1、SimpleLinkTM Wi-Fi 芯片CC3200 和CC3100 的電路板設(shè)計重點 賀鵬，張信偉 (Albin) 目錄1. 產(chǎn)品綜述2. 電源部分的設(shè)計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 射頻測試接口4. 晶振電路設(shè)計4.1 晶體選型4.2 晶體的布板設(shè)計5. 總結(jié) 概要 德州儀器(TI) 產(chǎn)品線的SimpleLink Wi-Fi CC3200 和 CC3100是一顆針對廣大物聯(lián)網(wǎng)

2、(IoT) 市場的嵌入式 Wi-Fi 芯片。TI SimpleLink Wi-Fi 擁有簡單易用的軟件構(gòu)架和實例程序，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)計的門檻。對終端用戶來說，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。即使沒有Wi-Fi或射頻經(jīng)驗的硬件工程師來說，只要嚴格遵循TI開放的參考設(shè)計和設(shè)計規(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CC3200和CC3100自2014年7月投放市場以來，廣大用戶在電路板設(shè)計開發(fā)

3、中遇到的常見問題，重點講解電路板的設(shè)計重點，以及這些設(shè)計細節(jié)對最終產(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 是一個支持Wi-Fi 的片上系統(tǒng) (SoC, System on Chip)，包含一個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 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)備可以實現(xiàn)電池供電和超長待機。這些特點使得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位單片機或運行操作系統(tǒng)的微處理器配合使用。這主要是給對單片機或處理器有特殊要求的客戶提供了設(shè)計上的靈活性。因為CC3100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荷的情況下簡易地給系統(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。為簡明起見，在以下關(guān)于CC3200和CC3100電路板設(shè)計的闡述中，將只按 CC3200 的設(shè)計來說明，所有內(nèi)容同樣適用于 CC3100。2. 電源部分的設(shè)計2.1 芯片內(nèi)部 DC-DC CC3200 的電源管理子系統(tǒng)包含三個直流電壓 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 DC-DC，三個DC-DC進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)用場景。 在電池直接供電模式下, 三個內(nèi)部的 DC-DC 的開關(guān)噪聲很大，這個時候電源部分的布板設(shè)計對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，這種情況下也就沒有 開關(guān)噪聲。這種情況下 Wi-Fi 射頻性能對電源部分的布板設(shè)計相對不敏感。 圖1為 CC3200 3.

7、3V Vbat 輸入VIN_DCDC_PA (Pin 39) 上示波器測量出的電壓紋波，電壓波動幅度達到 600 mV。 對應(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， 電壓波動幅度達200 mV。圖3為VIN_DCDC_DIG (44腳) 上的電壓波形，電壓波動幅度也達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，對芯片性能影響很大。所以在CC3200的布板設(shè)計中，對電源的走線，去耦電容，地平面和走線的設(shè)計都有一定的要求。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)計中，如圖5所示，將去耦電容C29, C39盡量靠近對應(yīng)電源輸入管腳， 去耦電容的接地腳通過過孔連接到主地層。 圖4: CC3200 LaunchPad Vbat輸入電源部分原理圖 CC3200-LAUNCHXL Schematic, Rev. 4.1, 如果通過走線或表層覆銅連接到表層地，因為這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，生成交變磁場輻射。交變磁場輻射是板上噪聲的主要根源。DC-DC 工作時給開關(guān)地注入開關(guān)電流，產(chǎn)生的交變磁場感生電壓降，會導(dǎo)致接地反彈。為了抑制磁場輻射，減小地反彈，就需要把高頻開關(guān)電流回路最小化，同時把它們接地走線從主地平面隔離出來。同時接地走線等效為電感，對高頻噪聲也有一定的抑制作用。 如圖6 旨在說明VIN_DCDC_ANA，VIN_DCDC_PA, VIN_DCDC_DIG 三路Vbat 輸入的三個去耦電容C40, C38, C33的擺放、電源和接地走線的處理方式。可以看到，三個電容的接地是通過過孔，在第二層主地層走回CC3200芯片下面，再通過過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孔的處理。因為為了降低4層PCB板的成本，一般只使用通孔，而不會采用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，因為這個時候電流噪聲和開關(guān)電流可能串到可能阻抗更低第三層和底層地去。所以在布板鋪銅過程中需要細致處理，避免出現(xiàn)這樣的情況，一種推薦的簡單處理方法是在布板過程中，在第三層和底層的需要隔離的過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)計板 CC3200 LaunchPad輸入電容接地過孔(黃圈圈出)在底層與地平面的連接。在最上方的過孔對應(yīng)的是VIN_DCDC_DIG, 由于這一路電流較小，所以沒有做隔離，直接連接到底層地平面。而另外兩個接地過孔，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)計中的不同情形，不易完全照搬參考設(shè)計的布板，走線，打孔等所

13、有細節(jié)，所以本小節(jié)進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孔連接到第二層的主地平面; 其次，對于走大開關(guān)電流的Vbat輸入電容的接地過孔，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)計時，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。因為他們都是通過過孔連接到第二層（主地層），這樣就保證了芯片的地電流都是同過第二層(主地層)回流。 一般來說，在做COB 方案的時候， 由于PCB板面積大，在地的處理上的隨意性就可能較大，這個時候就需要特

14、別注意電源部分地的設(shè)計對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)計和測試難度和工作量的一個主要原因。2.4 對 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)計對Wi-Fi 性能至關(guān)重要。如果這部分設(shè)計有問題，最直觀的表現(xiàn)就是Wi-Fi 802.11b 的頻譜遮罩(Spectrum Mask) 超標。圖8顯示了一款電源和地設(shè)計有問題的采用CC3200 COB方案的電路板802.11b 11Mbps (CCK) 的頻譜。可以看到在高頻端，頻譜超過了802.11b標準定義的遮罩 (紅色的折線)。 圖9顯示的是一款設(shè)計優(yōu)化的CC3200模

15、塊802.11b 11Mbps(CCK) 的頻譜。在頻譜中心 +/- 20 MHz以外，對頻譜遮罩都有 5 dB 以上的空余 (Margin)， 且越往遠端，頻譜越低，空余越大。圖 8： CC3200 802.11b 11M (CCK) 超標的頻譜圖9： CC3200 802.11b 11Mbps (CCK) 達標的頻譜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，在一個管腳 （Pin 31）上復(fù)用。 發(fā)送時，信號由 Pin 31出來，經(jīng)過一個帶通濾波器 (BPF)， 在經(jīng)過一個阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，由一個 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，以符合美國的FCC, 歐洲的CE, 日本的Telec和中國的 SRRC等規(guī)范測試的要求。由于不同的芯片射頻發(fā)射和接收機的內(nèi)部設(shè)計不同，頻譜上會產(chǎn)生不同的雜散，所以需要一些特殊頻段的信號抑制。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 （詳細參數(shù)請參考器件規(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)計產(chǎn)品的時候，射頻部分的設(shè)計可以分成兩部分，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，可以以R110/R111的共焊盤為射頻參考平面。最終的設(shè)計目標是要保證Z1和Z2都是50ohm的系統(tǒng)，這樣，就可以保證一個良好的傳輸特性。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，對于射頻能力不強的客戶來說，需盡量復(fù)制TI的參考設(shè)計。并對鏈路射頻線做50 Ohm的阻抗控制。2. 天線電路及天線：請參考3.3 章節(jié)2.4GHz天線部分

18、。圖 12 作為一個實例來說明 BPF 的射頻性能。Marke 點 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 評估板實測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。因為芯片，BPF和天線的射頻性能都是優(yōu)化在50 Ohm端口阻抗的。 需要通過選擇合適的傳輸線模型在計算走線的寬度，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(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，因為2層板。 在互聯(lián)網(wǎng)上可以搜索到很多免費的基于網(wǎng)頁的計算器來近似計算傳輸線的幾何參數(shù)。可以用射頻仿真工具仿真?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算工具LineCalc。在圖12所顯示的微帶線的計算界面中，可以輸入頻率、幾何參數(shù)、介質(zhì)和導(dǎo)體參數(shù)以計算對應(yīng)的阻

20、抗，也可以輸入目標阻抗以反推微帶線的寬度W (特征阻抗跟傳輸線長度L無關(guān))。圖 13: KeysightTM Advanced Design System (ADS) 傳輸線阻抗計算工具LineCalc 在圖12中左邊的參數(shù)列表中，Er 為板材的相對介電常數(shù)，F(xiàn)R4 板材一般為4.2左右。 Mur為板材的相對介磁常數(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。因為ADS 是通過仿真來分析的，所以需要這個參數(shù)。而在一些其他按照理論估算的工具中是沒有這個參數(shù)的。這里因為上方?jīng)]有地層，所以設(shè)置了一個很大的數(shù)值以表示無窮大。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)虛部跟實部的比值。 在布板時的阻抗計算主要是為了布局和走線的參考，因為在上述計算中，對于分布參數(shù)的考量是不充分的。在送交PCB板廠制板前的工程確認時，需要要求板廠對射頻線進行精準的阻抗控制。PCB板廠會根據(jù)他們的更準確的板子疊層結(jié)構(gòu)和介質(zhì)參數(shù)來調(diào)整走線寬度和對地間距。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) ，在這個頻段還有 2.4 GHz 私有協(xié)議， ZigBee, RF4CE, 藍牙等應(yīng)用。對這些 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 (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。應(yīng)用中需要根據(jù)規(guī)格書和應(yīng)用指南來做布板設(shè)計。這些天線都是全向天線，也就是說沒有明顯的方向性。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L型的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，采用的實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)計疊層結(jié)構(gòu)，介質(zhì)參數(shù)，走線阻抗的差異，會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。 天線的阻抗匹配評估需要測量等效輻射功率(Effective Radiated Power, ERP)，對比傳導(dǎo)測試的天線的輸入功率，通過這兩個值直接的差異來判斷。這個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。在沒有輻射測量的環(huán)境下，作為粗略的評估方法，可以對比CC3200 Launchpad在比較干凈的射頻環(huán)境下測試通訊距離。另外單獨評估天線的性能，可以用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (Vector Network Analyzer) 測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、帶寬、駐波比 (VSWR) 等參數(shù)。 3.5 射頻測試接口 CC3200 Launchpad 上J24 是Murata通軸開關(guān)接頭座 (Sw

25、itching Connector, Part Number: MM8030-2610RJ3)。扣上對應(yīng)的接頭后就斷開下面的天線，用作傳導(dǎo)測試射頻性能。一般在終端產(chǎn)品設(shè)計中不會采用。J18 為 uFL 同軸連接座，也可用作傳導(dǎo)測試射頻性能，但這里主要是提供外接天線的接口。在J18測試或外接天線需要手動把R111去掉，把R100焊上（就是把焊在R111 焊盤上的0 Ohm電阻逆時針轉(zhuǎn)90度）， 以把射頻性號導(dǎo)向J18而不是天線。由于鏈路的插損不同，在J24 和 J18測試的射頻性能有細微差別。在實際測試當(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，如果要精確評估芯片發(fā)射功率的話，可以在R111和R