Modern IoT Design'daki EMC Challenge'ı Anlayın

Nesnelerin İnterneti (IoT), akıllı ev aletlerinin endüstriyel kontrole, tıbbi izleme, otomotiv telematiklerine ve çevresel algılamaya giriş yapmadan çok daha da genişletildi: Bu bağlantılı cihazlar diğer kaynaklardan müdahale etmeye devam etmeli ve bir mühendislik disiplini daha da zor hale geliyor: Elektromanyetik Uyumluluk (EMC) EMC, kabul edilemez elektromanyetik müdahale (EMI) ve diğer sayısız EMC'ye müdahale etmeden çalışabilme yeteneğidir.

Tasarım döngüsünde EMC'ye erken hitap etmek, zaman pazarlamasını sağlamadan pahalı yeniden tasarımlara, sertifikasyon gecikmelerine ve saha başarısızlıklarına yol açıyor.Bu makale IoT donanımına eşsiz olan belirli EMC zorlukları araştırıyor ve takımların zaman pazarlamasını sağlamadan gelişim iş akışlarına nasıl uyum sağlayabileceğini özetliyor.

Neden EMC Neden IoT için Daha Fazla

Elektromanyetik spektrum, tarihteki herhangi bir noktadan daha kalabalıktır. Önümüzdeki birkaç yıl içinde internetteki IoT düğümleri nedeniyle her cihaz hem iletişime katkıda bulunur hem de kontrollü kapalı ortamlarda çalışan geleneksel tüketici elektroniklerinden farklı olarak, birçok IoT cihazı öngörülemeyen ortamlarda dağıtılır - beton duvarlarda veya insan vücudunda gömülür.

EMC ayrıca doğrudan güvenlik sonuçları vardır. tıbbi IoT cihazları, müdahale yanlış okumalara veya kaçırılmış alarmlara yol açabilir. Otomotiv ortamlarda, EMI bu testleri en çok bölgelerde piyasa erişimi için ön koşulludur ve başarısız olmuş ürün aylarca başlatılabilir.

IoT Cihazlarının Benzersiz EMC Challenges

Bir IoT ürünü için tasarım temel olarak daha büyük bir ekipman parçasında yapmaktan farklıdır. Boyut, güç, maliyet ve multiprotocol operasyonu mükemmel bir müdahale riski yaratır.

Miniaturizasyon Limitleri Geleneksel Shielding

IoT cihazları genellikle küçük - bir para veya kredi kartından daha büyük değildir. Bu, bakır kan için minimum oda bırakır, ferrite beads ve çok katmanlı kalkanlar, mühendisler geleneksel olarak emisyonlar içerdiğinden emindir.Her kare telleri eklendiğinde, bir kalkan çiti eklemek lüks birkaç tasarım alabilir.

Güç Konsolosluğu Seçenekleri

Çoğu IoT cihazı, çevrelerinden piller üzerinde çalışır veya enerji hasat eder. Her miliwatt sayıdır. Geleneksel EMI filtreleme teknikleri - bu gerilim özellikle ses yardımcıları veya kablosuz sensörleri gibi birçok ferrite boncuklar - değerli gerilim başı veya quiescent akımları reddetmesi gerekir.

Multiprotocol Radios In-Band ve Cross-Band Interference

Bir büyüyen IoT ürünlerinin sayısı birden çok kablosuz teknolojiyi birleştirir - Bluetooth Low Energy, Wi-Fi, Zigbee, Thread, LoRaWAN veya NB-IoT – tek bir yönetim kuruludur. Bu radyolar genellikle diğer gruplara düşen aynı frekans grupları veya harmonikleri paylaşırlar, örneğin 2.4 GHz Wi-Fi sinyali, birkaç megahertz çalışan bir alıcıyı süzdürebilir, aşırı retransmisyon ve bataryayı dengelemeye neden olur.

Farklı ve kontrolsüz İşbirlikleri Çevreleri

Bir cep veya purse'deki hayatının çoğunu harcayan bir akıllı telefon aksine, IoT cihazları elektromanyetik olarak düşmanca makinelerde sona ermelidir. Bir endüstriyel IIoT sensörü, kendi emisyon limitlerini karşılamak için inç uzakta monte edilebilir - genişleyen bir çevresel monitör yüksek gerilimli güç hatlarına yakın çalışır.Bir tıbbi giyilebilir elektrosurgical ekipman ve MRG alanları tolere etmelidir.

Hassasiyet Versus Uyum

IoT ekonomisi, her I/O hattında, $ 25 koruyucu bağlantı veya $ 0.550 metal bir muhafaza için hızlı bir şekilde kâr marjları vurmak için bir fatura indirmeye çalışır.Demek için baskı ile doğrudan birkaç dolar. EMC'ye ihtiyaç duyan 1 $ 'lık ek tabakalar ve daha sıkı yerleşimler için gerekli olan sıfır konsolideleri ekleyin.

Standartlar ve Düzenlemeler IoT EMC

Boşluk stratejilerine girmeden önce, kabul edilebilir performansı tanımlayan düzenleyici çerçeveyi anlamak önemlidir. İki büyük vücut küresel manzarayı şekillendirir:

  • [FONT:0)FCC Bölüm 15 (Birleşik Devletler): ), Önerilen kümeler, kasıtlı ve sınırsız radyatörlerden kaynaklı emisyonlar için limitler. RF enerji üreten veya kullanan cihazlar pazarlama veya satıştan önce uyum göstermeli.
  • [FONTNT 32 (Uluslararası): [DÜDÜDÜDÜDÜDÜ: 0,2; Ortam: 0,2) Birçok IoT ağ geçidi ve akıllı cihazlar içeren, birçok IoT ağ geçidi ve akıllı cihaz içerir. CISPR 35 adres bağışıklık gereksinimlerine sahiptir.
  • [FONT:0)IEC 61000-4-X serisi: Elektrostatik deşarj için bağışıklık test yöntemlerini tanımlar (ESD), radiated RF alanları, elektrik hızlı geçiciler (EFT), ve bağışıklık artışı. Bu testler birçok ürün özel standart tarafından referanslanır.
  • [03.2015:0)ETSI EN 300 328 (Avrupa): ), 2.4 GHz geniş bant iletim sistemleri için gerekli şartları belirtir, 2.4 GHz ISM bandında çalışan Wi-Fi ve Bluetooth cihazları da dahil.
  • [FONT=0) Sanayide özel standartlar: [DÜT:1] Tıp (IEC 60601-1-2), otomotiv (CISPR 25), ve endüstriyel (IEC 61000-6-2) temel sınırların üst kısmındaki ilave gerekliliklerin yanı sıra.

Verilen bir ürüne hangi standartların uygun bir plan oluşturmadaki ilk adımdır. Birçok IoT cihazı birden fazla yargıya girer, bu yüzden telekomünikasyon ve IoT ekipmanları için EMC'ye yönelik olarak faydalı bir yaklaşım nadiren çalışır.Gelişen bir test laboratuvarıyla ortaklama daha sonra aylarca yeniden çalışma aylarını kurtarabilir.

EMC-Robust IoT Cihazları için Tasarım Stratejileri

Yukarıda belirtilen zorlukların üstesinden gelmek mimarlık aşamasında başlayan ve düzeni, prototipleme ve önceden belirlenmiş testlerle devam eden sistematik bir yaklaşım gerektirir. Aşağıda, deneyimli IoT donanım takımları tarafından kullanılan en etkili stratejiler vardır.

Mimari Katılımcılık ve Kompaj Seçimi

İyi EMC özellikleri olan bileşenleri seçmek, en ucuz müdahale şeklidir. Daha düşük harmonik içerikli mikrokontrolörler ve kablosuz IC'ler seçin, örneğin, yüksek hızlı veri hatları için yayılması gibi, yüksek çözünürlükte kontrol ve daha düşük modlu kullanıcılar için geri yükleme.

PCB'yi işlevsel bölgelere girin - dijital, hassas analog, RF ve güç - bölümler arasında migratinge müdahale edin.Geçmiş ve yüksek hızlı dijital otobüsler oluşturmak için zemin uçaklarını kullanın.

PCB Layout ve Stackup En İyi Uygulamaları

PCB düzeni EMC'nin kazandığı veya kaybedildiği yerdir. Kötü bir şekilde ortaya çıkan bir yönetim kurulu, daha sonra kaç filtre veya kalkanın eklendiği önemli bir yerde emisyon test edemez. Anahtar düzeni kuralları şunları içerir:

  • [FONT:0) Katı, kırılmamış bir zemin uçağı sinyal katmanına bitişiktir. Slots veya zemin uçaktaki bölmeler, radiate'nin güçlü bir şekilde geri dönüştüğünü ortaya koyar.
  • [FONT:0) Yüksek frekanslı izlerini kısa ve doğrudan tut. Her bir izdüşükte işaret eder ve bu net rotanın anten verimliliğini arttırır.
  • [FONT=0] Anten zeminini ([Dönetici:0) Ben, sistem zemininden dikkatli bir şekilde tasarlanmış bir “sağlık” alanı ve DC feed'te ayrı bir LC filtre. Bu, güç uçak gürültülerini modülasyondan önler.
  • [FONT:0) Çok katmanlı tahtaları kullanın [Dönetici: 1 ) BOM izin verdiğinde, BOM özel bir güç uçağı ve özel bir zemin uçağı, iki katmanlı tasarımlarla dramatik bir şekilde karşılaştırma ve döngü alanları azaltır.
  • [FONT:0) Kurul çevresinde dikme (C) ve RF akımlarını istenen geri dönüş yolunda sınırlayan gürültülü bileşenler çevresinde ek dikme.

Detaylı düzen rehberliği için, [[Üye:0)Texas Instruments EMC uygulama notu kütüphanesi[DÜT:1) karışık-signal ve kablosuz tasarımları için pratik örnekler sunar.

Her Interfaceing ve Decoupling at Every Interface

Cihazın dışına çıkan tüm I/O hatları –USB, Ethernet, sensör arabirimleri, hatta batarya telleri – bir dizi dirençle filtrelenmiş olmalı, ferrite beads ve shunt kapasitors. Bu, diğer taraftan emisyonların geçişini hassas devrelere engelleyerek engelledi.

Konseratörler her IC güç pin'e fiziksel olarak mümkün olduğunca yakın olmalıdır. Çeşitli kapasitör değerleri kullanın (örneğin, 10 μF, 0.1 μF, 1 nF) geniş bir frekans aralığı kapor, güç pimi ve zemin ile oluşturulan döngü alanı en aza indirmek için - daha az ısıtılmalıdır.

Shielding ve Enclosure Design

Mekanik takım tüm yüksekliğe sahip olup bitene göre, sabit kaplamalar (silver-gerçekten dolu epoxy, bakır kaset, plastik bir muhafazanın içine uygulanan bir damgalı metal kalkanı genellikle 2040 dB'yi kapsayabilir. Tüm denizlerin ve boşlukların elektriksel olarak sürekli olduğundan emin olun; hatta 1 mm slot, GHz frekanslarında sızıntı yapan bir slot olarak hareket edebilir.

Kapalı bir muhafaza içinde çalışabilmesi gereken bataryalı cihazlar için, batarya yönetimi IC ve güç dönüştürücüyü içeren batarya bölmesi etrafında metalize bir gazket kullanmayı düşünün.

PreCompliance Test ve Iteration

EMC problemlerini keşfetmek için son uyum testi bekleme süresi gecikmeler için bir reçetedir.Sürekli bir ön-kompliance kurulumuna yatırım: yakın bir alanda yapılan araştırmalar, düşük maliyetli spektrum analizörü (veya USB tabanlı SDR), ve bir kalibreli döngü anteni.Bu araçlarla, kablolarda basit bir ön sürümlerde bulunan tahtayı tarayabilirsiniz ve bu tasarım değişikliklerini gerçekten sertifikalı bir laboratuvara göndermeden önce azaltır.

Precompliance ayrıca bağışıklıka da genişletilebilir. Basit bir elektrostatik deşarj (ESD) silah ve geçici bir-jeneratör, muhafaza denizlerinde zayıf noktaları ortaya çıkarabilir ve aksi takdirde IEC 61000-4-2 testinde başarısız olacaktır.

Real-World Deployments'ta Geri Dönüş Ortak Pitfalls

İyi tasarlanmış bir IoT cihazı bile, amaçlanan ortamda kurulmuş olan EMC sorunlarıyla karşılaşabiliyor. Alan başarısızlıkları genellikle bir laboratuarda çoğaltmak zor olan etkileşimlerin içinden kaynaklanıyor: yakın, değişken zemin koşulları veya uzun kablo, bu eylemi gereksiz yere doğrulamaktadır.

  • [FONT:0)Ground loops through power or data kabloları:[Döneticileri) İki cihaz bir kablo tarafından bağlantılı olduğunda ve her birinin kabloyu tek bir sonda bağlayabilir veya kabloda ortak bir girişimde bulunabileceği bir döngü oluşturabilir.
  • [[DÜSÜ:0) Çok sayıda kablosuz cihazın yerleşmesi:[DÜT:1] Akıllı bir binada, onlarca veya yüzlerce IoT düğümü, cihazın kendi radyosu içinde olabilir.
  • [FONT:0) Zaman içinde environmental değişiklikler: Sıcaklık sürüklenme, nem, korozyon ve mekanik titreşim, genişletilmiş sıcaklık aralıklarının temas direncini değiştirebilir ve filtrelerin yeniden tanımlanmasını değiştirir.Bir laboratuvarda uyumluluk testi geçen bir tasarım, sıcak, nemli bir fabrikada altı ay sonra başarısız olabilir.

IoT daha yüksek veri oranlarına doğru geliştikçe, daha düşük güç ve sıkı entegrasyon, EMC zorlukları yoğunlaşacaktır. Üç trend zaten manzarayı yeniden şekillendirir:

  • [FONT:0) 5G ve Wi-Fi 6/6E'nin kabul edilmesi: Bu teknolojiler, radyasyonu önlemek için frekanslarda ve 6 GHz'ye kadar çalışır ve daha geniş bant genişliğine sahiptir.Bu frekanslarda Emissions in this frequency are more difficult to contains with traditional protectioning and filter. Tasarımcılar, laminat PCBes'lere dikkat etmeli ve radyasyonu önlemek için sinyal bütünlüğüne dikkat etmelidir.
  • [FONT:0)Sistem-in-Package (SiP) ve çok fazla-çizli modüller: [Dönetici, analog ve RF tek bir paket içinde ölür, ancak gürültülü ve hassas devreler arasında aşırı bir mesafe yaratır. Altstrate- seviye koruyucu ve çok pasif bileşenler gelişmiş SiP tasarımları standart haline gelir.
  • [FONT optimizasyonu için Makine Öğrenmesi: [DÜDÜDÜSÜSTÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜ:0) EMC optimizasyonu için Makine Öğrenmesi:[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜSTÜSİAD): Bu araçlar, en uygun yerdeki sabit tutma, iz bırakma ve kalkan geometrisini, gerekli fiziksel prototiplerin sayısını azaltmayı ve çözmeyi önerebilir.

Ekibinizde bir EMC-Aware Culture inşa edin

Başarılı EMC yönetimi sadece araçlar ve tekniklerle ilgili değildir - süreç ve kültür hakkındadır. EMC'yi gecikmiş fırlatma ve alan başarısızlıklarında fiyat karşılığında geri ödeme yapan Teams. Conversely, EMC'nin her aşamasına sahip olduğu takımları - şartlar tanımı şematik yakalama, düzen ve geçerlilik ile ilgilidir - daha hızlı piyasaya sağlam ürünler getiriyor.

Anahtar kültürel değişimler şunları içerir: her tasarım incelemesinden önce ön değerlendirme emisyonlarını gerektiren, PCB alanını temel tasarımda bulunmamış olsalar bile, daha önce yapılan bir EMC test sonuçlarını veri tabanında bilgi edinmek için önceden bir projeden alanlayın.

Kuruluşun yaklaşımlarını koordine etmek için, Asys EMC blogu) teori ve uygulama arasındaki boşlukları birleştiren simülasyon odaklı tasarım akışlarına pratik tavsiyeler sunuyor.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Elektromanyetik uyumluluk, IoT cihaz tasarımı ve dağıtımındaki en zorlu disiplinlerden biridir. Küçük boyut, düşük güç, çokprotocol operasyonu ve aşırı maliyet duyarlılığı, mühendislerin emisyonları baskıya ve maliyeti eklemeden korumalı, IoT ortamlarının eşsiz zorluklarına göre, titiz bir düzen ve filtreleme uygulamalarını kabul ederek, önceden teşvik edilen standartlar ve teknolojiler hakkında yatırım yaparak, gerçek dünyada güvenilir bir şekilde çalışan ürünleri sunabilmelerini sağlamak.

EMC, dijital tasarım tamamlandıktan sonra çözülmesi gereken ayrı bir mühendislik problemi değildir.Başlangıçtan mimar edilmesi gereken bir sistem seviyesi özelliğidir. Aynı disiplinle güç yönetimi, kablosuz performans veya mekanik sağlamlık ile tedavi edildiğinde, EMC piyasa girişi için bir engelden ziyade bir yenilik olasılığı haline gelir.