Bluetooth 5.1 SoC vs. Modul: Was ist das Beste für Ihr Design?

Die Liste der verfügbaren Funktionen in Bluetooth ist seit der Veröffentlichung von Bluetooth 5.1 ein wenig länger geworden. Komponentenhersteller haben diese mobile Technologie für IoT-Geräte auf die nächste Stufe gehoben, indem sie drahtlose Kommunikation mit einem MCU für eingebettete Verarbeitung integriert haben. Dies ist nur ein weiterer Schritt in dem kontinuierlichen Bestreben, mehr Funktionalität in einen kleineren Formfaktor zu packen.

Wenn Sie ein Bluetooth 5.1 SoC in Ihr neues Produkt integrieren möchten, haben Sie zwei primäre Optionen, um diese Komponente auf Ihre Platine zu bringen. Die erste ist als SoC, das sich auf Ihre Platine montieren lässt, genau wie jede andere Komponente. Die andere Option ist, ein Modul in Ihre neue Platine einzubringen – direkt auf die Oberflächenschicht. Hier ist, was Sie über ein Bluetooth 5.1 SoC oder Modul in Ihrem nächsten IoT-Produkt wissen müssen.

Funktionen in einem Bluetooth 5.1 SoC

Ein Bluetooth 5.1 SoC wird typischerweise in einem flachen Gehäuse oder als BGA-Komponente auf eine Platine aufgebracht. Die SoCs auf dem Markt integrieren einen MCU mit angemessen hoher CPU-Geschwindigkeit und Transceiver-Fähigkeiten in einem einzigen Chip. Diese ICs bieten in der Regel eine hohe Anzahl an GPIOs, PWM oder analogen Ausgang und einen ADC mit hoher Bit-Tiefe und Abtastrate. Diese SoCs sind kostengünstig und bieten eine erhebliche Menge an Funktionalität, die früher auf separate ICs beschränkt war.

Ein Bluetooth 5.1 Modul bietet dieselben Fähigkeiten, aber diese sind auf einer Host-Platine neben einer gedruckten Antenne platziert. Die aktuellen Spitzenhersteller haben diese Module für ihre eigenen Komponenten herausgebracht, sodass Sie unabhängig vom gewählten Weg denselben Funktionsumfang erhalten. Die Platzierung eines Moduls bietet ein schön integriertes Paket und reduziert Ihre Entwurfszeit, normalerweise mit einem an Bord befindlichen Oszillator, obwohl der Fußabdruck und das Profil größer sind als bei einem SoC. Die Gesamtzahl der Komponenten wird bei beiden Systemen wahrscheinlich gleich sein, und der wirkliche Unterschied ergibt sich in Bezug auf die Gesamtdicke des Produkts, eher als auf die vom System eingenommene Fläche.

Einige beispielhafte Fähigkeiten, auf die Sie mit einem Bluetooth 5.1 SoC oder Modul zugreifen können, umfassen Folgendes:

• Winkel der Ankunft (AoA) und Winkel der Abreise (AoD) Erkennung
• Höhere Geschwindigkeit (etwa 2 Mbps auf kurzer Distanz inklusive Overhead)
• Deutlich größere Reichweite (200 m Sichtlinie)
• Größere Nachrichtenkapazität (255 Bytes inklusive Overhead)
• Mesh-Netzwerkmodelle und -fähigkeiten
• Integrierter Motor für die Erzeugung von Zufallszahlen unter Verwendung von Systemrauschen als Entropie

Die Bluetooth 5.1 SoCs, die ich mir angesehen habe, enthalten einen integrierten DC-DC-Wandler, was die Anzahl der Komponenten und den Platzbedarf weiter reduziert. Ihre Hauptüberlegung ist das erforderliche Boardprofil und ob Sie ein benutzerdefiniertes Board entwerfen müssen. Wenn Sie den Flex-Weg gehen, dann müssen Sie Ihr eigenes Board mit einem SoC erstellen, da die derzeit auf dem Markt befindlichen Module starr sind.

Arbeiten mit einem Bluetooth 5.1 Modul

Ein Modul kann etwas sperrig sein und muss an die Oberflächenschicht eines vorhandenen Boards angebracht werden, aber es ist eine großartige Möglichkeit, Bluetooth 5.1-Fähigkeiten in Ihr neues Produkt zu integrieren, ohne sich um Signalintegrität und Antennendesignaspekte eines neuen Boards kümmern zu müssen. Diese Module enthalten normalerweise eine integrierte gedruckte Antenne direkt auf dem Board. Sie verwenden auch einen standardmäßigen Bluetooth 5.1 SoC.

Die Layout-Richtlinien für diese Platinen sind ziemlich einfach. Diese Module sind oberflächenmontiert, obwohl einige weniger teure Module möglicherweise über Stiftleisten verbunden werden. Da ein analoges Signal zur Antenne gesendet und von der Platine weg übertragen wird, sollten Sie den Antennenteil nahe am Rand der Host-Platine platzieren, um Interferenzen mit anderen Komponenten zu vermeiden. Solange Sie keine extrem schnellen digitalen Signale oder Analogsignale über 2,4 GHz verwenden, können Sie mit standardmäßigen Entkopplungs-/Bypass-Kondensatoren eine ausreichende Entkopplung für andere Komponenten bereitstellen. Achten Sie darauf, Ihren Rückführungspfad um den Rest der Platine zu planen, um zu verhindern, dass digitale Signale mit dem Analogteil interferieren.

Der Stackup für die Host-Platine sollte mindestens 4 Lagen haben, wobei Signale auf mindestens einer Innenlage geführt werden sollten. Die Masseebene wird allgemein auf der Oberflächenschicht spezifiziert, um eine Bildebene für die gedruckte Antenne zu bieten. Der oben gezeigte Beispiel-Stackup ermöglicht es, Komponenten auf der Rückseite zu platzieren und gleichzeitig eine zusätzliche Lage für die Verdrahtung bereitzustellen. Die Masseebene bietet auch etwas Abschirmung für diese Komponenten. Alternativ können Sie alle Komponenten auf der oberen Schicht platzieren, obwohl Sie ausreichend Freiraum für den Antennenbereich auf dem Modul bereitstellen müssen.

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