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藍牙電路板設計的測試與品質認證

time : 2019-09-03 09:01       作者:凡億pcb

藍牙技術完全可以替代纜線,對于產品經理和設計工程師而言,問題已經從‘何時開始實現藍牙功能?’轉向‘如何在設計中實現藍牙功能?’藍牙電路板設計中有何陷阱?應該采用哪種最高效且最具成本效益的方法?對于那些缺乏無線設計經驗的PCB設計人員而言,掌握藍牙電路板設計中測試與品質認證的策略很重要。
藍牙是能工作在以下三種功率級下的短距離無線網路技術:功率級1(最高功率電平+20dBm,有效范圍100m)、功率級2(最高功率電平+4dBm,有效范圍20m)和功率級3(最高功率電平0dBm,有效范圍10m)。
 
藍牙版本V1.2要求的元件不僅能提供更好的介面保護,還能增強藍牙產品與其他2.4GHz產品(WLAN、某些無線電話和微波爐)的共存性,而且能提供比先前版本更好的語音連接。大部份新功能應歸功于自適應跳頻(AFH)技術、增強的語音處理以及更快速的連接建立技術的導入。當然,藍牙1.2版本產品應能后向相容1.1版本產品。
射頻晶片與天線之間的藍牙無線晶片
圖1:射頻晶片與天線之間的藍牙無線晶片。
 
一旦PCB設計人員選擇在產品中整合藍牙技術,那么除了參看產品供應商提供的簡單性能參數外,還需要考慮眾多的實現問題。例如,如何在產品中使用測試腳本?產品采用嵌入式實現還是外接式實現?產品需要支援哪些作業系統?產品需要提供哪些性能或業務以滿足應用需求?產品的封裝設計是否支援嵌入式或外部天線?產品的生命周期多長?能衍生多少相關產品?
 
最高效的設計
最初的藍牙電路板設計由一系列分離的IC和支援電路組成并最終形成藍牙模組。隨著技術的進步,藍牙電路板設計的整合度不斷增加,而外部元件則不斷減少。因此,最新的模組化解決方案可以為PCB設計人員提供更為優化的藍牙技術,該技術能顯著降低設計風險,距離‘完美的藍牙解決方案’又前進了一大步。
 
在設計中增加藍牙功能需要考慮的主要問題是確認該模組或晶片集是否滿足當前的藍牙標淮V1.2并可繼續升級。避免設計延遲的有效方法是選擇不需要額外藍牙認證或FCC/CE管理認證的產品。
 
PCB設計人員還必須選擇性能領先且帶有板上記憶體的藍牙解決方案。這樣,設計的生命周期將能延伸至未來幾代產品中。選擇性能適中的模組或許能在初期降低成本,但后續產品不得不重新進行全新設計。
利用4.7nH串聯電感實現的最佳化調節電路
圖2:利用4.7nH串聯電感實現的最佳化調節電路。
 
除了期望的射頻(RF)和基頻功能,最新的藍牙模組還能提供其他一些功能,如專用微控制器、天線和連接器整合以及板上快閃記憶體、電壓調節器、濾波器和晶振。這些特性可以提供簡化的設計、降低開發成本并縮短產品上市時間。
 
如果PCB設計人員不使用上述高度整合模組,那么他們必須非常嚴密地設計藍牙電路板(PCB)。元件置放、追蹤掃描、解藕、接地、屏蔽和電路板材料等都是影響性能的重要因素,尤其是產品的射頻性能。如果使用預設計并獲得預認證的模組,那么PCB設計人員將能規避這些問題,從而無須在最終設計中考慮上述因素。
 
產品開發問題
一旦PCB設計人員理解了產品的上述基本應用需求,那么還必須重點關注下面一些問題:功率耗散(這關系到電池的壽命)、現有產品設計中藍牙電路的物理空間限制(藍牙電路究竟佔用多大的空間)以及傳輸速率限制和需求。例如,大多數藍牙互聯應用的速率都限制在732.2bps,這將影響產品的音訊品質。
 
下面列出了開發流程中至關重要的五項因素:
1.模組與晶片組
在PCB設計中直接采用晶片的好處是能節省控制板空間,但也僅此而已。單獨的晶片或晶片組設計方法需要利用射頻設計資源在發送和接收路徑中提供濾波器、放大器、調節網路、振盪器、時脈和天線。而且,該方法還需要大量與設計認證和整合配套的測試設備。此外,除了需要大量的設計時間、射頻專業技能和驗證製程外,這種設計方法還必須獲得藍牙產品使用認證。
 
2.天線
大多數藍牙手持設備均需要能以球狀模式發射訊號并連接各個方向的天線。良好的天線設計對藍牙產品至關重要,選擇外部天線的設計必須考慮控制板空間、成本和天線模式。此外,附屬元件、外殼、離地距離等因素也將對天線的終極性能產生重要影響。
 
如果選擇不帶天線的模組,那么PCB設計人員必須充分了解產品的使用環境。如果無線鏈路同天線之間的饋送不匹配,那么訊號將反射回電路,從而導致嚴重的訊號強度損耗。
零歐姆調節電路的回波損耗(第一個方案)和最佳化調節電路的回波損耗(第二個方案)
圖3:零歐姆調節電路的回波損耗(第一個方案)和最佳化調節電路的回波損耗(第二個方案)。
 
最近,市場上已經出現整合天線模組。如果PCB設計人員選擇的模組帶有整合至控制板的天線,那么實際上已經完成了重要的天線調節工作。如果選擇不帶天線的模組,那么PCB設計人員必須重新調節天線,而且解決方案必須通過藍牙品質認證委員會(BQRB)的認證。
 
3.天線調節
大多數藍牙無線晶片組和模組的前端架構都帶有晶片上發送/接收交換結構,這樣發送和接收路徑都能使用相同的差動埠。典型的輸出收發器架構就是綜合了發送與接收的鏈路。
 
如圖1所示,在設計藍牙模組時,由L1和C1構成的調節網路可以對Tx差動埠和平衡-不平衡變壓器(Balun)之間的阻抗進行轉換。Balun可將差動訊號轉換為饋送至帶通濾波器及天線埠的單端訊號。濾波與L2/C2網路的結合可以防止射頻訊號干擾電路。訊號通路中的低通濾波器還能為Tx訊號提供輔助濾波并抑制Rx通路中的干擾。
 
屏蔽有助于減少內部和外部干擾,從而使模組和其他射頻敏感元件不受影響。此外,還需要考慮射頻藕合因素,因此必須嚴密地規劃元件在PCB上的佈局。
 
例如,在測量帶有天線的藍牙元件的射頻性能時,可以考慮以下兩個設計方案。第一個方案利用零歐姆的調節網路測量天線的初始狀態(如圖2所示),第二個方案則利用優化的調節網路增強天線的性能(如圖3所示)。
 
在上述兩個方案中,都需要進行包括3D發射模式、回波損耗和天線效率在內的測量。本文的分析中,將主要考慮回波損耗和天線效率因素。上述示例中,初始天線測量表明,天線偏離了2.45GHz的中心頻率,因此需要調節元件。結果顯示,如果采用優化的調節網路(如表1所示),可以實現44%的天線效率(在峰值點2.45GHz)。第一個方案的回波損耗介于-2.9至-5.0dB之間,可利用調節電路改進到-6.5至-12.4dB之間。
 
分析顯示,盡管天線只是其中一個元件,但在天線電路設計時仍然需要借助其他電路最佳化性能,尤其必須特別考慮濾波需求、調節電路和佈局。
 
4.連接器
許多藍牙模組都不帶連接器,但具有鍍鉛的BGA或SMD封裝。返修任何具有這種鍍鉛封裝的模組都需要使用BGA或SMD返修工作站。這些工作站不僅價格昂貴,而且當這些元件需要從PCB板上提取出以用于測試、除錯或修理時,整個製程流程的周期很長。這些情形下,不僅主PCB板極易損壞,而且在PCB上返修鍍鉛模組也并非輕而易舉。例如,需要利用BGA X射線儀驗證接腳是否正確地連接到PCB上。對于PCB設計人員而言,如果能正確地從模組的連接器中導出訊號,無疑將節省大量的時間和精力。
藍牙模組的常規射頻測試平臺
圖4:藍牙模組的常規射頻測試平臺。
 
一旦模組配備了能提供USB或UART介面的標淮連接器,那么PCB設計人員完全能在既有的設計中添加即插即用模組,而不必重新設計PCB或整合BGA或SMT之類的元件。模組上的連接器還有助于除錯和測試且不需要增加其他特殊設備。
 
晶振
一些模組完全不提供板上晶振,而另外一些模組雖然提供板上晶振,但模組沒有經過完全測試和認證。因此,這些情形下,需要進行一些特殊設計考慮。
 
晶振的特性也各不相同,每種晶振都具有最佳化的偏移量,從而使振盪器上的相位噪音降至最低。因此,使用晶振時晶振的偏移量必須單獨配置。對于帶有板上晶振的已認證模組,晶振的偏移量可以預先儲存在每個模組中以將相位噪音降至最低。
 
協議堆迭
標淮藍牙元件至少將配備主控介面協議堆迭,該協議堆迭可支援基本的串行通訊藍牙主機協議,如藍牙通訊產品的跳頻同步。模組製造商可以在協議堆迭頂部加載規范,如支援纜線替換的串列埠規范(SPP)。此外,終端用戶還能開發定製的協議堆迭或者購買第三方開發的協議堆迭。
 
測試中應注意的事項
圖4顯示的測試平臺可以測試藍牙模組的絕大多數射頻參數,如接收/發送訊號輸出、同頻干擾、與接收訊號強度指示(RSSI)相關的誤碼率(BER)性能以及鄰頻干擾。
 
圖4中的待測設備(DUT)是利用介面板連接至PC的實際藍牙模組,這種情況下模組需要直流電源,而PC也需要安裝相應的測試軟體。
 
這套測試平臺的核心部份是藍牙測試儀,此外,可以利用頻譜分析議檢驗設備射頻埠上訊號的頻譜內容,對鄰頻干擾、訊號頻譜、諧波、同頻干擾及噪音進行測量。
 
圖4中的藍牙訊號產生器可以產生具有期望頻寬和頻帶的噪音。射頻混合器/分離器不僅能將噪音與射頻訊號混合,還能分離出路由至頻譜分析議和藍牙測試儀的射頻訊號。其他的測試淮則取決于具體應用。
 
利用圖4所顯示的測試平臺可以進行的測試還包括:
* 模組隨時間變化的頻率和功率性能
* 隨頻道數目變化的功率性能
* 同頻干擾
* 鄰頻干擾
* 訊號頻譜內容
* 諧波內容
 
如果模組不自帶天線,那么需要額外增加調節電路。同樣地,如果需要在控制板上黏著天線(參見上述的天線調節),那么需要進行更廣泛的測量。如果天線設備沒有正確黏著,甚至還需要尋求天線製造商的幫助。
 
采用獲得預認證的完全整合模組可以免除射頻一致性測試或數據傳輸率測試,因為該產品已經通過BQB、CE和FCC的認證。藍牙認證包括射頻一致性測試和互通性測試。因此,對于所有工程人員而言,最重要的是確保為模組提供適當的訊號強度并將正確的應用或協議堆迭加載至最終產品中。
 
藍牙認證
藍牙認證將使OEM的產品列入藍牙官方網站,并允許他們在產品中使用藍牙商標。認證可以幫助不同廠商的藍牙產品實現互通并使其符合藍牙規范。認證流程可以分為以下四個部份:無線鏈路需求、協議需求、概要需求和訊息需求。
 
整個認證流程完全由藍牙品質認證委員會(Bluetooth Qualification Review Board,BQRB)監控和管理。認證基于一套參考測試系統的一致性測試(由藍牙認證流程(BQP)制訂)以及與其他符合標淮的藍牙產品之間的互通性測試。測試由已得到SIG下屬的BQRB授權的藍牙認證測試部門(BQTF)實施。
 
除了測試,希望得到認證的生產商還需要提交承諾聲明,藍牙認證組織(BQB)將審查該聲明。此外,除了獲得BQB的認證外,藍牙產品還需要獲得其他一些認證,如FCC和CE。
 
如果PCB設計人員選擇獲得預認證的模組與天線結合進行設計,那么無需重新認證。如果選擇需要額外元件(包括連接器和天線)的模組,那么設計必須通過重新認證。重新認證將使產品的設計周期延長幾個星期。新設計認證的成本也各不相同,具體取決于產品在全球使用的范圍。例如,如果希望獲得全球認證,那么成本將超過10萬美元。盡管BQTF最近大幅調低了認證費用,使用獲得預認證的模組仍然能節省相當可觀的成本。
 
在新設計或現有設計中實現藍牙解決方案的PCB設計人員需要清楚地認識到設計應用的需求,然后為設計慎重地選擇模組或晶片組。幸運的是,藍牙技術的不斷進步使得PCB設計人員能透過有限的最佳化和射頻電路設計實現藍牙功能。某些最新開發的模組還能免除認證,進而極大地擴展了設計應用的使用范圍。因此,PCB設計人員能以更快的速度推出經過完全認證的可靠設計。