Diseño del módulo combinado Wi-Fi + Bluetooth: 8 decisiones antes de la producción en volumen

La mayoría de los módulos combinados de Wi-Fi y Bluetooth no fallan en el laboratorio de RF. Fallan en la integración: un bus compartido que priva al terminal Bluetooth, una almohadilla de antena escondida debajo de un soporte de metal, un pasador de correa sostenido en alto durante el encendido o un perfil de reflujo que ejecuta una pasada de más. Esta guía recorre las ocho decisiones que determinan si un módulo combinado de 2,4 GHz alcanza la producción en volumen según lo previsto. Los datos medidos provienen de dos módulos Realtek RTL8723 de envío: el basado en USB BL-R8723BT1 ( RTL8723BU-CG ) y el SDIO + UART BL-M8723CS1 ( RTL8723CS-CG ).

1. Comience con la interfaz del host, no con el título de la hoja de datos.

Ambos módulos ofrecen IEEE 802.11b/g/n 1T1R con una velocidad PHY de hasta 150 Mbps y ambos cubren la misma banda de 2,4 a 2,4835 GHz con 13 canales a 20 MHz. Lo que realmente difiere, y lo que decide su esquema, es cómo el módulo se comunica con el host.

La versión USB pone WLAN y Bluetooth en una conexión USB 2.0 compartida. Eso significa un puerto de host, un conjunto de pares diferenciales y ningún segundo controlador para habilitar. La desventaja es que ambas funciones residen en el mismo puerto y comparten su presupuesto de interrupción y ancho de banda. En una cámara de tablero, esa disposición de un solo cable suele ser la diferencia entre una placa de dos capas y una placa de cuatro capas.

La versión SDIO separa las dos funciones: WLAN se ejecuta en SDIO 2.0 (los mismos pines se pueden configurar como GSPI), mientras que Bluetooth se ejecuta en un UART independiente de alta velocidad con control de flujo de hardware. No se comparte nada, por lo que el rendimiento de Wi-Fi no compite con el tráfico de Bluetooth a nivel de bus, pero necesita recursos SDIO y UART adicionales en el SoC del host, además de aproximadamente 30 pines más en la huella del módulo (44 versus 14).

Una regla práctica: si su SoC tiene un puerto host USB de repuesto y no tiene un controlador SDIO libre, tome el módulo USB; Si SDIO y UART ya están separados, tome el módulo SDIO y mantenga las dos rutas independientes.

USB: dos funciones comparten un bus. SDIO + UART: cada función tiene su propio bus.

2. Elija el perfil de Bluetooth que realmente envía su producto.

Bluetooth es donde los dos módulos divergen más y donde las especificaciones se malinterpretan con mayor frecuencia.

BL-R8723BT1 es de modo dual : Bluetooth Classic v2.1 + EDR junto con Low Energy v4.0, con Classic funcionando en Clase 1 y LE en Clase 1.5. La potencia de transmisión medida es de 6 dBm típica (8 dBm máximo) tanto para BR/EDR como para LE, y la sensibilidad de recepción de BR/EDR es de -90 dBm a 0,1 % de BER. Si su producto transmite audio a un altavoz, se empareja con un accesorio de teléfono antiguo o necesita un canal de datos estilo SPP, esta es la variante que debe utilizar.

BL-M8723CS1 es solo BLE, especificación principal v4.1, clase 1.5, con 3 dBm típico y 6 dBm de potencia de transmisión máxima, y ​​sensibilidad de recepción LE típica de -90 dBm al 5% PER. No hay pila clásica ni ruta de audio alguna. Esa no es una limitación que deba solucionarse: es una decisión de costo y poder. Para aprovisionamiento, activadores OTA, telemetría de sensores o un enlace de estado a una aplicación de teléfono, BLE 4.1 es suficiente y evita pagar por una pila clásica que nunca usará.

No especifique un conjunto de funciones de Bluetooth únicamente a partir de una descripción general de marketing. Las cadenas de versión se copian entre documentos; comuníquese con nuestro equipo para obtener el documento de especificación oficial y los datos de prueba de RF para su validación.

3. Haga un presupuesto del árbol de energía en torno a la corriente máxima, no a la corriente promedio

Ambos módulos funcionan desde un riel principal de 3,3 V ±0,2 V. BL-R8723BT1 extrae un máximo de 400 mA de ese único riel; BL-M8723CS1 consume hasta 450 mA en el riel principal y agrega un riel de E/S separado (VDIO) que puede ser de 3,3 V ±0,2 V o 1,8 V ±0,1 V. El riel de E/S separado es realmente útil: puede mantener un suministro de RF de 3,3 V mientras iguala el nivel directamente a un SoC de 1,8 V, sin traductores externos en seis líneas SDIO y UART.

Planifique los picos de transmisión, no los promedios de especificaciones:

Fuente: tablas de consumo actual de los documentos oficiales de especificaciones del módulo, disponibles previa solicitud. Los valores son típicos/máximos en las condiciones de prueba indicadas; Cifras de pruebas de RF, no promedios a nivel de aplicación.

Dos observaciones que vale la pena analizar. Primero, el módulo SDIO consume notablemente más transmisión 802.11b que el módulo USB (328 mA versus 255 mA pico) porque funciona a 17 dBm en todas las velocidades 11b, mientras que el módulo USB está calibrado a 15-17 dBm dependiendo de la velocidad. En segundo lugar, el módulo USB se encuentra a 130-135 mA en recepción, aproximadamente el doble que el módulo SDIO, porque el transceptor USB permanece activo mientras la radio escucha. En un dispositivo portátil que funciona con baterías, esa diferencia no es académica.

Guía de diseño: coloque un condensador a granel de 47–100 µF y un par de 10 µF más 0,1 µF a unos pocos milímetros de VDD33, mantenga la alimentación de 3,3 V en su propia traza o plano y nunca comparta la rama con motores, relés o el controlador de retroiluminación. Un paso de 328 mA en un riel compartido se mostrará como un problema de detección de RF que parece un error de diseño.

4. Trate la plataforma de la antena como el elemento de mayor riesgo del tablero.

Ninguno de los módulos incluye antena. Ambos se conectan a una antena externa a través de una almohadilla de medio orificio (almenada), con un VSWR especificado de 1,7 típico y 2,0 máximo para BL-R8723BT1, 2,1 máximo para BL-M8723CS1. Un VSWR de 2,0 ya refleja aproximadamente el 11 % de la potencia entregada; una antena mal sintonizada convierte 17 dBm de potencia conducida en potencia notablemente menos radiada y acorta el alcance.

La lista de verificación práctica:

• Dirija la alimentación de la antena como una línea controlada de 50 Ω, tan corta como lo permita el diseño mecánico, sin trozos ni vías en la ruta de RF y con costuras de tierra a lo largo de ambos lados.

• Mantenga la antena alejada de la batería, el imán del altavoz, el flex LCD y cualquier metal conectado a tierra. Una antena de 2,4 GHz colocada contra un soporte metálico pierde más alcance del que puede recuperar cualquier configuración del controlador.

• Si el gabinete es de metal, mueva la antena afuera y use un cable flexible IPEX a SMA; luego tenga en cuenta la pérdida del cable y del conector cuando calcule el presupuesto del enlace.

• Valide con el gabinete real, no con el módulo en un banco. Las pruebas radiadas con los plásticos finales, la batería y el enrutamiento de cables son la única medida que importa.

La potencia de transmisión conducida se calibra por velocidad, por lo que el rendimiento radiado efectivo depende tanto de la antena como del módulo. Espere 17 dBm en 802.11b y 802.11g 6 Mbps, y 14–15 dBm en velocidades MCS7 de alto rendimiento donde EVM limita la salida utilizable:

Transmita energía en la plataforma de la antena, según la especificación oficial. Sensibilidad como referencia: -92 dBm (11b 1 Mbps) y -66 dBm (HT40 MCS7) en BL-R8723BT1 ; -93 dBm y -66 dBm en BL-M8723CS1.

Mantenga la alimentación corta y libre de metales, baterías y latas de protección; agregue pérdida de cable flexible al presupuesto del enlace cuando la antena se encuentra fuera de una carcasa metálica.

5. Diseñe la coexistencia en la aplicación, no en la esperanza.

Un módulo combinado de 2,4 GHz tiene una radio compartida entre WLAN y Bluetooth. El controlador divide el tiempo de la radio entre los dos, lo que funciona bien pero no es gratuito: bajo carga simultánea, el rendimiento agregado de WLAN cae y la latencia de Bluetooth aumenta. Ese es un comportamiento normal y esperado para esta arquitectura, no un defecto.

Qué hacer al respecto: defina el perfil de tráfico con antelación y pruébelo. Para un IPC que transmite 1080p mientras un teléfono se aprovisiona a través de BLE, mida la pérdida de fotogramas con ambos en funcionamiento, no uno a la vez. Para una terminal POS, pruebe una transacción de pago mientras hay un escáner BLE conectado. Si el audio forma parte del producto, mantenga el enlace de audio y el plan de canales WLAN conscientes entre sí: los canales 1, 6 y 11 con un ancho de 20 MHz dejan más espacio que el HT40.

Dos opciones de arquitectura reducen el problema antes de que se involucre el firmware: use BLE en lugar de Classic cuando el caso de uso lo permita (eventos de conexión programados más cortos) y evite colocar las antenas Wi-Fi y Bluetooth en el mismo lugar si el diseño mecánico le permite elegir.

6. Obtenga los pasadores de control y correa justo antes de congelar el diseño

Aquí es donde los diseños basados ​​en SDIO se vuelven a hilar con mayor frecuencia. En BL-M8723CS1, varios pines tienen funciones duales y uno lleva una correa de encendido:

• CHIP_EN (pin 35) es un reinicio activo bajo con un pull-up interno de 100 kΩ a VDD33. Déjelo accesible o condúzcalo desde un GPIO host con un retraso de encendido definido; no lo deje flotar cerca de un riel de conmutación.

• WL_DIS# (pin 12) desactiva la función WLAN y desactiva la interfaz SDIO cuando se baja, lo que resulta útil para un estado de radio desactivado. BT_DIS# (pin 34) hace lo mismo para Bluetooth. Tenga en cuenta la interacción que señala la hoja de datos: también describe un estado de reinicio de todo el chip cuando ambos pines están desactivados, por lo tanto, extraiga estos pines del host en lugar de atarlos permanentemente.

• GPIO1 (pin 25) es un pin de correa, internamente bajado en 100 kΩ, y no debe subirse durante el encendido. Si su host maneja esta red, manténgala en Z alta hasta que el módulo se haya iniciado; un cambio de nivel o un pull-up externo aquí producirá una falla de inicio intermitente que es muy difícil de rastrear.

• LPO (pin 24) puede aceptar un reloj externo de 32 kHz o RTC para una sincronización precisa de bajo consumo; se comparte con GPIO6 y la salida UART RTS de alta velocidad, así que decida con anticipación qué función necesita.

• El pin 41 está conectado internamente a otros pines de tierra, por lo que puede dejarse desconectado o usarse para UART_CTS en el circuito de su aplicación sin afectar el funcionamiento normal, lo que resulta útil cuando una huella de 44 pines debe adaptarse a una matriz de pads existente.

El módulo USB es más simple: una entrada de reloj de baja potencia de 32,768 kHz en el pin 4, más el par DEVICE_WAKE_HOST y HOST_WAKE_DEVICE utilizado para la activación remota. Si su producto depende de la activación desde suspensión iniciada por el host, conecte ambos y confirme la polaridad esperada por su controlador.

Primero Rails, luego suelte CHIP_EN y luego deje que el host enumere. Mantenga GPIO1 en alta Z durante el encendido.

7. Haga coincidir el rango de operación con el gabinete, no con la habitación.

BL-M8723CS1 tiene una clasificación de -20 °C a +70 °C; BL-R8723BT1 tiene una clasificación de -10 °C a +70 °C. Ambos están especificados para una humedad relativa del 10 % al 95 % sin condensación. La diferencia de 10 °C es la única especificación que con mayor frecuencia descalifica una elección que de otro modo sería correcta: una cámara de tablero montada en un parabrisas en un mercado de clima frío verá temperaturas por debajo de -10 °C, y la variante USB está fuera de su rango nominal allí; un robot aspirador o un terminal POS interior nunca lo estarán.

El límite superior merece igual respeto. Una carcasa de cámara IP sellada expuesta al sol directo, o un decodificador apilado debajo de un televisor, pueden elevar la temperatura ambiente local muy por encima de los 40 °C. Mida la temperatura del aire en el módulo, no la temperatura ambiente, y reduzca su diseño térmico frente al techo de 70 °C con margen en lugar de diseñarlo.

8. Bloquear el alcance de fabricación, almacenamiento y certificación.

Tres elementos que aparecen tarde en la especificación y causan sorpresas tardías:

Reflujo. Ambos módulos especifican un pico de 250 °C como máximo y no más de dos pases de reflujo. Una tercera pasada, común cuando se reelabora una placa o se agrega un segundo paso de ensamblaje, está fuera de la especificación y el modo de falla aparece como un enlace RF o BLE marginal meses después, no en la prueba.

Almacenamiento y manipulación. BL-R8723BT1 define un rango de almacenamiento de -45 °C a +85 °C, un período de 12 meses desde el envasado al vacío y un período de 72 horas después de abrir la bolsa. Si el indicador de humedad ha cambiado de color, hornee a 60 °C durante 24 horas una vez antes de soldar. Ambos módulos son dispositivos sensibles a ESD y necesitan precauciones de manipulación estándar en la línea.

Proceso de dar un título. El alcance de RF y EMC depende del mercado al que realiza el envío y del gabinete del host: un certificado de módulo no cubre automáticamente un producto terminado. Contáctenos para obtener los informes de prueba actuales para el modelo y mercado específicos, y hacer coincidir el informe con el firmware y la configuración de antena exactos utilizados en la producción. Los requisitos nacionales y de exportación pueden diferir.

Mesa de selección lado a lado

Resumen de nuestros documentos de especificaciones oficiales, disponible previa solicitud.

Cobertura del conductor y de la plataforma

Ambos módulos están construidos en silicio Realtek con soporte de controlador de proveedor para Linux y Android, que es lo que realmente incluyen la mayoría de los diseños de IPC, POS y dispositivos. La variante USB también es compatible con Windows, útil para productos periféricos y estilo dongle. Antes de confirmar una versión del kernel, confirme el paquete de controladores exacto con nuestro equipo FAE: la preparación del controlador, no el rendimiento de RF, suele ser lo que mueve un cronograma.

¿Qué soporte puede esperar antes y después de ganar el diseño?

• Módulos estándar en cantidades de muestra, además de documentos de especificaciones oficiales, definiciones de pines y esquemas de referencia a pedido.

• Una revisión del diseño de su enrutamiento SDIO o USB, protección de antena y árbol de energía antes de soltar la placa.

• Desarrollo de módulos personalizados en cualquiera de los chips: modificación de pines, cambio de tamaño de la huella, opciones de antena (cerámica integrada, conector IPEX, media almohadilla) y ajuste de parámetros de firmware.

• Soporte documental para el camino de certificación que está planeando.

Si su proyecto aún se encuentra en etapa de arquitectura, nuestro La descripción general de las plataformas RTL8723BU-CG y RTL8723CS-CG cubre las diferencias a nivel de chip, los casos de aplicación de producción en masa y el alcance del desarrollo personalizado; el La cartera de módulos Wi-Fi de 2,4 GHz enumera las otras opciones compatibles con pines de esta clase.

Preguntas frecuentes

Siguiente paso

Envíenos su página esquemática y sus limitaciones mecánicas (ubicación de la antena, material del gabinete, interfaz del host y rango operativo objetivo) y nuestro equipo de aplicaciones le brindará una evaluación de idoneidad para cualquiera de los módulos, incluidos los cambios a nivel de pin necesarios para su diseño. Solicite muestras, hojas de datos y una revisión del diseño..

Todos los datos de rendimiento de este artículo son valores típicos de referencia. Los documentos de especificaciones completos, informes de pruebas y recursos de diseño están disponibles a pedido.