מבוא

תכנון לוח מעגלים מודפס (PCB) פריסות לאינטרנט של דברים (IoT) דורש איזון עדין בין שלושה נהלי עדיפות מתחרים: גודל קומפקטי, ביצועים חזקים, וצריכת חשמל מינימלית.IoT בטווח ממוניטורים רפואיים עונדים וחיישנים ביתיים חכמים לעוקבים תעשייתיים ובדיקות קרקע חקלאיות לעמוד בתובנות תעשייתיות נמוכות או בפרוטוקולים סטנדרטיים אחרים, אך האתגר ההנדסת חשמל בבסיסו נשאר זהה עיבוד, רגיש, לעתים קרובות, תקשורת אלחוטית, ופרוטוקולים, עם פרוטוקולים של מערכת הפעלה אלחוטית, ומערכת הפעלה של מערכת אבטחה נמוכה, ומערכת אבטחה נמוכה, עם פרוטוקולים, ומערכת אבטחה נמוכה, אך ורק לאחר זמן קצר יותר, על בסיס של מערכת יחסים אלחוטית, על בסיס של פחות, על בסיס של מערכת יחסים עם פרוטוקולים, על בסיס סנטימטר, על בסיס סוללת אבטחה, על בסיס סוללת חשמל, על בסיס סנטימטר, על בסיס סנטימטר, על פני זמן, על בסיס סוללת אבטחה, על בסיס סוללת אבטחה, או על בסיס קיבולת של מערכת יחסים אלחוטית, על בסיס קיבולת של פחות, על בסיס סוללת אבטחה, על בסיס קיבולת של מערכת יחסים אלחוטית, לעתים קרובות, על בסיס סוללת אבטחה, על בסיס סוללת אבטחה, אך ורק

הצורך בקומפקטיות PCB מניע את miniaturization, אבל הקטנת לוח יכול לגוון את שלמות האות ואת סיבוך ניהול תרמי. מודולים אלחוטיים ביצועים גבוהים דורשים שליטה מונעת זהירה ולהפחית את הציפוי parasitic capacitance. Power דורש מצבי שינה אגרסיביים, רגולטורים ב-IoT נמוך, ו-Satereouting זהיר כדי להפחית הפסדים מנוגדים. מהנדסים חייבים לשלב את כל השיקולים האלה לתוך עיצוב מעשה ידי אדם, אשר עובר משמעת יעילה עבור דגימות כוח, וספקות, על ידי פיתוח יעיל.

דרישות עיצוב עבור PCB

שלושה גורמים מעל אנרכיטיביים מעצבים כל פריסת IoT: גודל פיזי, ביצועים תפעוליים וצריכת אנרגיה.כל גורם אינטראקציה עם האחרים, כך שסחר-offs הם בלתי נמנעים.התתת הבאה חוקרת כל שיקול בעומק.

גודל Constraints

מכשירים IoT חייבים לעתים קרובות להתאים בתוך המתחם קטן, קל משקל, ולא אובססיבי.עבור מוצרים צרכניים כמו תגים חכמים או להקות כושר, PCB עשוי להיות קטן כמו 10 מ"מ × 15 מ"מ חיישנים תעשייתיים יכול להיות מעט גדול יותר אבל עדיין צריך להתאים לתוך ציוד הקיים דיור.

דרישות ביצועים

ביצועים במכשירי IoT כוללים מהירות עיבוד נתונים, טווח אלחוטי, נתונים באמצעותput, ואמינות.מיקרובקר שפועל ב-48 MHz ל-240 MHz חייב לבצע את קושחה ביעילות תוך שמירה על זמני תגובה ⁇ אליים, ביצועים אלחוטיים תלויים באבחון האנטנה, עקבות מבוקרים של נתיבי RF, וקרקע נאותה למזער את דרישות ההצפנה המסכנות, יכול למזער את הרגישות של רדיו על ידי 5B או יותר, באופן ישיר, כלומר, לחץ על פני חיישנים מאובטח, כמו גם על מנת למנוע חיישנים מאובטח, כמו גם על מנת למזער את דרישות אבטחה, כמו גם חיישנים מאובטח של אבטחה, כמו גם חיישנים מאובטחים, כמו גם חיישנים מאובטחים של שעון מחשבתית, כמו גם על פני בטיחותית, כולל חיישנים מאובטח, כולל חיישנים מאובטח, כולל חיישנים מאובטח, כמו גם חיישנים מאובטחים.

ניהול חשמל

כוח הוא המשאב הקריטי ביותר עבור מכשירים רבים של IoT. חיישן מופעל סוללה עשוי להיות צורך לרוץ במשך שנתיים על תא מטבע CR2032. Energy-harvesting עיצובים עשוי לסמוך על תאים סולאריים או אלמנטים אדזואלקטריים המספקים מיקרואטים.כל מיקרו-דג'ר ספירת תדרים דינמיים (צריכת חשמל CD) יש גם שני רכיבים עיקריים: מצב נוכחי במהלך איסוף נתונים או שידור, ושינה נוכחית במהלך תקופות קבועות של מיקרו-ספקן רגיל של מיקרו-ספקית ACER.

אסטרטגיות ל Balancing Size ו- Performance

השגת PCB קומפקטי ללא הקרבה של ביצועים אלחוטיים או אמינות דורש גישה עיצוב מובנה.אסטרטגיות הבאות יכולות לעזור למהנדסים לנווט את ה- Trading-offs.

בחירה ואינטגרציה

מודולים משולבים יכולים להפחית באופן דרמטי את אזור לוח.לדוגמה, מערכת-in-package (SiP) מודולים משלבים מיקרובקר, זיכרון פלאש, RF Transceiver, ואפילו אנטנה מתאימה רשת לחבילה אחת.שימוש במודול כמו NRF9160 SiP החלפת עשרות רכיבים חסומים וסימולציות דיסקרטיות דיגיטליות, כי נתיב RF כבר מותאם אישית, בחירת רכיבי USB עם רכיבי אחסון משולבים, כגון USB2.

PCB Layer Stackup and Impedance Control

Multi-layer PCBs מאפשר קידוד חזק יותר על ידי מתן מטוסים ייעודיים עבור כוח, קרקע וסימנים. לוח רגיל של 4 שכבות IoT משתמש:

  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ,0) ,ב"התחילה (ב"ה) ,"לא מבדילים" (במדבר כ"ד).
  • (ב) ,0) ,Inner Layer 2:FLT:1 Power מטוס עם מטוסים מפוצלים מרובים עבור תחומים שונים של מתח.
  • (ב) ויקרא י"ד: ויקרא י"ד: "וַיֹּאמֶר הָאָרֶץ אֱלֹהִים" (בראשית כ"ד, כ"ד).

עבור מעגלי RF, עקבות של אימפולס מבוקר הם בלתי ניתנים להשגה. השתמש במחשבונים של חומרים כגון FR או גבוה כי חשבון עבור קבוע dielectric קבוע (ראה FLT:0;0) 1 ⁇ FLT 1- 4) של חומרים כגון FR או גבוה לחות גבוהה.com 50 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

טכניקות אופטימיזציה ו-Leleout

חסימה יעילה מפחיתה את גודל הלוח ומשפרת את הביצועים.

  • להציב רכיבים מהירים (מיקרובקר, RF Transceiver, ו-scillators קריסטל) קרובים יחד כדי למזער את אורך העקבות. שמור על עקבות גבישים קצרים ככל האפשר ולשמור אותם עם מטוסים קרקעיים.
  • השתמש בטופולוגיה של כוכב להפצת חשמל: תוואי עקבות עבים או מטוס חשמל מהמרטור המתח לכל עומס גדול, הימנעות מ- daisy-chaining באמצעות שבבים מרובים.
  • חלקים אנלוגיים ודיגיטליים נפרדים על הלוח, משתמשים במטוס קרקע שמפוצל מתחת למעגלים אנלוגיים רגישים במידת הצורך, אך לגשר על הפיצול עם חיבור קרקעי אחד ב- ADC או מפרש.
  • עבור UART, I2C, ואוטובוסים SPI, עקבות לאורך זמן אם מהירות השעון עולה על 10 MHz כדי למנוע את ההפרה של ההתקנה / השהות.
  • להימנע מנפיחות של עקבות מהירות גבוהה מתחת קריסטלים או מחנכים.לעבור את כל האותות על מטוס קרקע מתמשך שבו ניתן.
  • השתמש בטכנולוגיית ה-BGA כדי לחסוך מקום, אך להבטיח את דרכיהם מלאים וכוסים כדי למנוע וויקלינג מכר.

צמצום צריכת החשמל באמצעות ליילוט

יעילות כוח אינה רק דאגה ברמת רכיב; פריסת PCB ממלאת תפקיד חיוני בצמצום הפסולת.הטכניקות הבאות יכולות להפחית משמעותית את צריכת האנרגיה.

בחירה בעלת כוח נמוך

בחר מיקרובקרים המציעים מצבי שינה מרובים, זמני התעוררות מהירים, וכוח פעיל נמוך.לדוגמה, Ambiq אפולו4 מתגאה זרם פעיל של 5 μA / MHz ושינה עמוקה מתחת 1 μA. חיישנים נבחרים שישמשו מצבי חשמל מטה שימוש נמוך מאוד כוח.עבור אלחוטי, מעדיף רדיו עם חובה מ-1.8Cing וחבילה אוטומטית לחפוף כל כך את המיקרוגל אפשרי במקום להפעיל את רכיבי חשמל דינמית במקום נמוך יותר.

ניהול כוח אדריכלות

מעגל ניהול חשמל מעוצב היטב יכול ללטף את צריכת החשמל הכוללת.בודד את האלמנטים הבאים:

  • (FLT:0) ,Efficient DC-DC ממירים: OVAFLT:1) השתמש במגירים של קבצנים עם יעילות מעל 90% בעומסי אור.בחר ממירים עם מודציה הדופק (PFM) עבור יעילות טובה יותר בזרמים נמוכים.The Texas Instruments TPS62740 הוא דוגמה שמושכת רק 360nA quiescent הנוכחי.
  • (FLT:0) מתגי לואד: 1.101 Place p-channel p-channel מתגי טעינה מ-Mospe-FET כדי לנתק את ההפרילנטיות הנוכחיות (למשל, כרטיס SD או מודול מצלמה) כאשר לא בשימוש.
  • (FLT:0)Power sequencing: 1FLT) ודא כי MCU יכול שער כוח לחיישן תת-מחלקה. A GPIO יכול לשלוט מתג עומס כדי להסיר לחלוטין את הכוח ממטר במהלך שינה עמוקה.
  • (FLT:0)Low-leakage bypass capacitors:FLT 1 השתמש X7R או X5R קרמיקה קפצוב עם הטיה מינימלית של DC דה-ראטים כדי להפחית את זרם הדליפה.

על פי נתוני כוח כביש רחב ככל שמרחב הלוח מאפשר.עבור מכשיר מופעל סוללות, את העקבות של מחבר הסוללה הרגולטור הרגולטור צריך להיות לפחות 20 מיליון מים רחב ל 100 מ"א של זרם כדי לשמור על ירידה מתחת 50 מ"ר. להימנע מנפיחות של עקבות כוח ליד האנטנה או אותות מהירים כדי למנוע הפיכה רעש לתוך אספקת החשמל.

תמיכה במצב שינה ב-Leleout

הפריסה של PCB חייבת להקל על מצבי שינה אגרסיביים.לוודא שכל הסיכות הלא בשימוש על המיקרובקר מוגדרות כפלטים המונעים נמוך או כקלטים אנלוגיים עם משיכת פנים מוגבלות.הימנעות מסטיות צף שיכול ליצור נתיבים דליפות.חבר את כל GPIOs אשר מעירים את המכשיר (למשל, הפסק קווים מחיישנים) כדי לעורר סיכות עם טעינה מינימלית משיכה חיצונית רק כאשר יש צורך בסימנים של לחץ חיצוני; משיכה נמוכה יותר; משיכה נמוכה יותר של אבטחה (אוב) או פחות זמן קצר יותר זמן קצר יותר) כדי למנוע את הדליפה (אובטווח קצר יותר) כדי למנוע את הדליפה) כדי למנוע את הדליפה (או פחות) כדי למנוע את הדליפה) כדי למנוע את קווי הגנה) כדי למנוע מטווח קצר יותר זמן קצר יותר זמן קצר יותר מאשר לחץ חיצוני).

אותות ערך ושיקולים EMI

בעיות של יושרה אותות במכשירי IoT מתבטאות לעתים קרובות כ-WiFitense, שחיתות נתונים, או מיפוי לסירוגין, טכניקות פריסה נכונה למנוע בעיות אלה מבלי להוסיף רוב.

נתיבי החזרה והחזרה

מטוס קרקע מוצק הוא הדרך היעילה ביותר לשלוט ב-EMI. ודא שלכל סימן יש נתיב החזרה קרקעי רציף ישירות מתחתיו. להימנע ממזלטים או פיצולים במטוס הקרקע, במיוחד תחת עקבות מהירות גבוהה.אם פיצול הוא בלתי נמנע (למשל, לבודד קרקע אנלוגית), להציב גשר באמצעות אפס-אומ מתנגדים או טכסים בשלב המעבר.

קידוד ופילטר

מקום decoupling capacitors קרוב ככל האפשר לכל סיכה של כל IC. להשתמש שילוב של 0.1 μF ו 1 μF capacitors במקביל לפיזור פס רחב.חבר את הציפוי ישירות ללוח הכוח של IC באמצעות סימנים קצרים, רחבים אז מיד אל הקרקע דרך.עבור מעגלים רגישים, כוללים fer להיותads עם עקבות כוח כדי למנוע סינון נמוך כדי למנוע פילטרים.

אינטגרציה

תוך אנטנה אלחוטית על PCB קטן מאתגר.עבור Bluetooth Low Energy (2.4 GHz) או LoRa (868/915 MHz), השתמש באנטנה שבב קומפקטית או אנטנה קו meander-line מודפס. Leave theאנטנה האזור ברור של מטוסים קרקעיים ורכיבי מתכת על כל השכבות.עקב אחר קווי הפריסה של היצרן עבור אזורי שמירה.אם אנטנה מובנה אינו אפשרי, השתמש ב- UFL עבור קישור מהיר של לוח זמנים (C) כדי להתאים בקפידה ל-Clantnapic Place) כדי להתאים את ה-Clantnapic Place ל-Cretnapiclecaster (אם מתאים מאוד ל-Cretnap) כדי להתאים את ה-Clantnapic Place) כדי להתאים את ה-Cretnaphin קרוב ל-Cretantcasteric Place ל-C.

ניהול עשיר בעיצובים של IoT קומפקטי

גורמים קטנים של צורה לעשות את הפחתת חום קשה.בעוד מכשירים IoT לעתים רחוקות מתפזרים רבים וואט, כתמים חמים מקומיים עדיין יכולים לפגוע חיי סוללה, דיוק חיישן, ואמינות רכיב.

מקורות חום ודרכים

מקורות החום העיקריים במכשיר IoT הם המעבד (במיוחד במהלך שידור רדיו), המגבר הכוח במודול RF, וכל הרגולטורים ליניאריים. A ליניארית פולטת 3.3 V ל-1.8 V ב 50 mA מתפזר 75 מ"ו - בינוני אך מרוכז בחבילה זעירה SOT-23. השתמש תרמי באמצעות רכיבים חמים כדי לנהל חום לקרקע, אשר פועל כמו תנור חום, עבור תאים קומפקטיים רבים יותר טוב יותר.

טכניקות לבישול

  • מיקום רכיבי כוח-hungry (למשל, מודולים סלולריים) ליד קצה הלוח שבו האוויר יכול לזרום מעליהם.אל תקיף אותם במגן יכול ללא כריות תרמיות.
  • להימנע הצבת חיישנים אנלוגיים רגישים חום ליד הרגולטורים החמים או מגברי כוח RF. חיישן טמפרטורה יכול לתת קריאה שגויה אם נחושת PCB שלו מחומם על ידי רכיבים סמוכים.
  • השתמש חבילות פיקסלים ל-MosFETs ו-Strreger the Str הנחשף ישירות לאזור נחושת על ה- PCB ולחבר אותו עם רבים דרך מטוסים פנימיים.
  • עבור עיצובים עם סוללה, תוואי חוטי הסוללה הרחק מאזורים חמים כדי למנוע הזדקנות מואצת.

עיצוב ייצור (DFM) ובדיקת אחריות

עיצוב שלא ניתן לייצר או לבדוק הוא חסר תועלת. PCB, עם תכונות קטנות שלהם ואת מיקום רכיב צפוף, דורש DFM זהיר כדי להבטיח תשואה גבוהה.

מינימום סובלנות ואסיפה

עבודה עם בית ההרכבה שלך מוקדם להבין את היכולות שלהם עבור רוחב עקבות קטן, ניקוי, באמצעות גודל, ו המגרש. כללי DFM נפוצים עבור PCBs כוללים:

  • רוחב של עקבות מינימליים / מרחב: 5 mils (0.127 מ"מ) עבור שכבות חיצוניות, 4 mils עבור שכבות פנימיות.
  • מינימום באמצעות גודל: 10 mils סיימו את קו החור עם קוטר של 16 מילימטר.
  • שמור על רכיבים לפחות 5 מילימטרים מ-Cennel Edges.
  • הוסף סימני fiducial עבור היערכות של איסוף ומיקום, במיוחד עבור קנסות BGAs.

השתמש כריות מוגדרות במסכה עבור רכיבים בסדר גודל כדי למנוע ממכר גירוד. להימנע הצבת דרך קרוב מדי למשטחים; לשמור על דרישות טבעת annular. Panelize את ה- PCB עם חורים כלי וכרטיסיות פורצות.

בדיקות ואפקטים של וויכוח

לוחות קומפקטיים יוצאים מעט מקום עבור נקודות מבחן, אבל אתה עדיין צריך גישה לתכנות, פענוח, ומבחן סופי. השתמש ראשי תכנות pogo-pin תופסת רק כמה כריות. Include a UART או SWD לחבר קושחה debugging במהלך הפיתוח, גם אם זה deפופulated בייצור. הוסף בדיקות באמצעות מפלט נחושת קטן (לא מוכר) עבור מתח רכבת גם עבור בדיקת שטח (G) עבור בדיקת שטח חזק מאוד.

שיקולים של אישור Wireless

כדי להשיג את הסמכה FCC או CE, הפריסה של PCB חייב להיות reproducible. השתמש עקבות בלתי מאולתרים מבוקר, מטוסים קרקעיים עקביים, ומיקום רכיב זהה. לשמור את סעיף RF כמבודד ככל האפשר מעיגולים אחרים.הוספת הוראות עבור fer beads, נפוץ-mode ננקח, ומסנן כי ייתכן נדרש לאחר בדיקות קרינה ראשונית.

מסקנה

עיצוב פריסות PCB עבור מכשירי IoT הוא אתגר רב תחומי הדורש פרספקטיבה ברמה מערכות.על ידי איזון גודל, ביצועים וצריכת חשמל באמצעות בחירה זו של רכיב זהיר, תכנון ערימה, משמעת חתירה, אדריכלות ניהול חשמל, מהנדסים יכולים ליצור מוצרים אמינים, ארוך טווח ארוך טווח יישום מפורטת של ביצועים קבועים, כולל: לפני התאמה מודולים משולבים כדי להפחית את ספירת הרכיב; להשתמש ארבע שכבות יקרות עם קרקע רציפה עבור מטוסים; החלמות RF; החליקטיבית כוח; החלת יעיל; החלת ביצועים יעיל, החלת יעיל, החלת ביצועים יעילה ואפקטים יעיל עבור פונקציות יעילה ואפקטים יעיל עבור פונקציות יעילה עבור פונקציות טיפול יעיל.

לקריאה נוספת על עיצוב PCB כוח נמוך, מתייחס להודעה של טקסס מכשירים (FLT:0) עיצוב מכשירים אלקטרוניים של Low-Power IoT "(ראה FLT:1 עבור הנחיות פריסת RF, ראה הוראות אנליסטים של התקנים של Analog:2"PCB Layout Guidelines for RF Circuits" (FLT 3: for תרמי ניהול ב- PCB קטן, LTFalrated Institute's) של מכון LTFalm, 7.