Giriş Giriş Giriş

Kağıtlı devre kurulu (PCB) Nesnelerin İnterneti için tasarımlar (IoT) cihazlar, üç rakip öncelik arasında hassas bir denge gerektirir: kompakt boyut, sağlam performans ve minimum güç tüketimi. IoT cihazları, giyilebilir sağlık monitörleri ve akıllı ev sensörlerinin endüstriyel varlık pistleri ve tarımsal toprak araştırmaları için aralığı.Her uygulama benzersiz kısıtlamalar getirir, ancak temel elektrik mühendisliği meydan okumaları aynı zamanda, karmaşık bir şekilde işleme, algılama, kablosuz iletişim ve güç yönetimi, daha iyi bir şekilde çalışma için daha iyi bir şekilde iletişim sağlar.

Kompaktlık sürücüleri miniaturizasyona ihtiyaç duyar, ancak bir yönetim kurulunun sinyal bütünlüğünü ve ısı yönetimini zorlayabilir. Yüksek performanslı kablosuz modüller, kablosuz emisyonlar ve güvenlik için sertifika alan bir üretilebilir. Powerdrop konforları agresif uyku modları, düşük ücretli düzenleyiciler ve güç mimarisine dikkat edin, tasarımcılar tüm bu düşünceleri hızlı bir şekilde entegre etmelidir.

IoT PCB'ler için Anahtar Tasarım

Üç overarşik faktör her IoT PCB düzeni şekillendirir: fiziksel boyut, operasyonel performans ve enerji tüketimi. Her faktör diğerleriyle etkileşime girer, bu nedenle ticaret-offlar kaçınılmazdır. Aşağıdaki alt bölümler her bir derinlikte inceler.

Boyut Constraints

IoT cihazları genellikle küçük, hafif ve önemsiz olan muhafazalara sığmalıdır. Akıllı etiketler veya fitness grupları gibi tüketici ürünleri için, bir PCB'nin sıkıştırılması, 10 mm × 15 mm. Endüstriyel sensörler hala mevcut ekipmana uyması gerekir. Miniaturizasyon, malzeme maliyetlerini azaltır, portability sağlar ve iki katın üzerinde sabit bir şekilde sabit bir şekilde sabit bir şekilde sabitlenebilir ve dört kat daha yüksek bir tabakaya sahip olup olmadığını sağlar.

Performans Gereksinimleri Gereksinimler

IoT cihazlarındaki performans veri işleme hızı, kablosuz aralık, veri aktarım hızı ve güvenilirlik. 48 MHz'de çalışan bir mikrokontrol cihazı, doğrusal olmayan bir şekilde sabitleme süresini sürdürürken, otomatik performans anten eşleştirmesine, doğrulayıcılara bağlı olarak kontrol edilen izler ve doğru zemin gürültüyü minimuma indirme yeteneğinizi 5 dB veya daha fazla, doğrudan iletişim aralığına karşı korumalıdır.Ayrıca, doğrulayıcı noktaların doğrulanması gerekir.

Güç Tüketim Yönetimi

Power birçok IoT cihazı için en kritik kaynaktır. Bir batarya güçlü sensör düğümü iki yıl boyunca CR2032 para hücresi üzerinde çalıştırmanız gerekebilir. Enerji-harvesting tasarımları aktif modda 10 mA'ya güvenebilir, ancak her mikroamperyalist güç tüketiminin iki ana bileşeni vardır: veri satın alma veya iletim sırasında aktif modları ve boş zamanlar için en aza indirme yeteneği için yüksek güç tasarrufu sağlar.

Balancing Boyut ve Performansları için Stratejiler

Kablosuz performans veya güvenilirlikten ödün vermeden kompakt bir PCB'yi bir araya getirmek yapısal bir tasarım yaklaşımı gerektirir. Aşağıdaki stratejiler, mühendislerin ticaretten uzaklaşmasına yardımcı olabilir.

Bitirme ve Entegrasyon

Entegre modüller, yönetim alanını önemli ölçüde azaltabilir. Örneğin, sistem-in-package (SiP) modülleri bir mikro kontrol cihazı, flaş bellek, RF transceiver ve hatta anten eşleştirme ağı tek bir pakete kadar azaltılabilir.Kolaylı bileşenler gibi bir modül kullanarak, eşinizin güvenilir bir şekilde yer değiştirebileceği en küçük pasif paketler seçip, iki veya yarı zamanlı operasyonel yükselteçleri (SPCI) kullanarak mikro kontrol cihazı seçerek, otomatik olarak devre dışı tutma işlemini optimize eder.

PCB Katmanı Stackup Impedance Control

Multi-katlı PCBler, güç, zemin ve sinyaller için özel uçaklar sağlayarak sıkı bir şekilde routing sağlar. Tipik dört katmanlı IoT kurulu kullanır:

  • [FONT:0) Top katmanı:[Dönetici ve kısa sinyal izlerini, tercihen RF parçalarının altında bir zeminle.
  • [0]Inner katmanı 1:[[Dönemli, bölünmez).
  • [FONT=0)Inner katmanı 2:[[Dönetici:0) Farklı gerilim alanları için birden çok bölünmüş uçakla Güç uçağı.
  • [FONT:0)Bottom tabakası:[Dönem:[Dönem: 1 ) Ek sinyal routing ve zemin dökmesi.

RF devreleri için kontrol edilen boşluk izlerinin kullanımı mümkün olmayan veya yüksek frekanslı laminatlar için doğrulanmış hesaplayıcıları kullanın () ⁇ ) r ) gibi malzemelerden kaçının, eğer mümkünse nano-düşüklümler veya arka-parlamalar için tek yönlü devreler kullanın.

Routing Optimizasyon ve Layout Teknikleri

Verimli routing, yönetim boyutunu azaltır ve performansı geliştirir. Bu yönergeleri izleyin:

  • Yüksek hızlı bileşenler ( mikro kontroller, RF transceiver ve kristal osilatörler) en kısa sürede iz süresini en aza indirmek için birlikte yakın. kristal izlerini mümkün olduğunca kısa tut ve onları zemin uçaklarla koru.
  • Güç dağılımı için bir yıldız topoloji kullanın: gerilim düzenleyicisinden gelen kalın bir iz veya güç uçağı her büyük yüke doğru, daisy-chaining'den çoklu cips yoluyla kaçının.
  • Gemide ayrı analog ve dijital bölümler. Gerekirse hassas analog devreler altında bir zemin uçak bölmesini kullanın, ancak ADC veya comparator'da tek bir zemin bağlantısı ile bölün.
  • UART için I2C ve SPI otobüsleri, saat hızı kurulum / ihlallerden kaçınmak için 10 MHz'i aşıyorsa uzun maç izlerini takip eder.
  • Kristallerin veya indüktörlerin altında yüksek hızlı izlerini kullanmaktan kaçının. Tüm sinyalleri mümkün olan sürekli bir zemin uçağın üzerinde rotalayın.
  • BGA paketleri için uzayı kurtarmak için via-in-pad teknolojisi kullanın, ancak vias'ların satış yapmayı önlemek için doldurulup kapılır.

Güç Tüketimini PCB Layoutout

Güç verimliliği sadece bir bileşen düzeyinde endişe değildir; PCB düzeni, minimiz atıklarda hayati bir rol oynar. Aşağıdaki teknikler enerji tüketimini önemli ölçüde azaltabilir.

Low-Power Bidele

Birden fazla uyku modları sunan mikrokontroller seçin, hızlı uyanma süreleri ve düşük aktif güç. Örneğin, Ambiq Apollo4, 5 μA /MHz ve derin uyku akımının 1 μA'da çalıştırılan sensörler seçin ve çok düşük güç tüketimi yerine.

Güç Yönetimi Devre Mimarisi

İyi tasarlanmış bir güç yönetimi devresi genel güç tüketimini yarıya çıkarabilir. aşağıdaki unsurları içerir:

  • [FONT=0]Efficient DC-DC dönüştürücüler: Işık yüklerinde% 90'dan fazla verimlilikle buck dönüştürücüleri kullanın.Refficient DC-DC dönüştürücüler düşük akımlarda daha iyi verimlilik için dönüştürücüler seçin.The Texas Instruments TPS62740, sadece 360 nA quiescent current.
  • [FONT=0]Load anahtarları:[[Dönetici:0) Place p-channel MOSFET yük yüksek akım periferileri (örneğin, SD kart veya kamera modülü) kullanım sırasında.
  • [FONT:0)Power sequencing:[Dönetici:[Dönetici: 1 ) MCU'nun alt bölümlere kapı gücü açabileceğinden emin olun. A GPIO, güç tamamen hızlı bir şekilde kaldırmak için bir yükyü kontrol edebilir.
  • [FONT:0) Düşük doz şarj cihazı: X7R veya X5R Seramik kapasitörler, mevcut sızıntıyı azaltmak için minimum DC önyargılı.

Gemi gücü, gemi alanı olarak geniş izler. Bir batarya destekli bir cihaz için, batarya bağlantıdan gelen izler düzenleyiciye en az 20 milyon geniş olmalıdır 50 mV'nin altında gerilim bırakmasını sağlamak için mevcut olan 100 mA'nın altındaki yükleri yok etmek.

Uyku Mode Support in Layoutoutout

PCB düzeni agresif uyku modlarını kolaylaştırmalıdır. Tüm mikro kontroller üzerinde kullanılmamış pinlerin minimum yükleme ile veya gerekli olduğunda analog girişler olarak yapılandırılabilir; iç çekmeler daha az direnç yolları oluşturabilir ve daha fazla sızıntıya sahip olabilir. Düşük güç için gerçek zamanlı saat (örneğin, 32.768 kHz)

Signal Integrity ve EMI Tahminleri

IoT cihazlarındaki sinyal bütünlüğü sorunları genellikle kablosuz olarak ortaya çıkar, veri yolsuzluk veya geçici sıfırlar. Proper düzen teknikleri bu sorunları toplu eklemeden engeller.

Yer ve Yol Geri Döndü

Katı bir zemin uçağı, EMI'yi kontrol etmenin en etkili yoludur. Her sinyal izinin doğrudan altında sürekli bir zemin geri dönüş yolu olduğunu emin olun. Zemin uçaktan uzak, özellikle de yüksek hızlı izler altında.Eğer bir bölme kaçınılmazsa (örneğin, bir analog zemini izole etmek), geçiş noktasındaki antenin kullandığı bir köprüyü kullanarak bir köprüyü doğrudan doğruya çevirmelidir.

Decoupling ve Filtreleme

Her IC'nin her bir güç pimine mümkün olduğunca yakın kapasitörler yerleştirin. Hassas analog devreler için, geniş bant genişliğine paralel olarak, yüksek frekanslı filtrelere doğrudan bağlantı kurmak için, yüksek frekanslı filtrelere doğrudan bağlantı kurmak gerekir.

RF Design Entegrasyonu RF Design Entegrasyon

Küçük bir PCB'de kablosuz bir antenle bütünleşmek zor.For Bluetooth Low Energy (2.4 GHz) veya LoRa (868/915 MHz), dış bir anten veya kelimeli basılı anten için kompakt bir çip kullanın. Uydu bağlantı hattını seçin.Herhangi bir RF çiplerini ve metal bileşenlerinin tüm katmanlarının açıklanmasını takip edin.Eğer yerleşik bir antenin eşleme işlemine uymak için kablolama işlemine çok yakınsa, bir U.FL bağlantısını kullanın. 50 {{ iletim hattını dikkatlice seçin.Herhangi bir RF adaptörüne tıklayın (bütün tabakaları takip edin)

Compact IoT Designs'ta ısı yönetimi

Küçük form faktörleri ısı dağılımı zorlaşırken, IoT cihazları nadiren birçok watt dağıtılırken, yerelleştirilmiş sıcak noktalar hala batarya ömrünü, sensör doğruluğunu ve bileşen güvenilirliğini bozabilir. Kontrollü ısı düşünceli düzeni ve malzeme seçimlerini gerektirir.

Heat Sources and Pathways

Bir IoT cihazındaki ana ısı kaynakları işlemcidir (özellikle radyo iletimi sırasında), RF modülündeki güç yükselteçleri ve herhangi bir lineer düzenleyiciler. 50 mA dissipates 75 mW - en iyi ama en küçük bir SOT-23 paketinde ısıtılır. Bir zemin uçağa ısıtılır, ki bu çok kompakt tasarımlar için 3,3 V'ü yüksek çözünürlükte bir yedekle birlikte zemine bağlı olarak çalışır.

Soğutma Teknikleri için Layout Teknikleri

  • Havanın onları uçurabileceği tahtanın kenarına yakın güç-hungry bileşenleri (örneğin, hücresel modüller) yerleştirin. Onları bir kalkanda kapatmayın.
  • Sıcak düzenleyiciler veya RF güç yükselticileri yakınında ısıya duyarlı analog sensörleri koymayın. Sıcaklık sensörü, PCB bakırının bitişik bileşenler tarafından ısıtıldığı takdirde hatalı okumalar verebilir.
  • MOSFET ve gerilim düzenleyicileri için maruz kalan paketler kullanın. maruz kalan ped doğrudan PCB'de bakır bölgeye bağlanır ve bunu iç uçaklara birçok vias ile ilişkilendirir.
  • Bir batarya ile tasarımlar için, batarya telleri hızlandırılmış yaşlanmayı önlemek için sıcak alanlardan uzak durun.

İmalat için tasarım (DFM) ve Testability

Üretilemeyen veya test edilemeyen bir tasarım işe yaramaz. IoT PCBs, küçük özellikleri ve yoğun bileşen yerleştirmeleri ile, yüksek verim sağlamak için dikkatli DFM gerektirir.

Asgari Hoşgörüler ve Assembly

Assembly eviniz ile çalışmak, en küçük iz genişliği, kontrol, boyut ve saha için yeteneklerini anlamak için erken çalışır: IoT PCB'ler için Ortak DFM kuralları şunları içerir:

  • Minimum iz genişliği/space: 5 miller (0.127 mm) dış tabakalar için 4 mil iç tabakalar için.
  • Minimum boyut: 10 mil delik çapında 16 mil ped çapında bitirmiştir.
  • En az 5 mil tahta kenarlarından bileşenleri tut.
  • Seçme ve yer hizası için fiducial işaretleri ekleyin, özellikle de iyileştirici BGAs için.

Satılmış maske tanımlı pedler, daha iyi ayarlanmış bileşenleri için, satışçı bridging önlemek için kullanılır. pedlere çok yakın koymayın; anular yüzüğü gerekliliklerini kullanın. PCB'yi araç delikler ve kırılan sekmelerle panelize edin.

Test ve Debugging Özellikler

Kompakt tahtalar test noktaları için küçük bir oda bırakıyor, ancak hala programlamaya, debugging ve son teste erişime ihtiyacınız var.Sadece birkaç pedi kaplayan bir programcı başlığını kullanın.Eğer üretim sırasında bir UART veya SWD bağlantı kurun, üretim sırasındaki bir zemin test noktası bile.

Kablosuz Sertifika Değerlendirmeleri

FCC veya CE sertifikasyonunu elde etmek için, PCB düzeni yenidenrodite edilebilir olmalıdır. Kontrollü boşluk izlerini kullanın, tutarlı zemin uçaklarını kullanın ve dikkatli bileşen yerleştirmesini sağlayın. RF bölümünü diğer devre dışı bırakmak için mümkün olduğunca izole edin.Köpeksiz boşluklar için hükümler ekleyin, ortak mod chokes ve filtreleme ilk radiated emisyon testlerinden sonra gerekli olabilir. Doküman eşleştirme devresini kullanın ve bu kısa sürede takip eder.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

IoT cihazları için PCB düzeni tasarlayan çok disiplinli bir meydan okumadır: Parça sayısını dengelemek için entegre modüller; RF tasarımları için sürekli zemin uçaklarla birlikte kullanım; güç toplama disiplini ve güç yönetimi mimarisi için tasarımı, mühendisler güvenilir, uzun süreli ürünler oluşturabilirler: Sağlama ve ısıtılabilirliği azaltmak için dört katmanlı yönetim kurulunu kullanın; güç ayarlaması ve etkili dönüştürücüleri en aza indirmek için her zaman yük devretme ve etkili dönüştürücüleri kullanın.

Düşük güç PCB tasarımı hakkında daha fazla okuma için, Texas Instruments'ın uygulama notu:0) Düşük Güç IoT Cihazlarına İlişkin Tasarlama ) RF düzeni için, Analog Cihazların US $ \'si için bakınız:2PC"PC" (İngilizce) için kurulum yönergeleri, küçük PCB Tasarımlarında termal yönetim için [Döneticileri için) [Döneticileri için)