Разработка Pcb-планировок для изотопов: балансировка размера, производительности и энергопотребления

Введение

Проектирование макетов печатных плат (PCB) для устройств Интернета вещей (IoT) требует тонкого баланса между тремя конкурирующими приоритетами: компактный размер, надежная производительность и минимальное потребление энергии. Устройства IoT варьируются от носимых мониторов здоровья и датчиков умного дома до промышленных мониторов активов и сельскохозяйственных зондов. Каждое приложение накладывает уникальные ограничения, но основная задача электротехники остается прежней. Инженеры должны упаковывать обработку, зондирование, беспроводную связь и управление мощностью в след, который часто измеряет всего несколько квадратных сантиметров. В то же время устройство должно надежно обрабатывать данные, общаться по Bluetooth Low Energy, Wi-Fi, LoRaWAN или другим протоколам и работать в течение нескольких месяцев или лет на небольшой батарее или собранной энергии. Эта статья предоставляет подробные стратегии для оптимизации макетов печатных плат для удовлетворения этих противоречивых требований, опираясь на передовые методы отрасли и понимание уровня компонентов.

Потребность в компактности приводит к миниатюризации, но сокращение платы может ухудшить целостность сигнала и усложнить управление тепловыми потоками. Высокопроизводительные беспроводные модули требуют тщательного управления импедансом и минимизированной паразитной емкостью. КПД требует агрессивных режимов сна, регуляторов с низким уровнем выпадения и тщательной маршрутизации для снижения резистивных потерь. Инженеры должны интегрировать все эти соображения в технологическую конструкцию, которая проходит сертификацию на беспроводные выбросы и безопасность. Понимая основы выбора компонентов, стекания слоев, дисциплины маршрутизации и архитектуры питания, дизайнеры могут достичь успешной компоновки IoT PCB.

Ключевые соображения дизайна для IoT PCB

Три основных фактора формируют каждый макет ПХБ IoT: физический размер, операционная производительность и потребление энергии. Каждый фактор взаимодействует с другими, поэтому компромиссы неизбежны. Следующие подразделы подробно исследуют каждое соображение.

Ограничения по размеру

Устройства IoT часто должны помещаться внутри корпусов, которые являются небольшими, легкими и ненавязчивыми. Для потребительских товаров, таких как умные теги или фитнес-диапазоны, ПХД может быть размером 10 мм × 15 мм. Промышленные датчики могут быть немного больше, но все же должны помещаться в существующие корпуса оборудования. Миниатюризация может снизить материальные затраты, улучшить переносимость и включить новые форм-факторы. Однако сокращение ПХД приводит к более плотному интервалу компонентов, более тонким следам и более высокому количеству слоев. Каждое сокращение площади платы увеличивает риск электромагнитных помех (EMI), перекрестных помех и тепловых горячих точек. Инженеры должны решить, использовать ли два, четыре или шесть слоев. Четырехслойные платы с выделенной мощностью и наземными плоскостями являются общими для конструкций IoT, поскольку они обеспечивают хорошую целостность сигнала, оставаясь экономически эффективными. Использование меньших пассивных компонентов (0201 или даже 01005 пакетов) экономит пространство, но требует точной пайки и проверки. Пакеты шаровых сетей (BGA

Требования к производительности

Производительность в устройствах IoT включает скорость обработки данных, беспроводной диапазон, пропускную способность и надежность. Микроконтроллер, работающий на частоте от 48 МГц до 240 МГц, должен эффективно выполнять прошивку при сохранении детерминированного времени отклика. Беспроводная производительность зависит от согласования антенн, контролируемых импедансом следов для радиочастотных путей и правильного заземления для минимизации шума. Плохая компоновка ПХБ может ухудшить чувствительность приемника радиоприемника на 5 дБ или более, непосредственно уменьшая диапазон связи. Кроме того, датчики, такие как акселерометры, датчики температуры или датчики изображения, требуют чистых аналоговых следов, изолированных от цифрового коммутационного шума. Производительность также включает в себя возможность поддержки обновлений прошивки по воздуху, безопасного шифрования и точности часов в реальном времени. Все эти требования предъявляют требования к маршрутизации ПХБ, которая должна быть сбалансирована с целями размера и мощности.

Управление энергопотреблением

Мощность является наиболее важным ресурсом для многих устройств IoT. Узел датчика с батарейным питанием может работать в течение двух лет на ячейке монеты CR2032. Энергосборные конструкции могут полагаться на солнечные элементы или пьезоэлектрические элементы, которые доставляют микроватты. Каждое микроамперное потребление энергии имеет два основных компонента: ток активного режима во время сбора или передачи данных и ток спящего режима в периоды простоя. Типичный микроконтроллер IoT может рисовать 10 мА в активном режиме, но только 1 мкА в глубоком сне. Макет ПХБ напрямую влияет на потребление энергии через сопротивление трассе, пути утечки, эффективность регулятора напряжения и способность отключать энергетические домены. Низкая мощность требует выбора компонентов с низким покоящим током, используя эффективные преобразователи постоянного тока вместо линейных регуляторов для высокоточных нагрузок и маршрутизации силовых следов достаточно широка, чтобы минимизировать ИК-падения. Макет также должен поддерживать динамическое напряжение и частотное масштабирование (DVFS), если микроконтроллер обеспечивает эту способность.

Стратегии для балансировки размера и производительности

Достижение компактной ПХД без ущерба для беспроводной производительности или надежности требует структурированного подхода к проектированию. Следующие стратегии могут помочь инженерам ориентироваться в компромиссах.

Выбор и интеграция компонентов

Интегрированные модули могут резко уменьшить площадь платы. Например, модули «система в упаковке» (SiP) объединяют в единый пакет микроконтроллер, флэш-память, радиочастотный приемопередатчик и даже сеть согласования антенн. Использование модуля, подобного Nordic nRF9160 SiP, заменяет десятки дискретных компонентов и упрощает компоновку, поскольку радиочастотный путь уже оптимизирован внутренне. Аналогично, выбор микроконтроллера со встроенным USB, зарядным устройством и управлением питанием уменьшает внешние компоненты. Когда дискретные компоненты неизбежны, выберите наименьшие пассивные пакеты, которые ваш партнер по сборке может надежно разместить. Используйте двойные или четырехсторонние операционные усилители и датчики, которые включают цифровые интерфейсы (I2C или SPI) для уменьшения сложности аналоговой маршрутизации. Также рассмотрите возможность использования программируемых смешанных сигнальных массивов, таких как Cypress PSoC, для консолидации аналоговых и цифровых функций.

PCB Layer Stackup и Impedance Control

Многослойные ПХД обеспечивают более узкую маршрутизацию, предоставляя выделенные плоскости для питания, земли и сигналов. Типичная четырехслойная доска IoT использует:

Для радиочастотных схем контролируемые импедансные следы не подлежат обсуждению. Используйте импедансные калькуляторы, которые учитывают диэлектрическую постоянную (]ε r ) таких материалов, как FR-4 или высокочастотные ламинаты. Целевые 50 Ω одноконцевое импеданс для линий подачи антенн и 100 Ω дифференциальное импеданс для USB или Ethernet. Держите радиочастотные следы как можно короче и избегайте пропусков в радиочастотном пути, когда это возможно. Если пропуски неизбежны, используйте микровиас или обратное бурение, чтобы минимизировать эффекты заглушки. Поместите наземные швы рядом с радиочастотными следами, чтобы обеспечить обратный путь с низкой индуктивностью.

Оптимизация маршрутизации и методы планировки

Эффективная маршрутизация уменьшает размер платы и улучшает производительность. Следуйте этим рекомендациям:

Снижение потребления электроэнергии за счет конфигурирования ПХД

Эффективность использования энергии не является исключительно проблемой на уровне компонентов; расположение ПХД играет жизненно важную роль в минимизации отходов. Следующие методы могут значительно снизить потребление энергии.

Выбор низкомощных компонентов

Выберите микроконтроллеры, которые предлагают несколько режимов сна, быстрое время пробуждения и низкую активную мощность. Например, Ambiq Apollo4 может похвастаться активным током 5 мкА/МГц и глубоким сном током менее 1 мкА. Выберите датчики, которые имеют интегрированные режимы отключения питания и используют очень низкую мощность в режиме ожидания. Для беспроводной связи предпочитают радиоприемники с дежурным циклом и автоматической буферизацией пакетов, чтобы микроконтроллер мог спать во время радиопередачи. По возможности используйте компоненты, которые работают при более низких напряжениях питания (1,8 В вместо 3,3 В), чтобы уменьшить динамическое потребление энергии.

Архитектура цепи управления питанием

Хорошо спроектированная схема управления питанием может вдвое снизить общее энергопотребление. Включите следующие элементы:

Для устройства с питанием от батареи, след от разъема батареи к регулятору должен быть не менее 20 милли в ширину на 100 мА тока, чтобы держать падение напряжения ниже 50 мВ. Избегайте маршрутизации силовых следов вблизи антенны или высокоскоростных сигналов, чтобы предотвратить шум соединения в источник питания.

Поддержка режима сна в макете

Макет ПХБ должен облегчать агрессивные режимы сна. Убедитесь, что все неиспользуемые штифты на микроконтроллере сконфигурированы как выходы, приводимые в движение низкими или как аналоговые входы с отключенными внутренними тяговыми резисторами. Избегайте плавающих штифтов, которые могут создавать пути утечки. Подключите все GPIO, которые буксируют устройство (например, линии прерывания от датчиков) к выделенным штифтам пробуждения с минимальной нагрузкой. Используйте внешние тяговые резисторы только при необходимости; внутренние тяги потребляют меньше места на плате, но могут иметь более высокое сопротивление и большую утечку. Для маломощных часов реального времени (RTC) тщательно направляйте кристаллические следы 32,768 кГц: держите их короткими, экранируйте их наземными плоскостями и избегайте маршрутизации цифровых сигналов под ними. RTC часто работает непрерывно даже во время сна, поэтому его кристаллический осциллятор не должен страдать от впрыска шума, который может вызвать ложные триггеры или увеличение потребления тока

Целостность сигналов и соображения EMI

Проблемы целостности сигналов в устройствах IoT часто проявляются как беспроводная десенсация, повреждение данных или периодические сбросы. Правильные методы компоновки предотвращают эти проблемы без добавления объема.

Пути заземления и возвращения

Твердая наземная плоскость является единственным наиболее эффективным способом управления EMI. Убедитесь, что каждый сигнальный след имеет непрерывный путь возвращения земли непосредственно под ним. Избегайте прорезей или расколов в наземной плоскости, особенно под высокоскоростными следами. Если раскол неизбежен (например, для изоляции аналогового грунта), поместите мост с использованием резисторов нулевого Ом или ферритовых бусин в точке перехода. Используйте несколько соединений из верхнего слоя грунтовых ливней во внутреннюю плоскость земли, где это возможно. Для радиочастотных секций наземная плоскость должна простираться по меньшей мере на четверть длины волны за пределы антенны на рабочей частоте.

Отсоединение и фильтрация

Размещать отсоединяющие конденсаторы как можно ближе к каждому штифту питания каждой ИС. Параллельно использовать комбинацию конденсаторов 0,1 мкФ и 1 мкФ для широкополосного отсоединения. Подключать конденсаторы непосредственно к штифту питания ИС с помощью коротких, широких следов, а затем сразу к плоскости земли через суп. Для чувствительных аналоговых схем включать в серию ферритовые шарики со следами питания для фильтрации высокочастотного шума. Компоновка для беспроводных модулей должна включать в себя фильтры низких частот на линиях электропередач для предотвращения проводимых выбросов, которые могут мешать радио.

Интеграция дизайна РФ

Интеграция беспроводной антенны на небольшой ПХД является сложной задачей. Для Bluetooth Low Energy (2,4 ГГц) или LoRa (868/915 МГц) используйте компактную микросхему или печатную антенну из меандровой линии. Оставьте область антенны чистой от наземных плоскостей и металлических компонентов на всех слоях. Следуйте рекомендациям по компоновке антенны для зон выдержки. Если встроенная антенна невозможна, используйте разъем U.FL для внешней антенны и тщательно сопоставьте линию передачи 50 Ом. Поместите любые радиочастотные компоненты (индукторы, конденсаторы) очень близко к антенному штифту радиочастотного чипа, чтобы минимизировать длину следов перед сопоставлением. Используйте сетевой анализатор, если он доступен для проверки соответствия импеданса во время тестирования прототипа.

Тепловое управление в компактном IoT-дизайне

Небольшие форм-факторы затрудняют рассеивание тепла. В то время как устройства IoT редко рассеивают много ватт, локализованные горячие точки все еще могут ухудшить срок службы батареи, точность датчика и надежность компонентов. Управление теплом требует продуманной компоновки и выбора материала.

Источники тепла и пути

Основными источниками тепла в устройстве IoT являются процессор (особенно во время радиопередачи), усилитель мощности в модуле RF и любые линейные регуляторы. Линейный регулятор, снижающий 3.3 В до 1,8 В при 50 мА, рассеивает 75 мВт — самый скромный, но сосредоточенный в крошечном пакете SOT-23. Используйте тепловые связки под горячими компонентами для проведения тепла в наземную плоскость, которая действует как теплоотвод. Для очень компактных конструкций рассмотрите возможность использования изолированной металлической подложки (IMS) PCB для лучшей теплопроводности. Альтернативно, добавьте небольшие медные острова на верхнем слое, соединенном с наземной плоскостью многими с помощью.

Методы охлаждения

Проектирование для производства (DFM) и проверяемость

Конструкция, которая не может быть изготовлена или протестирована, бесполезна. ПХД IoT с их небольшими функциями и плотным расположением компонентов требуют тщательного DFM для обеспечения высокой производительности.

Минимальная терпимость и ассамблея

Работайте с вашим сборочным домом заранее, чтобы понять их возможности для наименьшей ширины трассы, клиренса, размера и высоты шага. Общие правила DFM для IoT-PCB включают:

Используйте специальные прокладки для тонкого подвода, чтобы предотвратить мостик для припоя. Избегайте размещения прокладок слишком близко к прокладкам; соблюдайте требования к кольцевым кольцам. Панелизируйте печатную плату с отверстиями для инструментов и отрывными вкладками.

Особенности тестирования и отладки

Компактные платы оставляют мало места для тестовых точек, но вам все равно нужен доступ для программирования, отладки и финального тестирования. Используйте заголовок программирования с пого-пином, занимающий всего несколько прокладок. Включите разъем UART или SWD для отладки прошивки во время разработки, даже если он обезлюдевает в производстве. Добавьте тестовые прокладки с небольшой открытой медной прокладкой (без маски припоя) для измерения напряжений рельсов во время тестирования прототипа. Если пространство платы чрезвычайно плотное, используйте пограничное сканирование (JTAG) для производственного теста. Также поместите наземную испытательную точку рядом с разъемом антенны для настройки.

Беспроводные сертификационные соображения

Для получения сертификации FCC или CE компоновка ПХД должна быть воспроизводимой. Используйте контролируемые следы импеданса, согласованные наземные плоскости и тщательное размещение компонентов. Держите радиочастотный участок как можно более изолированным от других схем. Добавьте положения для ферритовых шариков, удушья в обычном режиме и фильтрации, которые могут потребоваться после первоначальных испытаний на излучение. Документируйте схему согласования антенн и сохраните ее следы короткими, чтобы изменения от платы к плате были минимальными. Многие сбои сертификации происходят из-за плохой компоновки, которая сдвигает импеданс антенны.

Заключение

Проектирование макетов ПХД для устройств IoT является многодисциплинарной задачей, требующей перспективы на системном уровне. Путем сбалансированного выбора компонентов, планирования стекания слоев, дисциплины маршрутизации и архитектуры управления мощностью инженеры могут создавать надежные, долговечные продукты. Ключевые выводы включают в себя: приоритет интегрированных модулей для сокращения количества компонентов; использование четырехслойных плат с непрерывными наземными плоскостями для РЧ-проектов; внедрение переключения нагрузки и эффективных преобразователей для минимизации энергопотребления; проектирование целостности сигнала с надлежащим разделением и контролем сопротивления; и управление теплом в плотных макетах с тепловыми сквозняками и тщательным размещением. Наконец, всегда учитывайте технологичность и проверяемость на ранних этапах процесса компоновки, чтобы избежать дорогостоящих респинов. Стратегии, изложенные здесь, обеспечивают основу для достижения компактной, высокопроизводительной и энергоэффективной ПХД IoT, которая отвечает требованиям современных подключенных приложений.

Для дальнейшего чтения по маломощному дизайну ПХД обратитесь к приложению Texas Instruments «Проектирование маломощных устройств IoT» . Для руководящих принципов макета RF см. Руководство по планированию ПХД для RF-схем «Руководство по планированию ПХД для ПХД с низким энергопотреблением» . Для управления тепловой энергией в малых ПХД обратитесь к Европейскому институту пассивных компонентов «Тепловое управление в дизайне ПХД» . Для общего обзора практики проектирования ПХД IoT , ознакомьтесь со статьей Altium о проблемах проектирования ПХД IoT .