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蓝牙电路板设计的测试与品质认证

发布时间 :2017-09-27 11:26 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCB设计部
蓝牙技术完全可以替代缆线,对于产品经理和设计工程师而言,问题已经从‘何时开始实现蓝牙功能?’转向‘如何在设计中实现蓝牙功能?’蓝牙电路板设计中有何陷阱?应该采用哪种最高效且最具成本效益的方法?对于那些缺乏无线设计经验的PCB设计人员而言,掌握蓝牙电路板设计中测试与品质认证的策略很重要。
蓝牙是能工作在以下三种功率级下的短距离无线网路技术:功率级1(最高功率电平+20dBm,有效范围100m)、功率级2(最高功率电平+4dBm,有效范围20m)和功率级3(最高功率电平0dBm,有效范围10m)。
 
蓝牙版本V1.2要求的元件不仅能提供更好的介面保护,还能增强蓝牙产品与其他2.4GHz产品(WLAN、某些无线电话和微波炉)的共存性,而且能提供比先前版本更好的语音连接。大部份新功能应归功于自适应跳频(AFH)技术、增强的语音处理以及更快速的连接建立技术的导入。当然,蓝牙1.2版本产品应能后向相容1.1版本产品。
射频晶片与天线之间的蓝牙无线晶片
图1:射频晶片与天线之间的蓝牙无线晶片。
 
一旦PCB设计人员选择在产品中整合蓝牙技术,那么除了参看产品供应商提供的简单性能参数外,还需要考虑众多的实现问题。例如,如何在产品中使用测试脚本?产品采用嵌入式实现还是外接式实现?产品需要支援哪些作业系统?产品需要提供哪些性能或业务以满足应用需求?产品的封装设计是否支援嵌入式或外部天线?产品的生命周期多长?能衍生多少相关产品?
 
最高效的设计
最初的蓝牙电路板设计由一系列分离的IC和支援电路组成并最终形成蓝牙模组。随着技术的进步,蓝牙电路板设计的整合度不断增加,而外部元件则不断减少。因此,最新的模组化解决方案可以为PCB设计人员提供更为优化的蓝牙技术,该技术能显着降低设计风险,距离‘完美的蓝牙解决方案’又前进了一大步。
 
在设计中增加蓝牙功能需要考虑的主要问题是确认该模组或晶片集是否满足当前的蓝牙标淮V1.2并可继续升级。避免设计延迟的有效方法是选择不需要额外蓝牙认证或FCC/CE管理认证的产品。
 
PCB设计人员还必须选择性能领先且带有板上记忆体的蓝牙解决方案。这样,设计的生命周期将能延伸至未来几代产品中。选择性能适中的模组或许能在初期降低成本,但后续产品不得不重新进行全新设计。
利用4.7nH串联电感实现的最佳化调节电路
图2:利用4.7nH串联电感实现的最佳化调节电路。
 
除了期望的射频(RF)和基频功能,最新的蓝牙模组还能提供其他一些功能,如专用微控制器、天线和连接器整合以及板上快闪记忆体、电压调节器、滤波器和晶振。这些特性可以提供简化的设计、降低开发成本并缩短产品上市时间。
 
如果PCB设计人员不使用上述高度整合模组,那么他们必须非常严密地设计蓝牙电路板(PCB)。元件置放、追踪扫描、解藕、接地、屏蔽和电路板材料等都是影响性能的重要因素,尤其是产品的射频性能。如果使用预设计并获得预认证的模组,那么PCB设计人员将能规避这些问题,从而无须在最终设计中考虑上述因素。
 
产品开发问题
一旦PCB设计人员理解了产品的上述基本应用需求,那么还必须重点关注下面一些问题:功率耗散(这关系到电池的寿命)、现有产品设计中蓝牙电路的物理空间限制(蓝牙电路究竟佔用多大的空间)以及传输速率限制和需求。例如,大多数蓝牙互联应用的速率都限制在732.2bps,这将影响产品的音讯品质。
 
下面列出了开发流程中至关重要的五项因素:
1.模组与晶片组
在PCB设计中直接采用晶片的好处是能节省控制板空间,但也仅此而已。单独的晶片或晶片组设计方法需要利用射频设计资源在发送和接收路径中提供滤波器、放大器、调节网路、振盪器、时脉和天线。而且,该方法还需要大量与设计认证和整合配套的测试设备。此外,除了需要大量的设计时间、射频专业技能和验证製程外,这种设计方法还必须获得蓝牙产品使用认证。
 
2.天线
大多数蓝牙手持设备均需要能以球状模式发射讯号并连接各个方向的天线。良好的天线设计对蓝牙产品至关重要,选择外部天线的设计必须考虑控制板空间、成本和天线模式。此外,附属元件、外壳、离地距离等因素也将对天线的终极性能产生重要影响。
 
如果选择不带天线的模组,那么PCB设计人员必须充分了解产品的使用环境。如果无线链路同天线之间的馈送不匹配,那么讯号将反射回电路,从而导致严重的讯号强度损耗。
零欧姆调节电路的回波损耗(第一个方案)和最佳化调节电路的回波损耗(第二个方案)
图3:零欧姆调节电路的回波损耗(第一个方案)和最佳化调节电路的回波损耗(第二个方案)。
 
最近,市场上已经出现整合天线模组。如果PCB设计人员选择的模组带有整合至控制板的天线,那么实际上已经完成了重要的天线调节工作。如果选择不带天线的模组,那么PCB设计人员必须重新调节天线,而且解决方案必须通过蓝牙品质认证委员会(BQRB)的认证。
 
3.天线调节
大多数蓝牙无线晶片组和模组的前端架构都带有晶片上发送/接收交换结构,这样发送和接收路径都能使用相同的差动埠。典型的输出收发器架构就是综合了发送与接收的链路。
 
如图1所示,在设计蓝牙模组时,由L1和C1构成的调节网路可以对Tx差动埠和平衡-不平衡变压器(Balun)之间的阻抗进行转换。Balun可将差动讯号转换为馈送至带通滤波器及天线埠的单端讯号。滤波与L2/C2网路的结合可以防止射频讯号干扰电路。讯号通路中的低通滤波器还能为Tx讯号提供辅助滤波并抑制Rx通路中的干扰。
 
屏蔽有助于减少内部和外部干扰,从而使模组和其他射频敏感元件不受影响。此外,还需要考虑射频藕合因素,因此必须严密地规划元件在PCB上的佈局。
 
例如,在测量带有天线的蓝牙元件的射频性能时,可以考虑以下两个设计方案。第一个方案利用零欧姆的调节网路测量天线的初始状态(如图2所示),第二个方案则利用优化的调节网路增强天线的性能(如图3所示)。
 
在上述两个方案中,都需要进行包括3D发射模式、回波损耗和天线效率在内的测量。本文的分析中,将主要考虑回波损耗和天线效率因素。上述示例中,初始天线测量表明,天线偏离了2.45GHz的中心频率,因此需要调节元件。结果显示,如果采用优化的调节网路(如表1所示),可以实现44%的天线效率(在峰值点2.45GHz)。第一个方案的回波损耗介于-2.9至-5.0dB之间,可利用调节电路改进到-6.5至-12.4dB之间。
 
分析显示,尽管天线只是其中一个元件,但在天线电路设计时仍然需要借助其他电路最佳化性能,尤其必须特别考虑滤波需求、调节电路和佈局。
 
4.连接器
许多蓝牙模组都不带连接器,但具有镀铅的BGA或SMD封装。返修任何具有这种镀铅封装的模组都需要使用BGA或SMD返修工作站。这些工作站不仅价格昂贵,而且当这些元件需要从PCB板上提取出以用于测试、除错或修理时,整个製程流程的周期很长。这些情形下,不仅主PCB板极易损坏,而且在PCB上返修镀铅模组也并非轻而易举。例如,需要利用BGA X射线仪验证接脚是否正确地连接到PCB上。对于PCB设计人员而言,如果能正确地从模组的连接器中导出讯号,无疑将节省大量的时间和精力。
蓝牙模组的常规射频测试平台
图4:蓝牙模组的常规射频测试平台。
 
一旦模组配备了能提供USB或UART介面的标淮连接器,那么PCB设计人员完全能在既有的设计中添加即插即用模组,而不必重新设计PCB或整合BGA或SMT之类的元件。模组上的连接器还有助于除错和测试且不需要增加其他特殊设备。
 
晶振
一些模组完全不提供板上晶振,而另外一些模组虽然提供板上晶振,但模组没有经过完全测试和认证。因此,这些情形下,需要进行一些特殊设计考虑。
 
晶振的特性也各不相同,每种晶振都具有最佳化的偏移量,从而使振盪器上的相位噪音降至最低。因此,使用晶振时晶振的偏移量必须单独配置。对于带有板上晶振的已认证模组,晶振的偏移量可以预先储存在每个模组中以将相位噪音降至最低。
 
协议堆迭
标淮蓝牙元件至少将配备主控介面协议堆迭,该协议堆迭可支援基本的串行通讯蓝牙主机协议,如蓝牙通讯产品的跳频同步。模组製造商可以在协议堆迭顶部加载规范,如支援缆线替换的串列埠规范(SPP)。此外,终端用户还能开发定製的协议堆迭或者购买第三方开发的协议堆迭。
 
测试中应注意的事项
图4显示的测试平台可以测试蓝牙模组的绝大多数射频参数,如接收/发送讯号输出、同频干扰、与接收讯号强度指示(RSSI)相关的误码率(BER)性能以及邻频干扰。
 
图4中的待测设备(DUT)是利用介面板连接至PC的实际蓝牙模组,这种情况下模组需要直流电源,而PC也需要安装相应的测试软体。
 
这套测试平台的核心部份是蓝牙测试仪,此外,可以利用频谱分析议检验设备射频埠上讯号的频谱内容,对邻频干扰、讯号频谱、谐波、同频干扰及噪音进行测量。
 
图4中的蓝牙讯号产生器可以产生具有期望频宽和频带的噪音。射频混合器/分离器不仅能将噪音与射频讯号混合,还能分离出路由至频谱分析议和蓝牙测试仪的射频讯号。其他的测试淮则取决于具体应用。
 
利用图4所显示的测试平台可以进行的测试还包括:
* 模组随时间变化的频率和功率性能
* 随频道数目变化的功率性能
* 同频干扰
* 邻频干扰
* 讯号频谱内容
* 谐波内容
 
如果模组不自带天线,那么需要额外增加调节电路。同样地,如果需要在控制板上黏着天线(参见上述的天线调节),那么需要进行更广泛的测量。如果天线设备没有正确黏着,甚至还需要寻求天线製造商的帮助。
 
采用获得预认证的完全整合模组可以免除射频一致性测试或数据传输率测试,因为该产品已经通过BQB、CE和FCC的认证。蓝牙认证包括射频一致性测试和互通性测试。因此,对于所有工程人员而言,最重要的是确保为模组提供适当的讯号强度并将正确的应用或协议堆迭加载至最终产品中。
 
蓝牙认证
蓝牙认证将使OEM的产品列入蓝牙官方网站,并允许他们在产品中使用蓝牙商标。认证可以帮助不同厂商的蓝牙产品实现互通并使其符合蓝牙规范。认证流程可以分为以下四个部份:无线链路需求、协议需求、概要需求和讯息需求。
 
整个认证流程完全由蓝牙品质认证委员会(Bluetooth Qualification Review Board,BQRB)监控和管理。认证基于一套参考测试系统的一致性测试(由蓝牙认证流程(BQP)制订)以及与其他符合标淮的蓝牙产品之间的互通性测试。测试由已得到SIG下属的BQRB授权的蓝牙认证测试部门(BQTF)实施。
 
除了测试,希望得到认证的生产商还需要提交承诺声明,蓝牙认证组织(BQB)将审查该声明。此外,除了获得BQB的认证外,蓝牙产品还需要获得其他一些认证,如FCC和CE。
 
如果PCB设计人员选择获得预认证的模组与天线结合进行设计,那么无需重新认证。如果选择需要额外元件(包括连接器和天线)的模组,那么设计必须通过重新认证。重新认证将使产品的设计周期延长几个星期。新设计认证的成本也各不相同,具体取决于产品在全球使用的范围。例如,如果希望获得全球认证,那么成本将超过10万美元。尽管BQTF最近大幅调低了认证费用,使用获得预认证的模组仍然能节省相当可观的成本。
 
在新设计或现有设计中实现蓝牙解决方案的PCB设计人员需要清楚地认识到设计应用的需求,然后为设计慎重地选择模组或晶片组。幸运的是,蓝牙技术的不断进步使得PCB设计人员能透过有限的最佳化和射频电路设计实现蓝牙功能。某些最新开发的模组还能免除认证,进而极大地扩展了设计应用的使用范围。因此,PCB设计人员能以更快的速度推出经过完全认证的可靠设计。


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