Nordic nRF52系列SoC,硬件设计非常简单,外围元器件少,设计时只要稍微注意,都可以得到不错的射频性能。

下面就nRF52832QFAA的设计简单介绍。

原理图设计

nRF52系列的最小系统参考原理图在数据手册上都有给出,比如nRF52832的硬件最小系统参考设计在 nRF52832_PS_v1.4.pdf 文档的第53章节“Reference circuitry”。参考原理图分为很多种类,根据封装、内部电源方式等区别分开。


电源

nRF52832的电源在硬件设计上分为内部LDO模式与内部DCDC模式两种。无论是内部LDO还是内部DCDC,其作用都是将外部的电源(VDD)转换为内部的1.3V system power。两种模式的内部示意图如下:

LDO模式相对DCDC模式的区别:

接收灵敏度好 1dbm左右(经验值)

射频电流增加(如下图所示),

少2个电感,如下图所示(10uH,15nH,两个电感不能合并为1个!)。

 

 

 

芯片电源也有要求,当电源有波动的时候,会导致系统复位。数据手册给出的解释是,300ms内的300mV的电压上升或者下降都会带来上电复位。所以在系统设计的时候需要注意对大负载的考虑,同时也需要注意系统上不要有太大的电容,导致上电的时候 VDD上升非常慢,导致POR失败。具体使用大家根据实际系统测试拿捏。


时钟

Nordic 的BLE nRF52 SoC 都采用了双时钟的设计:高频和低频时钟。 他们分别都可以使用内部RC和外部晶体。

需要注意的是,如果需要使用的射频功能(BLE或其他射频)必须外挂外部高32MHz晶体,且最好在20ppm以内,一定不要超过40ppm。

如下图所示,内部低频RC的精度是+-250ppm(8秒校准),可以满足BLE的使用。如果没有额外对低频时钟的需求,可以使用内部RC;有额外需求的结合各自需求选取外部低频晶体。

 

外设

Nordic 的BLE nRF5x SoC 都采用了外设IO自由映射的设计。

任意IO可以设置为数字外设功能,如UART , SPI , IIC等等。

模拟外设(ADC,COMP等)需要特定的模拟功能IO(AIN0-AIN7)。

NFC使用特定的两个IO(P0.09 和P0.10)。NFC引脚作为一般IO时使用的限制:引脚电容大,两个引脚电平不一样时会漏电流。

数据手册中提到关于这些IO在使用时需要注意的一些问题,如下图中描述,给出了建议用于低速和低驱动的IO

 


射频性能

Nordic 的BLE nRF5x SoC 采用了内部的巴伦电路,ANT引脚出来就是单端的,经过一个简单的LR电路调整后,就接入天线电路。

一般我们关注的比较基本的射频指标有 发射功率,接收灵敏度,频偏,二三次谐波 等等,在这里我们主要强调 信号强度、 频偏

虽然发射功率反映的是信号发射出去的情况,接收灵敏度反映的是信号接收的情况,但在外围电路上是同一条通路,所以通常情况下,我们可以大致的认为发射功率的好坏侧面反映了接收灵敏度的好坏。

频偏

通俗的讲,频偏指信号偏离原本频点多少,比如BLE广播通道37CH的中心频点是2402MHz,蓝牙规范要求我们控制射频频偏在+-75KHz以内,也就是说信号的中心频点在(2402MHz-75Khz) ~ (2402MHz+75KHz)的范围内,但是为了产品质量一般我们建议控制频偏范围在+-50KHz以内(甚至更小范围内)。

射频频点由芯片的高频时钟源也就是外部高频晶体决定,因此频偏的大小也由晶体的实际频率决定。(Nordic 的BLE  Soc 在出厂的时候,已经对芯片内部的校正过,所以在无需软件调节(也无法软件调节)芯片内部的晶体参数。)调节这个晶体的频率靠调节晶体的谐振电容,也就是下面图中圈出来的2个电容。

发射功率

我们这里指的发射功率,指的是芯片的信号能量有多少成功发射出去。一般测量都在天线电路的前端测量,也就是上图L1右侧。通常的我们认为损耗在3db以内是正常的,也就是说芯片设置的发射功率是0dbm,我们测试到的是-3dbm以上都算正常。

补充

C6默认留空,这是射频的电源滤波电路,预留主要是确保射频电源干净。如果射频认证出现问题,再增加电容调试,此时可以尝试100pF电容。


天线

BLE属于2.4GHz频率的通信,一般来说2.4GHz的天线都能够使用,大家可以使用各个BLE厂家参考设计中的天线。需要注意,天线需要匹配电路上图L1和C3不是天线匹配电路!上图的电路中无天线匹配电路!

天线匹配电路是一个π型电路,我们需要把它加到L1与天线之间! 在调试天线性能的时候,需要调节π型电路的元器件类型和数值,也就是X1,X2,X3。它们在产品性能调试的时候才能确定。


PCB layout设计

PCB layout设计建议直接使用官方设计,在官方设计上添加自己的电路即可。下面是官方最小系统的参考PCB设计。

绘制的时候需要注意几点:

1.射频走线50欧姆。一般需要根据板厚计算线宽和走线的净空。

2.电容C3尽量靠近芯片。

3.芯片过孔焊盘不能少,背面地尽量完整。

4.电源等走线,尽量不要横穿芯片底部。

5.天线周围一定要净空。

 


参考设计下载

https://www.nordicsemi.com/-/media/Software-and-other-downloads/Reference-Layouts/nRF52832QFAxRefLayoutv11.zip?la=en&hash=3C9AB72D7AF64E6210BA4572BDA92C63EC10FD12

 

 

 

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