CC3200和CC3100 电路板设计重点 V1.0

SimpleLinkTMWi-Fi 芯片 CC3200 和 CC3100 的电路板设计重点贺鹏，张信伟(Albin) 目录 1. 产品综述 2. 电源部分的设计 2.1 芯片内部 DC-DC 2.2 VbatDC-DC 输入电容 2.3 电源部分地的处理 2.4 对 Wi-Fi 性能的影响 3. 射频链路 3.1 带通滤波器(BPF) 3.2 射频走线的阻抗控制 3.3 2.4GHz 天线 3.4 天线阻抗匹配 3.5 射频测试接口 4. 晶振电路设计 4.1 晶体选型 4.2 晶体的布板设计 5. 总结

概要德州仪器(TI)产品线的 SimpleLinkWi-Fi CC3200 和 CC3100 是一颗针对广大物联网 (IoT) 市场 的嵌入式 Wi-Fi 芯片。TI SimpleLink Wi-Fi 拥有简单易用的软件构架和实例程序，芯片采用 0.5mm 间距的 64 管脚 QFN 封装，支持单端射频链路，大大降低了射频电路板设计的门槛。 对终端用户来说，既可以选择采用射频模块方案，也可以选择投入更多的研发资源，开发 BOM 成本更低的芯片贴板（COB, Chip on Board）的方案。即使没有 Wi-Fi 或射频经验的硬 件工程师来说，只要严格遵循 TI 开放的参考设计和设计规则，也可以开发出性能合格的嵌 入式 WiFi 电路板。 本应用文档针对 CC3200 和 CC3100 自 2014 年 7 月投放市场以来，广大用户在电路板设计 开发中遇到的常见问题，重点讲解电路板的设计重点，以及这些设计细节对最终产品 WiFi 性能的影响。

1. 产品综述 CC3200 和 CC3100 都是 TI SimpleLinkTM 系列的嵌入式 Wi-Fi 芯片。CC3200 是一个支持 Wi-Fi 的片上系统 (SoC, System on Chip)，包含一个 Wi-Fi 网络处理器 (NWP, Network Processor)， 电源管理子系统外，和一颗 ARM Cortex M4 核的应用处理器。CC3200 的应用处理器最高 可达 80 MHz 主频，内置 256KB 内存，为应用开发提供了丰富的接口和内部资源。CC3200 的系统设计以安全、快速和超低功耗的 Wi-Fi 和 Internet 连接为主旨，使得 Wi-Fi 智能设备 可以实现电池供电和超长待机。这些特点使得 CC3200 是非常理想的需要连接到云端的智 能产品的单芯片解决方案。 CC3100 是一个 Wi-Fi 控制器，包含和电源管理子系统，适用于和支持 SPI 或 UART 的 8 位， 16 位，或 32 位单片机或运行操作系统的微处理器配合使用。这主要是给对单片机或处理 器有特殊要求的客户提供了设计上的灵活性。因为 CC3100 集成了 TCP, UDP 网络传输层， 还集成了 DNS 和 HTTP 应用层服务，这些客户可以在不增加主控芯片软件负荷的情况下简 易地给系统加上 Wi-Fi 功能连接到云端。 CC3100 跟 CC3200 是完全管脚兼容（Pinto Pin）的。CC3100 的电源和射频部分跟 CC3200 完全相同，在功能上可以视为 CC3200 的子集。为简明起见，在以下关于 CC3200 和 CC3100 电路板设计的阐述中，将只按 CC3200 的设计来说明，所有内容同样适用于 CC3100。 2. 电源部分的设计 2.1 芯片内部 DC-DC CC3200 的电源管理子系统包含三个直流电压变换器(DC-DC)，分别为给数字部分电路供电 的 Digital DC-DC，给模拟部分电路供电的 ANA1 DC-DC, 给射频部分 PA 供电的 PA DC-DC。 CC3200 常用的供电模式是 2.1V 至 3.6V 的宽电压供电，电压源输入到芯片内部的三个 DCDC，三个 DC-DC 进行电压变换后分别给芯片内部的数字、模拟、和射频模块供电。低功耗 Wi-Fi 智能设备经常是用两节 1.5V 的 AA 或 AAA 干电池串联供电，或者是把板上 5V 转成 3.3V 后供电，所以宽电压供电模式适用于普遍的应用场景。 在电池直接供电模式下, 三个内部的 DC-DC 的开关噪声很大，这个时候电源部分的布板设 计对 Wi-Fi 射频性能至关重要。在 1.85V 稳压源供电模式下，芯片内部的 DC-DC 不工作， 这种情况下也就没有开关噪声。这种情况下 Wi-Fi 射频性能对电源部分的布板设计相对不 敏感。 图 1 为 CC3200 3.3V Vbat 输入 VIN_DCDC_PA (Pin 39) 上示波器测量出的电压纹波，电压波 动幅度达到 600 mV。对应于 CC3200 由 Radio Tool 控制数据包连续发送(TxMode, Packetized)。图 2 为该状态下 VIN_DCDC_ANA (Pin 37) 上的电压波形，电压波动幅度达 200 mV。图 3 为 VIN_DCDC_DIG (44 脚) 上的电压波形，电压波动幅度也达 200mV。

图 1: CC3200 发送状态下 3.3VVbat 输入 VIN_DCDC_PA (Pin 39)电压波形。

图 2: CC3200 发送状态下 3.3V Vbat 输入 VIN_DCDC_ANA (Pin 39)电压波形。图 3: CC3200 发送状态下 3.3V Vbat 输入 VIN_DCDC_DIG (Pin 44) 电压波形 这三路电源输入上的噪声若不能恰当处理，对芯片性能影响很大。所以在 CC3200 的布板 设计中，对电源的走线，去耦电容，地平面和走线的设计都有一定的要求。 2.2 VbatDC-DC 输入电容 以 TI CC3200 Launchpad 为例，3.3V Vbat 输入管脚如下图。VIN_IO1 和 VIN_IO2 这两路为 IO 供电，电流很小1, 噪声的影响也小。在布板设计中，如图 5 所示，将去耦电容 C29, C39 尽 量靠近对应电源输入管脚，去耦电容的接地脚通过过孔连接到主地层。

图 4: CC3200 LaunchPad Vbat 输入电源部分原理图2 如果通过走线或表层覆铜连接到表层地，因为这样的高频噪声电流的回路不易控制。布板 要求电源部分表层不铺地铜。图 5: CC3200 LaunchPad Pin 10 VIN_IO1 的去耦电容的接地处理 如之前图 1、2、3 所示，由 Vbat, 输入电容，和芯片内部对应的 DC-DC 的地形成电流回路 环路上有大量的高频开关电流，生成交变磁场辐射。交变磁场辐射是板上噪声的主要根源。 DC-DC 工作时给开关地注入开关电流，产生的交变磁场感生电压降，会导致接地反弹。为 了抑制磁场辐射，减小地反弹，就需要把高频开关电流回路最小化，同时把它们接地走线 从主地平面隔离出来。同时接地走线等效为电感，对高频噪声也有一定的抑制作用。 如图 6 旨在说明 VIN_DCDC_ANA，VIN_DCDC_PA, VIN_DCDC_DIG 三路 Vbat 输入的三个去耦 电容 C40, C38, C33 的摆放、电源和接地走线的处理方式。可以看到，三个电容的接地是通

过过孔，在第二层主地层走回 CC3200 芯片下面，再通过过孔连回芯片中间的地焊盘。在 表层 DC 电流输入走线和第二层接地走线上下重合，使得开关电流环路面积最小。 图 6 右特别说明第二层接地走线跟主地平面的隔离。这里需要特别注意的是电容端接地过 孔的处理。因为为了降低 4 层 PCB 板的成本，一般只使用通孔，而不会采用 1 到 2 层盲孔。 这就造成一种情况，在布板后期覆铜环节，将输入电容的接地过孔在第 3 层或底层连接到 地铜。这种情况下最小化和隔离开关电流环路的目的就可能落空了，因为这个时候电流噪 声和开关电流可能串到可能阻抗更低第三层和底层地去。所以在布板铺铜过程中需要细致 处理，避免出现这样的情况，一种推荐的简单处理方法是在布板过程中，在第三层和底层 的需要隔离的过孔周围画出铺铜禁区。图 6: CC3200 LaunchPad Vbat 输入电路的布板处理; 左图：表层和第二层(主地层)显示；右 图：第二层显示。 图 7 显示出 TI 参考设计板 CC3200 LaunchPad 输入电容接地过孔(黄圈圈出)在底层与地平面 的连接。在最上方的过孔对应的是 VIN_DCDC_DIG, 由于这一路电流较小，所以没有做隔离， 直接连接到底层地平面。而另外两个接地过孔，在底层连接到了两块很小的孤铜，这样跟 画定覆铜禁区隔离的效果相同。

图 7: CC3200 LaunchPad Vbat 输入电容接地过孔在底层的地连接 2.3 电源部分地的处理 由于在布板设计中的不同情形，不易完全照搬参考设计的布板，走线，打孔等所有细节， 所以本小节进一步阐述电源部分地的处理。 首先，表层电源部分不铺地铜。如前面章节所阐释，电源部分电容接地都是过孔连接到第 二层的主 …… 此处隐藏：3828字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……