Diretrizes de Design Bluetooth: Considerações Importantes para Projetos de Baixa Energia

Na minha casa dos vinte anos, eu conseguia facilmente carregar meu laptop pela cidade sem nenhum sinal de fadiga. Hoje em dia, me canso rapidamente e procuro uma boa massagem após longos períodos andando com meu laptop. É por isso que prefiro carregar tablets de trabalho mais leves em vez do meu laptop volumoso. A tecnologia cresceu bastante desde o clássico Bluetooth.

Em eletrônica, o Bluetooth de Baixa Energia (BLE) faz algo semelhante para aplicações. Ele transmite rajadas curtas de dados enquanto consome apenas uma fração da energia consumida por um chip Bluetooth. Assim como minha escolha de deixar meu laptop para trás enquanto viajo em nome da eficiência (e conforto), a baixa energia é mais eficiente quando você não está transmitindo muitos dados.

Conceitos Básicos do Bluetooth de Baixa Energia

Quando a tecnologia Bluetooth tornou os fones de ouvido sem fio uma realidade, fiquei obcecado. Pensei que era uma das tecnologias mais legais já inventadas. No entanto, os padrões convencionais do Bluetooth Clássico são atormentados por problemas, incluindo curta duração da bateria e falta de estabilidade de conexão. O Bluetooth de baixa energia é a solução perfeita para esses problemas.

Em vez de substituir os padrões do Bluetooth Classic, o Bluetooth LE complementa seu predecessor em aplicações que exigem um consumo de energia muito baixo. A menos que os dispositivos estejam conectados, eles permanecem em modo de ‘sono’, consumindo assim o mínimo de energia. Leva apenas milissegundos para estabelecer uma conexão.

Os dispositivos de Bluetooth de baixa energia são capazes de transmitir dados até 100 metros, sujeitos a outros fatores como sensibilidade do receptor ou perda de estrutura. Isso os torna ideais para aplicações de Internet das Coisas (IoT), onde sensores baseados em Bluetooth de baixa energia podem ser facilmente implantados em uma ampla área.

A adoção do Bluetooth de baixa energia tem sido surpreendentemente rápida, pois preenche uma lacuna na eletrônica existente, abordando os problemas de baixo consumo de energia e transferência de dados a longa distância. Com o IoT impulsionando a implementação do Bluetooth LE, é apenas uma questão de tempo até você começar a trabalhar com um design de Bluetooth LE. Aqui estão algumas dicas para implementar o Bluetooth LE no seu design.

Módulo BLE ou um Microcontrolador com BLE

Para incorporar o Bluetooth de baixa energia, você tem a opção de integrar um microcontrolador com um módulo Bluetooth LE ou usar um microcontrolador com um recurso de Bluetooth de baixa energia integrado. Os módulos Bluetooth LE geralmente são certificados. Usar o módulo Bluetooth LE economiza tempo e dinheiro com certificação.

Se você está produzindo centenas de milhares de unidades, um microcontrolador com funcionalidade Bluetooth de baixa energia integrada é a opção mais viável. O menor custo de produção compensa o custo de obter a certificação do seu hardware.

Equilibrando Baixo Consumo de Energia e Pacotes de Dados Menores

Um módulo Bluetooth LE opera em média com 1 μA. Isso é apenas 10% do consumo de energia do Bluetooth Clássico. Quando projetado corretamente, uma única célula alimentando o dispositivo Bluetooth LE pode durar entre 5 a 10 anos. Com isso em mente, todo esforço deve ser feito para minimizar o consumo de energia em outros componentes da placa de circuito impresso (PCB).

Por exemplo, um microcontrolador de baixo consumo deve ser selecionado para um design que utilize um módulo Bluetooth LE. Indicadores visuais como LED devem ser evitados para maximizar a vida útil da bateria. O microcontrolador sempre deve ser colocado em modo de suspensão profunda quando não estiver ativo.

É importante também notar que o Bluetooth de baixa energia transmite dados em curtos surtos de pacotes de dados. Diferentemente do Bluetooth Clássico, ele não suporta a transmissão de grandes volumes de dados. O payload suportado do pacote de dados é de até 37 bytes. Se o seu design envolve o envio de grandes blocos de dados, o firmware precisa ser inteligente o suficiente para transmitir os dados e reconstruir os pacotes de dados recebidos.

O Bluetooth LE consome uma quantidade mínima de energia

Diretrizes de Layout de PCB para o seu dispositivo Bluetooth

O Bluetooth de baixa energia opera na frequência de 2.4Ghz. A natureza de alta frequência da tecnologia exige que o PCB seja projetado com cuidado. Quando o seu design envolve sensores, é melhor manter sinais analógicos e o módulo Bluetooth em camadas separadas da Placa de Circuito Impresso.

Embora funcione com um mínimo de energia, é importante que o design do PCB do Bluetooth tenha uma tensão estável e limpa. Adicionar capacitores de desacoplamento de 1.0μF ajuda a fornecer uma tensão estável. Além disso, as pérolas de ferrite também podem ser usadas para filtrar ruídos do dispositivo de alimentação do Bluetooth LE.

Em alguns casos, você pode precisar projetar a antena do Bluetooth LE na PCB. Embora não seja necessário ser um especialista em RF, você deve projetar a antena de acordo com as sugestões do fabricante. Alternativamente, você pode recorrer a uma antena em chip se tiver espaço limitado na sua PCB.

Um capacitor de desacoplamento ajuda a estabilizar a fonte de alimentação.

Ao usar software de design de PCB com acesso a um componente abrangente e conteúdo de design ilimitado, você pode integrar o Bluetooth LE sem problemas em seu próximo projeto. Quando precisar acessar uma ferramenta de layout de PCB fácil de usar que inclui tudo o que é necessário para construir placas de circuito de alta qualidade e fabricáveis, não procure além do CircuitMaker. Além do software de design de PCB fácil de usar, todos os usuários do CircuitMaker têm acesso a um espaço de trabalho pessoal na plataforma Altium 365. Você pode fazer upload e armazenar seus dados de design na nuvem, e pode visualizar facilmente seus projetos através do seu navegador web em uma plataforma segura.

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