ESP32 BLE 가이드: 칩 선택과 PCB 설계

대부분의 ESP32 칩은 저전력 블루투스(BLE)를 지원합니다. 예외는 ESP32-S2와 ESP32-P4입니다.

프로젝트에 필요한 블루투스 기능에 따라 칩을 선택하십시오. 초기형 ESP32는 블루투스 클래식을 지원하고, ESP32-S3, ESP32-C 계열, ESP32-H2 등 최신 모델은 블루투스 5 기능을 제공합니다. 코딩 PHY로 통신 거리를 늘리려면 선택한 칩이 이 기능을 지원하는지 확인하십시오.

PCB를 설계할 때는 칩 선택 외에도 네 가지를 검토해야 합니다. 모듈과 단품 칩 중 어떤 형태를 사용할지, 안테나를 어디에 배치할지, 절전 클록에 어떤 요건이 있는지, 블루투스 제품 인증을 어떻게 진행할지입니다.

이 가이드에서 다루는 내용은 다음과 같습니다.

• BLE를 지원하는 ESP32 칩과 제품에 맞는 모델 선택
• ESP32 BLE의 동작과 와이파이·BLE 간 무선 회로 공유 방식
• PCB에서 ESP32 BLE의 소비 전력을 낮추고 통신 거리를 확보하는 방법
• 제품 판매 전에 필요한 블루투스 제품 인증

그림: ESP32 제품군의 BLE 지원 기능 비교.

BLE를 지원하는 ESP32 칩

초기형 ESP32, ESP32-S3, ESP32-C2, ESP32-C3, ESP32-C5, ESP32-C6, ESP32-C61, ESP32-H2는 BLE를 지원합니다. ESP32-S2는 와이파이만 지원하며, ESP32-P4에는 무선 회로가 없습니다.

다음 표는 에스프레시프의 공식 ESP-IDF 문서를 바탕으로 주요 무선 기능을 비교한 것입니다. 2M PHY는 표준 1M PHY의 처리량을 두 배로 높이고, 코딩 PHY는 데이터 전송률을 낮춰 통신 거리를 늘립니다.

BLE 제품에 맞는 ESP32 선택 기준

프로젝트에서 반드시 필요한 기능을 기준으로 ESP32 모델을 선택하십시오. 블루투스 클래식, 장거리 통신, 와이파이 통합, IEEE 802.15.4(스레드·지그비), 다수의 동시 연결 중 무엇이 필요한지 먼저 정하십시오.

다음 표에서 요구 사항에 맞는 칩을 확인할 수 있습니다.

• ESP32: BLE 서버로 동작할 때 클라이언트를 최대 아홉 개 연결할 수 있습니다. 안정적인 연결을 위해서는 세 개를 권장합니다.
• ESP32-C3: 센트럴과 주변 장치 역할의 연결을 합쳐 최대 여덟 개까지 지원합니다.

많이 쓰이는 두 모델을 비교하려면 ESP32-C3와 ESP32-S3 비교를 참고하십시오.

선택 기준: 제품에 블루투스 클래식이 필요하면 초기형 ESP32를 사용하십시오. 블루투스 5 기능이 필요하면 해당 기능을 지원하는 최신 칩을 선택하십시오.

ESP32 BLE 모듈과 칩 직접 실장 비교

RF 설계 전문 인력이 있고 생산량이 많아 맞춤형 칩 직접 실장 설계가 적합한 경우를 제외하면, 사전 인증된 모듈을 선택하십시오.

모듈에는 RF 정합 회로, 안테나 또는 안테나 커넥터, 플래시, 주 수정 진동자가 들어 있습니다.

그림: ESP32 BLE 모듈과 ESP32 칩 직접 실장 설계의 비교.

에스프레시프는 모듈의 RF 회로를 조정하고 모듈에 대한 RF 인증을 받습니다. 칩을 직접 실장할 때는 ESP32 단품을 자체 기판에 올리고 RF 회로를 직접 설계합니다.

ESP32 BLE 동작 원리: 역할, GATT, 호스트 스택

연결을 받을 수 있는 ESP32 BLE 장치는 광고 패킷을 송신하고, 연결 요청을 수락한 뒤 일반 속성 프로파일(GATT)을 통해 구조화된 데이터를 교환합니다. 일반 접근 프로파일(GAP)은 장치 검색과 연결에서 각 장치가 맡는 역할을 정의합니다.

그림: 주변 장치를 예로 든 ESP32 BLE의 역할.

ESP32 BLE의 역할: 주변 장치, 센트럴, 브로드캐스터, 옵저버

ESP32는 여러 역할을 동시에 맡을 수 있습니다. 게이트웨이가 센서에 대해서는 센트럴로, 스마트폰에 대해서는 주변 장치로 동작하는 경우가 그 예입니다.

ESP-NimBLE과 ESP-Bluedroid 비교: 호스트 스택 선택

에스프레시프의 사물인터넷 개발 프레임워크인 ESP-IDF는 칩의 블루투스 컨트롤러 위에서 동작하는 블루투스 호스트 스택 두 가지를 제공합니다.

• ESP-NimBLE을 사용하는 경우: BLE 전용 제품에 적합합니다. 에스프레시프에 따르면 ESP-Bluedroid보다 힙과 플래시를 적게 사용합니다.
• ESP-Bluedroid를 사용하는 경우: 초기형 ESP32를 사용하고 블루투스 클래식도 필요한 제품에 적합합니다.

ESP32에서 와이파이와 BLE를 함께 쓰는 방식

시분할 다중화를 사용하면 두 기능을 함께 쓸 수 있습니다. ESP32는 2.4 GHz 무선 회로 하나를 공유하므로 와이파이와 BLE가 번갈아 사용합니다. 한쪽에서 무선 회로를 사용하는 동안 다른 쪽은 송수신할 수 없습니다.

그림: 무선 회로 하나를 시간 단위로 나눠 쓰는 ESP32의 와이파이·BLE 공존 타임라인.

공존 제어 모듈은 무선 회로를 사용할 기능의 우선순위와 시간 구간을 정합니다. 와이파이와 BLE가 모두 연결된 상태에서는 각 기능이 공존 주기의 50%씩을 사용합니다. 이 주기는 액세스 포인트의 비콘 시점에 시작되며 100 ms보다 깁니다.

와이파이 모드별 ESP32 와이파이·BLE 공존

에스프레시프는 ESP32와 ESP32-C3의 각 조합을 다음과 같이 평가합니다.

공존에 따른 성능 변화: 와이파이가 무선 회로를 사용하는 동안 BLE 트래픽은 대기합니다. 두 기능의 사용량이 많으면 BLE 처리량이 줄고 스캔 결과가 누락될 수 있습니다.

ESP32 BLE의 소비 전력

ESP32 BLE의 소비 전력은 주로 광고 간격과 연결 간격에 따른 무선 회로의 듀티 사이클, 그리고 이벤트 사이에 저전력 절전 모드를 사용하는지에 따라 달라집니다.

• 광고 간격: 20 ms에서 10.24 s까지 0.625 ms 단위로 설정합니다. 간격을 늘리면 소비 전력이 줄고 장치를 발견하는 데 더 오래 걸립니다.
• 연결 간격: 7.5 ms에서 4.0 s까지 1.25 ms 단위로 설정합니다. 장치는 연결 이벤트 사이에 절전 모드로 들어갈 수 있습니다.
• 주변 장치 지연: 주변 장치가 보낼 데이터가 없을 때 연결 이벤트를 건너뛸 수 있습니다.

에스프레시프의 FAQ에 따르면 초기형 ESP32가 40 ms마다 광고할 때 평균 전류는 42.67 mA입니다. 연결 간격이 80 ms일 때는 평균 35.33 mA, 피크 142.1 mA입니다. 이 측정의 최솟값은 32 mA로, 칩이 무선 이벤트 사이에도 깨어 있었음을 보여 줍니다. 이벤트 사이에 라이트 슬립을 사용하면 평균 전류를 낮출 수 있습니다.

그림: 각 주기의 무선 이벤트를 보여 주는 ESP32 BLE 전류 파형.

32.768 kHz 수정 진동자를 활용한 ESP32 BLE 절전 전류 절감

라이트 슬립에서 BLE 연결을 유지하면서 전류를 최소화하려면 외부 32.768 kHz 수정 진동자를 추가하십시오. 블루투스 규격은 절전 클록의 오차가 500 ppm(백만분율) 이내일 것을 요구합니다.

이 값은 전원 관리 기능을 활성화한 에스프레시프의 ESP-IDF BLE 절전 예제에서 제시한 대표값입니다.

절전 클록을 선택할 때는 다음 네 가지를 고려하십시오.

• 초기형 ESP32: 주 수정 진동자로 BLE 모뎀 슬립을 사용할 수 있습니다. 라이트 슬립 중에도 BLE를 유지하려면 외부 수정 진동자가 필요합니다.
• 내부 RC 발진기: ESP32-C3의 136 kHz RC 발진기는 일반적으로 BLE에 필요한 정확도가 부족합니다. 에스프레시프는 이 발진기가 레거시 광고나 스캔에만 적합하며 연결을 지원하지 않는다고 안내합니다.
• 감지: 수정 진동자를 실장했더라도 저전력 블루투스 초기화 중에 감지되지 않으면 ESP-IDF가 주 수정 진동자로 전환하므로 라이트 슬립 전류가 늘어납니다.
• 풋프린트: 에스프레시프의 ESP32-C3-MINI-1 주변 회로도에는 필요할 때 추가할 수 있도록 32.768 kHz 수정 진동자용 풋프린트가 미실장으로 표시되어 있습니다.

ESP32 BLE 통신 거리와 안테나 배치

실제 ESP32 BLE 통신 거리는 선택한 PHY, 송신 출력 설정, 안테나 배치, 사용 환경에 따라 달라집니다.

초기형 ESP32의 BLE 송신 출력은 −12 dBm에서 +9 dBm까지 3 dBm 간격으로 여덟 단계입니다. 출력 범위는 칩마다 다릅니다.

PCB의 ESP32 BLE 안테나 배치

와이파이와 BLE를 모두 지원하는 ESP32 모듈에서는 두 기능이 안테나 하나를 공유합니다. 안테나 배치가 두 기능의 통신 거리에 모두 영향을 줍니다.

• 기판 가장자리: 모듈의 PCB 안테나를 기판 모서리에 배치하고, 가능하면 가장자리 밖으로 나오도록 두십시오.
• 안테나 이격 영역: 모든 층에서 안테나 아래에 동박, 배선, 부품을 두지 마십시오. 해당 부분의 기판을 잘라내는 방법도 있습니다.
• 외함: 안테나 주변에 금속을 두지 마십시오. 또는 외부 안테나 커넥터가 있는 모듈을 사용하십시오.

제이엘씨피씨비의 ESP32 BLE PCB 조립

제이엘씨피씨비는 표면 실장 조립을 지원합니다. 최소 IC 핀 피치는 표준 PCBA에서 0.35 mm, 경제형 PCBA에서 0.40 mm입니다. 쿼드 플랫 무리드(QFN)와 랜드 그리드 배열(LGA)처럼 납땜 접합부가 패키지 아래에 있는 부품에는 필수 품질 관리 절차로 엑스선 검사를 실시합니다.

이는 QFN 패키지의 ESP32 단품 칩과 LGA 형태의 모듈에 적용됩니다. 부품 명세서를 확정하기 전에 제이엘씨피씨비 부품 라이브러리에서 ESP32 모듈과 32.768 kHz 수정 진동자의 재고 및 패키지 정보를 확인하십시오.

정리

대부분의 ESP32 칩은 저전력 블루투스(BLE)를 지원합니다. ESP32-S2와 ESP32-P4는 예외입니다. 초기형 ESP32는 블루투스 클래식도 지원하며, ESP32-S3, ESP32-C 계열, ESP32-H2 등 최신 칩은 블루투스 5 기능을 제공합니다. 코딩 PHY 같은 개별 기능의 지원 여부는 칩마다 다릅니다.

프로젝트에 필요한 기능을 갖춘 ESP32를 선택하십시오. PCB 레이아웃을 시작하기 전에 사용할 모듈, 안테나 배치, 절전 클록을 정하고, 제품을 판매하기 전에 필요한 블루투스 제품 인증을 완료하십시오. 이런 결정을 설계 초기에 내리면 문제를 줄이고 통신 거리와 배터리 사용 시간을 늘리는 데 도움이 됩니다.

설계가 완료되면 제이엘씨피씨비에 파일을 업로드해 즉시 견적을 받아보십시오.

ESP32 BLE 관련 자주 묻는 질문

ESP32-S2는 블루투스를 지원하나요?

아니요. ESP32-S2는 와이파이만 지원하고 ESP32-P4에는 무선 회로가 없습니다. 초기형 ESP32, ESP32-S3, ESP32-C 계열, ESP32-H2는 저전력 블루투스를 지원합니다.

초기형 ESP32는 블루투스 5 장치인가요?

저전력 블루투스 5.0 인증을 받았지만, 에스프레시프에 따르면 초기형 하드웨어는 저전력 블루투스 4.2 기능까지만 지원합니다. 2M PHY나 코딩 PHY가 필요하면 이를 지원하는 최신 ESP32 칩을 선택하십시오.

ESP32 모듈을 사용해도 블루투스 제품 인증이 필요한가요?

네. 모듈에 이미 등록된 블루투스 설계를 참조하면 시험 절차를 생략할 수 있습니다. 다만 회사는 자체 블루투스 SIG 회원 자격으로 완제품 인증을 진행해야 합니다.

ESP32 BLE에는 32.768 kHz 수정 진동자가 필요한가요?

라이트 슬립 중 BLE 연결을 유지하면서 소비 전류를 줄일 때 사용합니다. 초기형 ESP32는 라이트 슬립 중 BLE를 유지하려면 이 외부 수정 진동자가 필요합니다. 최신 칩은 주 수정 진동자로도 BLE를 유지할 수 있지만 절전 전류가 더 높습니다.