CC3200和CC3100電路板設(shè)計(jì)重點(diǎn)V1.0

1、SimpleLinkTM Wi-Fi 芯片CC3200 和CC3100 的電路板設(shè)計(jì)重點(diǎn) 賀鵬，張信偉 (Albin) 目錄1. 產(chǎn)品綜述2. 電源部分的設(shè)計(jì)2.1 芯片內(nèi)部DC-DC 2.2 Vbat DC-DC輸入電容2.3 電源部分地的處理2.4 對(duì)Wi-Fi 性能的影響3. 射頻鏈路3.1 帶通濾波器(BPF)3.2 射頻走線的阻抗控制3.3 2.4 GHz 天線3.4 天線阻抗匹配3.5 射頻測(cè)試接口4. 晶振電路設(shè)計(jì)4.1 晶體選型4.2 晶體的布板設(shè)計(jì)5. 總結(jié) 概要 德州儀器(TI) 產(chǎn)品線的SimpleLink Wi-Fi CC3200 和 CC3100是一顆針對(duì)廣大物聯(lián)網(wǎng)

2、(IoT) 市場(chǎng)的嵌入式 Wi-Fi 芯片。TI SimpleLink Wi-Fi 擁有簡(jiǎn)單易用的軟件構(gòu)架和實(shí)例程序，芯片采用 0.5mm 間距的 64管腳QFN 封裝，支持單端射頻鏈路，大大降低了射頻電路板設(shè)計(jì)的門檻。對(duì)終端用戶來(lái)說(shuō)，既可以選擇采用射頻模塊方案，也可以選擇投入更多的研發(fā)資源，開發(fā)BOM成本更低的芯片貼板（COB, Chip on Board）的方案。即使沒(méi)有Wi-Fi或射頻經(jīng)驗(yàn)的硬件工程師來(lái)說(shuō)，只要嚴(yán)格遵循TI開放的參考設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)規(guī)則， 也可以開發(fā)出性能合格的嵌入式WiFi電路板。 本應(yīng)用文檔針對(duì)CC3200和CC3100自2014年7月投放市場(chǎng)以來(lái)，廣大用戶在電路板設(shè)計(jì)開發(fā)

3、中遇到的常見(jiàn)問(wèn)題，重點(diǎn)講解電路板的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，以及這些設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)對(duì)最終產(chǎn)品Wi-Fi 性能的影響。1. 產(chǎn)品綜述 CC3200 和 CC3100都是TI SimpleLinkTM 系列的嵌入式Wi-Fi芯片。 CC3200 是一個(gè)支持Wi-Fi 的片上系統(tǒng) (SoC, System on Chip)，包含一個(gè)Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)處理器 (NWP, Network Processor)， 電源管理子系統(tǒng)外，和一顆ARM Cortex M4核的應(yīng)用處理器。CC3200 的應(yīng)用處理器最高可達(dá) 80 MHz 主頻，內(nèi)置 256KB內(nèi)存，為應(yīng)用開發(fā)提供了豐富的接口和內(nèi)部資源。CC3200的系統(tǒng)設(shè)計(jì)以安全、快速和

4、超低功耗的Wi-Fi 和 Internet連接為主旨，使得Wi-Fi智能設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)電池供電和超長(zhǎng)待機(jī)。這些特點(diǎn)使得CC3200是非常理想的需要連接到云端的智能產(chǎn)品的單芯片解決方案。 CC3100 是一個(gè)Wi-Fi 控制器，包含和電源管理子系統(tǒng)，適用于和支持 SPI或 UART的8位，16位，或32位單片機(jī)或運(yùn)行操作系統(tǒng)的微處理器配合使用。這主要是給對(duì)單片機(jī)或處理器有特殊要求的客戶提供了設(shè)計(jì)上的靈活性。因?yàn)镃C3100集成了TCP, UDP網(wǎng)絡(luò)傳輸層，還集成了DNS 和 HTTP應(yīng)用層服務(wù)，這些客戶可以在不增加主控芯片軟件負(fù)荷的情況下簡(jiǎn)易地給系統(tǒng)加上Wi-Fi 功能連接到云端。 CC3100

5、跟 CC3200是完全管腳兼容（Pin to Pin）的。CC3100 的電源和射頻部分跟CC3200完全相同，在功能上可以視為 CC3200的子集。為簡(jiǎn)明起見(jiàn)，在以下關(guān)于CC3200和CC3100電路板設(shè)計(jì)的闡述中，將只按 CC3200 的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)明，所有內(nèi)容同樣適用于 CC3100。2. 電源部分的設(shè)計(jì)2.1 芯片內(nèi)部 DC-DC CC3200 的電源管理子系統(tǒng)包含三個(gè)直流電壓 變換器 (DC-DC)，分別為 給數(shù)字部分電路供電的Digital DC-DC， 給模擬部分電路供電的 ANA1 DC-DC, 給射頻部分 PA 供電的 PA DC-DC。CC3200常用的供電模式是2.1 V 至

6、 3.6 V的寬電壓供電，電壓源輸入到芯片內(nèi)部的三個(gè) DC-DC，三個(gè)DC-DC進(jìn)行電壓變換后分別給芯片內(nèi)部的數(shù)字、模擬、和射頻模塊供電。低功耗Wi-Fi智能設(shè)備經(jīng)常是用兩節(jié)1.5 V的AA或AAA干電池串聯(lián)供電，或者是把板上5V轉(zhuǎn)成3.3V后供電，所以寬電壓供電模式適用于普遍的應(yīng)用場(chǎng)景。 在電池直接供電模式下, 三個(gè)內(nèi)部的 DC-DC 的開關(guān)噪聲很大，這個(gè)時(shí)候電源部分的布板設(shè)計(jì)對(duì)Wi-Fi射頻性能至關(guān)重要。在 1.85V 穩(wěn)壓源供電模式下，芯片內(nèi)部的 DC-DC 不工作，這種情況下也就沒(méi)有 開關(guān)噪聲。這種情況下 Wi-Fi 射頻性能對(duì)電源部分的布板設(shè)計(jì)相對(duì)不敏感。 圖1為 CC3200 3.

7、3V Vbat 輸入VIN_DCDC_PA (Pin 39) 上示波器測(cè)量出的電壓紋波，電壓波動(dòng)幅度達(dá)到 600 mV。 對(duì)應(yīng)于 CC3200 由Radio Tool 控制數(shù)據(jù)包連續(xù)發(fā)送 (Tx Mode, Packetized)。圖2為該狀態(tài)下VIN_DCDC_ANA (Pin 37) 上的電壓波形， 電壓波動(dòng)幅度達(dá)200 mV。圖3為VIN_DCDC_DIG (44腳) 上的電壓波形，電壓波動(dòng)幅度也達(dá)200mV。 圖1: CC3200發(fā)送狀態(tài)下3.3V Vbat 輸入VIN_DCDC_PA (Pin 39) 電壓波形。圖2: CC3200發(fā)送狀態(tài)下3.3V Vbat 輸入VIN_DCDC_

8、ANA (Pin 39) 電壓波形。圖3: CC3200發(fā)送狀態(tài)下3.3V Vbat 輸入 VIN_DCDC_DIG (Pin 44) 電壓波形 這三路電源輸入上的噪聲若不能恰當(dāng)處理，對(duì)芯片性能影響很大。所以在CC3200的布板設(shè)計(jì)中，對(duì)電源的走線，去耦電容，地平面和走線的設(shè)計(jì)都有一定的要求。2.2 Vbat DC-DC輸入電容 以TI CC3200 Launchpad 為例， 3.3V Vbat 輸入管腳如下圖。VIN_IO1 和 VIN_IO2這兩路為IO供電，電流很小 Chapter 4.5 “Electrical Characteristics”, C3200 Datasheet, S

9、WAS032F, 噪聲的影響也小。在布板設(shè)計(jì)中，如圖5所示，將去耦電容C29, C39盡量靠近對(duì)應(yīng)電源輸入管腳， 去耦電容的接地腳通過(guò)過(guò)孔連接到主地層。 圖4: CC3200 LaunchPad Vbat輸入電源部分原理圖 CC3200-LAUNCHXL Schematic, Rev. 4.1, 如果通過(guò)走線或表層覆銅連接到表層地，因?yàn)檫@樣的高頻噪聲電流的回路不易控制。布板要求電源部分表層不鋪地銅。 圖 5: CC3200 LaunchPad Pin 10 VIN_IO1 的去耦電容的接地處理 如之前圖1、2、3所示，由Vbat, 輸入電容， 和芯片內(nèi)部對(duì)應(yīng)的DC-DC的地形成電流回路環(huán)路上有

10、大量的高頻開關(guān)電流，生成交變磁場(chǎng)輻射。交變磁場(chǎng)輻射是板上噪聲的主要根源。DC-DC 工作時(shí)給開關(guān)地注入開關(guān)電流，產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)感生電壓降，會(huì)導(dǎo)致接地反彈。為了抑制磁場(chǎng)輻射，減小地反彈，就需要把高頻開關(guān)電流回路最小化，同時(shí)把它們接地走線從主地平面隔離出來(lái)。同時(shí)接地走線等效為電感，對(duì)高頻噪聲也有一定的抑制作用。 如圖6 旨在說(shuō)明VIN_DCDC_ANA，VIN_DCDC_PA, VIN_DCDC_DIG 三路Vbat 輸入的三個(gè)去耦電容C40, C38, C33的擺放、電源和接地走線的處理方式?？梢钥吹?，三個(gè)電容的接地是通過(guò)過(guò)孔，在第二層主地層走回CC3200芯片下面，再通過(guò)過(guò)孔連回芯片中間的地焊

11、盤。在表層DC電流輸入走線和第二層接地走線上下重合，使得開關(guān)電流環(huán)路面積最小。 圖6右特別說(shuō)明第二層接地走線跟主地平面的隔離。這里需要特別注意的是電容端接地過(guò)孔的處理。因?yàn)闉榱私档?層PCB板的成本，一般只使用通孔，而不會(huì)采用1到2層盲孔。這就造成一種情況，在布板后期覆銅環(huán)節(jié)，將輸入電容的接地過(guò)孔在第3層或底層連接到地銅。這種情況下最小化和隔離開關(guān)電流環(huán)路的目的就可能落空了，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候電流噪聲和開關(guān)電流可能串到可能阻抗更低第三層和底層地去。所以在布板鋪銅過(guò)程中需要細(xì)致處理，避免出現(xiàn)這樣的情況，一種推薦的簡(jiǎn)單處理方法是在布板過(guò)程中，在第三層和底層的需要隔離的過(guò)孔周圍畫出鋪銅禁區(qū)。 圖 6: C

12、C3200 LaunchPad Vbat輸入電路的布板處理; 左圖：表層和第二層(主地層)顯示；右圖：第二層顯示。 圖7 顯示出TI 參考設(shè)計(jì)板 CC3200 LaunchPad輸入電容接地過(guò)孔(黃圈圈出)在底層與地平面的連接。在最上方的過(guò)孔對(duì)應(yīng)的是VIN_DCDC_DIG, 由于這一路電流較小，所以沒(méi)有做隔離，直接連接到底層地平面。而另外兩個(gè)接地過(guò)孔，在底層連接到了兩塊很小的孤銅，這樣跟畫定覆銅禁區(qū)隔離的效果相同。 圖 7: CC3200 LaunchPad Vbat輸入電容接地過(guò)孔在底層的地連接2.3 電源部分地的處理 由于在布板設(shè)計(jì)中的不同情形，不易完全照搬參考設(shè)計(jì)的布板，走線，打孔等所

13、有細(xì)節(jié)，所以本小節(jié)進(jìn)一步闡述電源部分地的處理。 首先，表層電源部分不鋪地銅。如前面章節(jié)所闡釋，電源部分電容接地都是過(guò)孔連接到第二層的主地平面; 其次，對(duì)于走大開關(guān)電流的Vbat輸入電容的接地過(guò)孔，需要特別注意在第2, 3, 4層做隔離; 最后, 在做COB方案的PCB板設(shè)計(jì)時(shí)，如果PCB板面積大，也建議芯片中間散熱焊盤下面第三層(電源層)和第四層（數(shù)字走線層）的地銅跟本層周圍的地銅做隔離處理。因?yàn)樗麄兌际峭ㄟ^(guò)過(guò)孔連接到第二層（主地層），這樣就保證了芯片的地電流都是同過(guò)第二層(主地層)回流。 一般來(lái)說(shuō)，在做COB 方案的時(shí)候， 由于PCB板面積大，在地的處理上的隨意性就可能較大，這個(gè)時(shí)候就需要特

14、別注意電源部分地的設(shè)計(jì)對(duì)電源噪聲的影響以保證Wi-Fi 射頻性能。這也是推薦采用模塊方案以減小系統(tǒng)主板設(shè)計(jì)和測(cè)試難度和工作量的一個(gè)主要原因。2.4 對(duì) Wi-Fi 性能的影響 前面章節(jié)談到的CC3200 電源部分的布板設(shè)計(jì)對(duì)Wi-Fi 性能至關(guān)重要。如果這部分設(shè)計(jì)有問(wèn)題，最直觀的表現(xiàn)就是Wi-Fi 802.11b 的頻譜遮罩(Spectrum Mask) 超標(biāo)。圖8顯示了一款電源和地設(shè)計(jì)有問(wèn)題的采用CC3200 COB方案的電路板802.11b 11Mbps (CCK) 的頻譜?？梢钥吹皆诟哳l端，頻譜超過(guò)了802.11b標(biāo)準(zhǔn)定義的遮罩 (紅色的折線)。 圖9顯示的是一款設(shè)計(jì)優(yōu)化的CC3200模

15、塊802.11b 11Mbps(CCK) 的頻譜。在頻譜中心 +/- 20 MHz以外，對(duì)頻譜遮罩都有 5 dB 以上的空余 (Margin)， 且越往遠(yuǎn)端，頻譜越低，空余越大。圖 8： CC3200 802.11b 11M (CCK) 超標(biāo)的頻譜圖9： CC3200 802.11b 11Mbps (CCK) 達(dá)標(biāo)的頻譜3. 射頻鏈路3.1 帶通濾波器 (BPF) CC3200 和 CC3100 的射頻為單端輸入輸出，在一個(gè)管腳 （Pin 31）上復(fù)用。 發(fā)送時(shí)，信號(hào)由 Pin 31出來(lái)，經(jīng)過(guò)一個(gè)帶通濾波器 (BPF)， 在經(jīng)過(guò)一個(gè)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，由一個(gè) 2.4 GHz 的天線輻射到空間中。 圖

16、10和圖11 顯示了CC3200 Launchpad 的射頻鏈路的原理圖和布板。 圖10：CC3200 Launchpad 射頻鏈路原理圖圖10 中FL1 為 2.4GHz 的 BPF，用以抑制二次和三次諧波和帶外雜散，以符合美國(guó)的FCC, 歐洲的CE, 日本的Telec和中國(guó)的 SRRC等規(guī)范測(cè)試的要求。由于不同的芯片射頻發(fā)射和接收機(jī)的內(nèi)部設(shè)計(jì)不同，頻譜上會(huì)產(chǎn)生不同的雜散，所以需要一些特殊頻段的信號(hào)抑制。這顆BPF 需要是給CC3200 定制的。目前有兩顆可以選擇，TDK 的DEA202450BT-1294C1-H 和華新科技 (Walsin Technology) 的RFBPF201208

17、0AC2T00 （詳細(xì)參數(shù)請(qǐng)參考器件規(guī)格書）。圖11: CC3200 Launchpad 射頻鏈路布板圖（紫紅色高亮部分） 在具體設(shè)計(jì)產(chǎn)品的時(shí)候，射頻部分的設(shè)計(jì)可以分成兩部分，一部分是電路傳導(dǎo)部分，另外一部分是天線電路。借用TI的參考設(shè)計(jì)，可以以R110/R111的共焊盤為射頻參考平面。最終的設(shè)計(jì)目標(biāo)是要保證Z1和Z2都是50ohm的系統(tǒng)，這樣，就可以保證一個(gè)良好的傳輸特性。1. 電路傳導(dǎo)部分：上圖Z1部分為電路傳導(dǎo)參考平面，這一部分的設(shè)計(jì)，對(duì)于射頻能力不強(qiáng)的客戶來(lái)說(shuō)，需盡量復(fù)制TI的參考設(shè)計(jì)。并對(duì)鏈路射頻線做50 Ohm的阻抗控制。2. 天線電路及天線：請(qǐng)參考3.3 章節(jié)2.4GHz天線部分

18、。圖 12 作為一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明 BPF 的射頻性能。Marke 點(diǎn) m1 和 m2 表征了帶內(nèi)的插入損耗 (Insertion Loss) , m11 和m12分別大致表征二次和三次諧波的抑制性能。圖 12: Walsin TechnologyTM RFBPF2012080AC2T00 評(píng)估板實(shí)測(cè)S-Parameter 頻率特性3.2 射頻走線的阻抗控制 PCB上射頻鏈路的走線需要控制阻抗，使其在2.4 GHz工作頻段為 50 Ohm。因?yàn)樾酒珺PF和天線的射頻性能都是優(yōu)化在50 Ohm端口阻抗的。 需要通過(guò)選擇合適的傳輸線模型在計(jì)算走線的寬度，跟旁邊的地的間距等幾何參數(shù)。常用的傳輸線模型為

19、微帶線(Microstrip Line)和共面波導(dǎo)(CPW, Coplanar Waveguide)。微帶線傳輸線模型主要用于4層板的設(shè)計(jì)(CC3200 COB 方案要求4層板)。而共面波導(dǎo)模型多用于采用CC3200 模塊的2層板上的射頻線，因?yàn)?層板。 在互聯(lián)網(wǎng)上可以搜索到很多免費(fèi)的基于網(wǎng)頁(yè)的計(jì)算器來(lái)近似計(jì)算傳輸線的幾何參數(shù)?？梢杂蒙漕l仿真工具仿真?zhèn)鬏斁€的阻抗，也可以用軟件工具如 KeysightTM Advanced Design System (ADS) 軟件包里的傳輸線阻抗計(jì)算工具LineCalc。在圖12所顯示的微帶線的計(jì)算界面中，可以輸入頻率、幾何參數(shù)、介質(zhì)和導(dǎo)體參數(shù)以計(jì)算對(duì)應(yīng)的阻

20、抗，也可以輸入目標(biāo)阻抗以反推微帶線的寬度W (特征阻抗跟傳輸線長(zhǎng)度L無(wú)關(guān))。圖 13: KeysightTM Advanced Design System (ADS) 傳輸線阻抗計(jì)算工具LineCalc 在圖12中左邊的參數(shù)列表中，Er 為板材的相對(duì)介電常數(shù)，F(xiàn)R4 板材一般為4.2左右。 Mur為板材的相對(duì)介磁常數(shù)，F(xiàn)R4 和一般PCB板材都為1.0。 H為表層銅跟下面的地層的距離。Hu為表層銅跟上方的地層的距離。因?yàn)锳DS 是通過(guò)仿真來(lái)分析的，所以需要這個(gè)參數(shù)。而在一些其他按照理論估算的工具中是沒(méi)有這個(gè)參數(shù)的。這里因?yàn)樯戏經(jīng)]有地層，所以設(shè)置了一個(gè)很大的數(shù)值以表示無(wú)窮大。T為表層銅的厚度，0

21、.5 Oz 銅的厚度為 0.7 mil。Cond為表層銅的電導(dǎo)率，單位為siemens/m。TanD 為介電常數(shù)的耗散參數(shù)(Dielectric Loss Tangent)， 就是介電常數(shù)虛部跟實(shí)部的比值。 在布板時(shí)的阻抗計(jì)算主要是為了布局和走線的參考，因?yàn)樵谏鲜鲇?jì)算中，對(duì)于分布參數(shù)的考量是不充分的。在送交PCB板廠制板前的工程確認(rèn)時(shí)，需要要求板廠對(duì)射頻線進(jìn)行精準(zhǔn)的阻抗控制。PCB板廠會(huì)根據(jù)他們的更準(zhǔn)確的板子疊層結(jié)構(gòu)和介質(zhì)參數(shù)來(lái)調(diào)整走線寬度和對(duì)地間距。3.3 2.4 GHz 天線 SimpleLink Wi-Fi 芯片CC3200 和 CC3100 工作在 2.4GHz ISM 頻段 (240

22、1 MHz 2483 MHz) ，在這個(gè)頻段還有 2.4 GHz 私有協(xié)議， ZigBee, RF4CE, 藍(lán)牙等應(yīng)用。對(duì)這些 2.4 GHz 的應(yīng)用，天線都是通用的。 主要根據(jù)PCB 板的尺寸大小和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在TI 有的參考設(shè)計(jì) (DN035, Antenna Selection Quick Guide) 中選擇。2.4 GHz應(yīng)用常用的PCB 天線有倒 F天線 (DN007)，曲折線天線 (AN043)。陶瓷天線 (Chip Antenna) 有體積小，使用方便的特點(diǎn)。應(yīng)用中需要根據(jù)規(guī)格書和應(yīng)用指南來(lái)做布板設(shè)計(jì)。這些天線都是全向天線，也就是說(shuō)沒(méi)有明顯的方向性。這符合一般Wi-Fi 應(yīng)用的需求

23、。3.4 天線阻抗匹配 在圖10 中，L9 和 C50 形成一個(gè)L型的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，采用的實(shí)際的器件值一般需要調(diào)試。最初貼板在L9位置可以貼一個(gè)10 pF 的電容或 0 Ohm 電阻，C50 的位置可以不焊。在圖9中的器件值是在 CC3200 Launchpad 上調(diào)試后的結(jié)果。由于不同PCB板設(shè)計(jì)疊層結(jié)構(gòu)，介質(zhì)參數(shù)，走線阻抗的差異，會(huì)造成在天線輸入端不同的阻抗失配，所以這里的匹配網(wǎng)絡(luò)的器件的值不能照搬。 天線的阻抗匹配評(píng)估需要測(cè)量等效輻射功率(Effective Radiated Power, ERP)，對(duì)比傳導(dǎo)測(cè)試的天線的輸入功率，通過(guò)這兩個(gè)值直接的差異來(lái)判斷。這個(gè)差異是天線的效率反應(yīng)。比

24、如 50% 的效率就意味著 3 dB 的損耗。如果理想匹配，輸入功率減去 3 dB 就是等效輻射功率。在沒(méi)有輻射測(cè)量的環(huán)境下，作為粗略的評(píng)估方法，可以對(duì)比CC3200 Launchpad在比較干凈的射頻環(huán)境下測(cè)試通訊距離。另外單獨(dú)評(píng)估天線的性能，可以用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (Vector Network Analyzer) 測(cè)量天線帶匹配電路的反射系數(shù)S11的頻率特性, 包括器幅度頻譜|S11|和史密斯圓圖 (Smith Chart)， 從而可以查看是中心頻點(diǎn)、帶寬、駐波比 (VSWR) 等參數(shù)。 3.5 射頻測(cè)試接口 CC3200 Launchpad 上J24 是Murata通軸開關(guān)接頭座 (Sw

25、itching Connector, Part Number: MM8030-2610RJ3)?？凵蠈?duì)應(yīng)的接頭后就斷開下面的天線，用作傳導(dǎo)測(cè)試射頻性能。一般在終端產(chǎn)品設(shè)計(jì)中不會(huì)采用。J18 為 uFL 同軸連接座，也可用作傳導(dǎo)測(cè)試射頻性能，但這里主要是提供外接天線的接口。在J18測(cè)試或外接天線需要手動(dòng)把R111去掉，把R100焊上（就是把焊在R111 焊盤上的0 Ohm電阻逆時(shí)針轉(zhuǎn)90度）， 以把射頻性號(hào)導(dǎo)向J18而不是天線。由于鏈路的插損不同，在J24 和 J18測(cè)試的射頻性能有細(xì)微差別。在實(shí)際測(cè)試當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)Launchpad板上的射頻連接器J18以及此類電纜的插損比較大，如果要精確評(píng)估芯片發(fā)射功率的話，可以在R111和R