Bluetooth-Designrichtlinien: Wichtige Überlegungen für energieeffiziente Designs

In meinen Zwanzigern konnte ich meinen Laptop problemlos durch die Stadt tragen, ohne Anzeichen von Müdigkeit. Heutzutage ermüde ich schnell und suche nach langen Spaziergängen mit meinem Laptop eine angenehme Massage. Deshalb bevorzuge ich es, leichtere Arbeitstablets anstelle meines sperrigen Laptops zu tragen. Die Technologie hat sich seit dem klassischen Bluetooth ziemlich weiterentwickelt.

In der Elektronik macht Bluetooth Low Energy (BLE) etwas Ähnliches für Anwendungen. Es überträgt kurze Datenbursts und verbraucht dabei nur einen Bruchteil der Energie, die ein Bluetooth-Chip verbrauchen würde. Wie meine Entscheidung, meinen Laptop auf Reisen zugunsten der Effizienz (und des Komforts) zurückzulassen, ist geringer Energieverbrauch effizienter, wenn man nicht viele Daten streamt.

Grundlagen von Bluetooth Low Energy

Als die Bluetooth-Technologie drahtlose Kopfhörer möglich machte, war ich besessen. Ich dachte, es sei eine der coolsten Technologien überhaupt. Dennoch sind die herkömmlichen Bluetooth-Classic-Standards von Problemen geplagt, einschließlich kurzer Batterielebensdauer und mangelnder Verbindungsstabilität. Bluetooth Low Energy ist die perfekte Lösung für diese Probleme.

Anstatt die Bluetooth Classic-Standards zu ersetzen, ergänzt Bluetooth LE seinen Vorgänger in Anwendungen, die einen sehr geringen Stromverbrauch erfordern. Sofern die Geräte nicht verbunden sind, bleiben sie im „Schlafmodus“, wodurch sie minimalen Strom verbrauchen. Es dauert nur wenige Millisekunden, um eine Verbindung herzustellen.

Bluetooth Low Energy-Geräte können Daten bis zu 100 Meter übertragen, abhängig von anderen Faktoren wie der Empfindlichkeit des Empfängers oder Strukturverlusten. Dies macht es ideal für Internet der Dinge (IoT)-Anwendungen, bei denen Bluetooth Low Energy-basierte Sensoren problemlos in einem weiten Bereich eingesetzt werden können.

Die Einführung von Bluetooth Low Energy war überraschend schnell, da es eine Lücke in der bestehenden Elektronik schließt, indem es die Probleme des geringen Stromverbrauchs und der langen Datenübertragungsdistanz angeht. Mit dem Vordringen des IoT in die Implementierung von Bluetooth LE ist es nur eine Frage der Zeit, bis Sie mit einem Bluetooth LE-Design arbeiten. Hier sind einige Tipps für die Implementierung von Bluetooth LE in Ihrem Design.

BLE-Modul oder ein Mikrocontroller mit BLE

Um Bluetooth Low Energy zu integrieren, haben Sie die Möglichkeit, einen Mikrocontroller mit einem Bluetooth LE-Modul zu integrieren oder einen Mikrocontroller mit einer integrierten Bluetooth Low Energy-Funktion zu verwenden. Bluetooth LE-Module sind in der Regel zertifiziert. Die Verwendung des Bluetooth LE-Moduls spart Ihnen Zeit und Geld bei der Zertifizierung.

Wenn Sie Hunderttausende von Einheiten produzieren, ist ein Mikrocontroller mit integrierter Bluetooth Low Energy-Funktionalität die praktikablere Option. Die niedrigeren Produktionskosten gleichen die Kosten für die Zertifizierung Ihrer Hardware aus.

Ausbalancieren von geringem Stromverbrauch und kleineren Datenpaketen

Ein Bluetooth LE-Modul arbeitet im Durchschnitt mit 1 μA. Das sind nur 10 % des Stromverbrauchs von Bluetooth Classic. Wenn es richtig entworfen ist, könnte eine einzelne Zelle, die das Bluetooth LE-Gerät versorgt, zwischen 5 bis 10 Jahre halten. In Anbetracht dessen sollte jeder Versuch unternommen werden, den Stromverbrauch bei anderen Leiterplattenkomponenten der PCB zu minimieren.

Zum Beispiel sollte für ein Design, das ein Bluetooth LE-Modul verwendet, ein Mikrocontroller mit geringem Stromverbrauch ausgewählt werden. Visuelle Indikatoren wie LEDs sollten vermieden werden, um die Batterielebensdauer zu maximieren. Der Mikrocontroller sollte immer in den Tiefschlafmodus versetzt werden, wenn er nicht aktiv ist.

Es ist ebenfalls wichtig zu beachten, dass Bluetooth Low Energy Daten in kurzen Böen von Datenpaketen überträgt. Im Gegensatz zu Bluetooth Classic unterstützt es nicht das Streamen großer Datenmengen. Die unterstützte Nutzlast des Datenpakets beträgt bis zu 37 Bytes. Wenn Ihr Design das Senden großer Datenmengen beinhaltet, muss die Firmware intelligent genug sein, um die Daten zu übertragen und die empfangenen Datenpakete zu rekonstruieren.

Bluetooth LE verbraucht minimal Strom

PCB-Layout-Richtlinien für Ihr Bluetooth-Gerät

Bluetooth Low Energy arbeitet im 2,4-GHz-Frequenzbereich. Die Hochfrequenznatur der Technologie erfordert, dass die PCB mit Sorgfalt entworfen wird. Wenn Ihr Design Sensoren beinhaltet, ist es am besten, analoge Signale und das Bluetooth-Modul auf getrennten Schichten der Leiterplatte zu halten.

Obwohl es mit minimaler Leistung läuft, ist es wichtig für das Bluetooth-PCB-Design, eine stabile und saubere Spannung zu haben. Das Hinzufügen von Bypass-Kondensatoren mit 1,0μF hilft, eine stabile Spannung zu liefern. Darüber hinaus können auch Ferritperlen verwendet werden, um Störungen aus der Stromversorgung des Bluetooth LE-Geräts zu filtern.

In einigen Fällen müssen Sie möglicherweise die Antenne des Bluetooth LE auf der Leiterplatte entwerfen. Obwohl Sie kein RF-Experte sein müssen, sollten Sie die Antenne entsprechend den Vorgaben des Herstellers gestalten. Alternativ könnten Sie auf eine Chip-Antenne zurückgreifen, wenn Sie nur begrenzten Platz auf Ihrer Leiterplatte haben.

Ein Bypass-Kondensator hilft, die Stromversorgung zu stabilisieren.

Durch die Verwendung von PCB-Designsoftware mit Zugang zu einer umfassenden Komponentenbibliothek und unbegrenztem Designinhalt können Sie Bluetooth LE nahtlos in Ihr nächstes Design integrieren. Wenn Sie ein einfach zu bedienendes PCB-Layout-Tool benötigen, das alles umfasst, was zum Bau hochwertiger, fertigbarer Leiterplatten erforderlich ist, suchen Sie nicht weiter als CircuitMaker. Zusätzlich zur einfach zu bedienenden PCB-Designsoftware haben alle CircuitMaker-Nutzer Zugang zu einem persönlichen Arbeitsbereich auf der Altium 365-Plattform. Sie können Ihre Design-Daten in der Cloud hochladen und speichern und Ihre Projekte über Ihren Webbrowser auf einer sicheren Plattform einfach anzeigen.

Beginnen Sie heute mit der Nutzung von CircuitMaker und bleiben Sie gespannt auf den neuen CircuitMaker Pro von Altium.