本文要點

• 介紹經典藍牙設計，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 的要點和注意事項

藍牙作為最常見的通信協議之一，已經滲透到日常生活的方方面面，我們經常使用的音箱、鍵盤和其他設備都有可能使用藍牙技術。

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 的無線局域網相比，藍牙通常用于個人局域網 (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 米以內，就有可能產生干擾。不過，較新版本的藍牙可以最大限度地減少這種干擾，它知道哪些無線電信道運轉良好，哪些信道受到的干擾較多。這樣，藍牙通信就可以動態切換到干擾較少的信道，這就是所謂的“自適應跳頻”技術。

目前，經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，共同致力于推動藍牙技術的發展。制造商必須符合藍牙特殊利益集團的標準，才能在市場上銷售藍牙設備。

本文將探討藍牙 PCB 的設計。

1. 藍牙連接過程

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

每個藍牙設備都有一個唯一的 48 位地址，通常用 12 個十六進制數表示。希望被發現的 BLE 設備會通過一個稱為廣播 (advertising) 的過程發送消息。廣播消息中包含藍牙設備的相關信息，包括其唯一 ID。與此同時，另一個設備會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

此時設備正在接收或傳輸數據

呼吸模式

設備處于休眠狀態，并在設定的時間段內監聽信號

保持模式

設備休眠一段時間，然后返回激活模式

休眠模式

設備處于休眠狀態，直到主設備將其喚醒

2. 藍牙的安全性

總體來說，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。一般來說，藍牙設備的通信范圍在 1 厘米到 100 米之間，每個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（該地址包含在無線數據交換中），從而降低設備被跟蹤的風險。

3. 藍牙的硬件架構

在任何藍牙 PCB 設備中，創建藍牙連接都要依靠兩個元件的協同工作。首先是用于調制和傳輸信號的無線電設備。其次是數字控制器；這兩個元件在布局上可能是彼此分開的，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 協議。此外，它還負責實現傳輸功能（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，它也是推動眾多電子產品不斷發展和創新的幕后功臣。具體來說，許多物聯網和醫療設備都利用低功耗藍牙進行通信。

BLE 采用低能耗設計，在激活模式下的電流小于 15 mA。BLE 設備大部分時間處于低功耗休眠模式，只有在發送數據時才會喚醒。與傳統藍牙相比，BLE 設備通常有更多時間處于“開啟”和主動通信狀態。

BLE 在開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，因為它還能顯著延長電池壽命。BLE 還可用于廣播或網狀網絡。

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，如血壓測量儀、血糖監測儀和溫度測量儀，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。

環境傳感設備（如照度、環境濕度、壓力或環境溫度）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恰好可以在這類設備中派上用場。

6. 藍牙 PCB 設計要點

在設計藍牙 PCB 時，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。確認設計中沒有電流泄漏問題，并且所有器件均質量可靠。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。電源波動會導致傳輸和運行問題。依照經驗，確保穩定的電源軌對設備可靠性至關重要，為此要遵循良好的設計實踐實踐。必要時可使用旁路電容器和多個去耦電容器。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

一個元件具有藍牙功能，并不一定意味著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和不同的傳輸功率。

例如，假設我們打算開發簡單的信標類應用，在這種應用中，實現通信需要位置信息或其他簡短的數據流，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，但仍會對 PCB 上的周圍器件產生電磁干擾。為了確保高頻耦合不會影響到這些器件，可以使用 EMI 屏蔽策略，如增加走線之間的間距或添加 EMI 屏蔽層。

信號完整性

我們前面提到，電路板很可能會受到噪聲和其他干擾的影響。因此，天線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。

如果要布置天線區域，應使用接地平面（對于印刷天線和陶瓷天線而言），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關的其他功能。無論是 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，在選擇器件時要考慮到集成電路的尺寸。

使用經過認證的模塊

如果設備需要具備藍牙功能，應考慮使用經過預先認證的完整模塊，以簡化開發流程。雖然這可能會增加前期成本，但卻能避免后期在天線布置、EMI 敏感性以及適配各種協議等方面遇到困難，最終可以加快產品上市。市場上有各種各樣的設備，因此有必要花點時間找到適合所需功能的設備，這樣做絕對會讓我們事半功倍。

電路板 layout

如果將大型焊盤、較長的導線或其他電感器放在離藍牙 PCB 天線太近的地方，可能會改變諧振頻率。