計要點(diǎn)

在設計藍牙 PCB 時(shí)，為確保設備的可靠性、功能和安全性，需要考慮諸多事項。

功耗

藍牙設備很可能由電池供電。特別是在低功耗設計中，事先計算功耗非常重要。確認設計中沒(méi)有電流泄漏問(wèn)題，并且所有器件均質(zhì)量可靠。使用支持低功耗深度休眠模式的微控制器，可以延長(cháng)設備的使用壽命。

電源可靠性

藍牙設備通常需要 1.6 V 至 3.6 V 的穩定電壓。電源波動(dòng)會(huì )導致傳輸和運行問(wèn)題。依照經(jīng)驗，確保穩定的電源軌對設備可靠性至關(guān)重要，為此要遵循良好的設計實(shí)踐實(shí)踐。必要時(shí)可使用旁路電容器和多個(gè)去耦電容器。此外，在電源軌上使用鐵氧體磁珠有助于消除高頻噪聲。

傳輸要求

一個(gè)元件具有藍牙功能，并不一定意味著(zhù)它就適合我們的電路板。根據具體的藍牙應用，我們可能需要采用不同尺寸的天線(xiàn)和不同的傳輸功率。

例如，假設我們打算開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單的信標類(lèi)應用，在這種應用中，實(shí)現通信需要位置信息或其他簡(jiǎn)短的數據流，所以 BLE 可能是更具成本效益的選擇。使用體積更小、功耗更低且功能簡(jiǎn)單的集成電路，可以節省電路板空間。

另一方面，如果我們的設備需要支持音頻串流播放或更高的數據傳輸速率，那么體積更大、功能更強的集成電路可能是最佳選擇，因為雖然它們通常功耗更高，但可以實(shí)現更靈敏的接收性能和更高的傳輸功率。

電磁干擾 (EMI)

雖然藍牙在 2.4 GHz 頻段上運行，但仍會(huì )對 PCB 上的周?chē)�器件產(chǎn)生電磁干擾。為了確保高頻耦合不會(huì )影響到這些器件，可以使用 EMI 屏蔽策略，如增加走線(xiàn)之間的間距或添加 EMI 屏蔽層。

信號完整性

我們前面提到，電路板很可能會(huì )受到噪聲和其他干擾的影響。因此，天線(xiàn)區域必須與附近的銅信號或其他高能量器件（如電源路徑或降壓轉換器）保持一定的距離，多邊形覆銅和大型平面也是如此。

如果要布置天線(xiàn)區域，應使用接地平面（對于印刷天線(xiàn)和陶瓷天線(xiàn)而言），以確保輸入端有良好的帶寬，并為調諧器件留出適當的空間。藍牙集成電路制造商可能會(huì )提供 layout 指南供設計人員參考。對于需要謹慎處理的模擬信號，可考慮使用單獨的模擬和數字接地平面。

物理尺寸限制

藍牙 PCB 設備很可能是便攜式的，因此很可能需要安裝在某種外殼中，所以有必要考慮這些物理方面的限制。無(wú)論是智能可穿戴設備、消費電子設備、音箱還是其他任何設備，集成了 ECAD-MCAD 功能的 PCB 設計軟件將成為得力助手，幫助我們順利完成之后的設計流程。

路板空間管理

成品設備很可能也要執行與藍牙無(wú)關(guān)的其他功能。無(wú)論是 WiFi 卡、NFC、模擬微芯片還是額外的傳感器，這些器件都需要占用藍牙 PCB 的空間。因此，空間永遠不夠用，在選擇器件時(shí)要考慮到集成電路的尺寸。

使用經(jīng)過(guò)認證的模塊

如果設備需要具備藍牙功能，應考慮使用經(jīng)過(guò)預先認證的完整模塊，以簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)流程。雖然這可能會(huì )增加前期成本，但卻能避免后期在天線(xiàn)布置、EMI 敏感性以及適配各種協(xié)議等方面遇到困難，最終可以加快產(chǎn)品上市。市場(chǎng)上有各種各樣的設備，因此有必要花點(diǎn)時(shí)間找到適合所需功能的設備，這樣做絕對會(huì )讓我們事半功倍。

電路板 layout

如果將大型焊盤(pán)、較長(cháng)的導線(xiàn)或其他電感器放在離藍牙 PCB 天線(xiàn)太近的地方，可能會(huì )改變諧振頻率。