7 аспектов проектирования печатных плат для устройств интернета вещей (IoT)

ВВЕДЕНИЕ: Интернет вещей повсюду

Разработка электронных продуктов с возможностями IoT больше не является исключением, а скорее является правилом. Технология IoT не только открывает доступ к новым категориям электронных устройств, но и побуждает новаторов переосмыслить способы взаимодействия пользователей с традиционными нетехнологичными продуктами. Для индивидуальных изобретателей, начинающих компаний и многих средних и крупных компаний возможности изобретать новые технологичные устройства и дорабатывать существующие продукты с добавлением IoT, от фитнес-трекеров (Рис. 1) до термостатов (Рис. 2), кажутся бесконечными.

Figure 1: Носимые устройства IoT Figure 2: Термостат с поддержкой IoT

Представьте, что вы на работе и кто-то позвонил в ваш видеодомофон с поддержкой IoT, который подключен к вашей домашней сети Wi-Fi. Ваш смартфон получает уведомление о том, что в дверь позвонили, а вы получаете доступ к видеопотоку домофона. Затем представьте себе, что вы можете поговорить с посетителем напрямую и, сославшись на занятость, попросить его оставить посылку у двери, не раскрывая дома вы или нет. Реальность такова, что вам не нужно представлять эту технологию, она уже доступна сегодня.

Экосистема устройств IoT растет быстрее, чем когда-либо, соединяя объекты реального мира, системы и людей с продуктами, которые в свою очередь объединяют пользователей с другими устройствами вплоть до производителей. Не вставая с дивана, вы можете использовать голосовые команды для включения и выключения света или уменьшения яркости без всяких движений. Контроль устройств IoT при помощи интуитивных мобильных приложений позволяет вам взаимодействовать с такими продуктами, как умные браслеты, часы, дверные замки, термостаты, мультимедиа и многим, многим другим.

Потребители видят устройства IoT простыми и изящными, но внутри они состоят из специально подобранной элементной базы, физических интерфейсов, печатных плат и гибко-жестких схем, которые представляют собой уникальные дизайнерские и компоновочные решения.

Обеспечение бесперебойной работы продуктов IoT или непредвиденных задержек и затрат, связанных с надежностью, производством или проблемами имеет критическое значение. Современные проекты IoT требуют среды проектирования печатных плат с расширенными функциональными возможностями, которые включают в себя пре- и постопологическую симуляцию, управление ограничениями топологии, проверку и многое другое.

Эта статья описывает семь областей проектирования, которые необходимо учитывать при проектировании печатных плат для IoT

1 – Основные направления дизайна IoT (Рис.3)

Рисунок 3: Составные части дизайна IoT

Аналоговая (A) и цифровая (D) – Аналого-цифровые преобразователи в дизайнах IoT для обработки, хранения, или передачи практически любого аналогового сигнала в цифровой форме на микропроцессор. Как правило используется стандартная аббревиатура для таких преобразователей - АЦП и ЦАП. АЦП представляет собой устройство, на выход которого транслируется цифровой сигнал, описывающий входное напряжение или уровень тока. Ключевым преимуществом аналогового сигнала является то, что он может иметь бесконечное количество представлений, в то время, как цифровой сигнал имеет всего два состояния. Преобразование из аналогового мира в цифровой мир позволяет нам использовать электронику для взаимодействия с аналоговым миром вокруг нас.

MEMS (Микро-электромеханические системы) – MEMS - это миниатюрные датчики и приводы, которые сегодня являются обычным явлением для современных конструкций IoT. Датчики MEMS собирают информацию из своего окружения, в то время как приводы выполняют заданные команды. От фитнес-трекеров, которые фиксируют ваши шаги, до реакции вашего смартфона при его наклоне и вращении – во всех этих устройствах MEMS являются ключевыми компонентами IoT.

RF (Радиочастотные тракты) – Радиомодуль соединяет устройство IoT с облаком через Wi-Fi, Bluetooth® или настраиваемые протоколы. Для обеспечения беспроводной связи необходимо учитывать множество факторов, включая потребности приложений, технологические ограничения и различные требования к интеграции оборудования и программного обеспечения. Учет электропотребления, диапазона, возможностей подключения и пропускной способности продукта IoT имеет решающее значение для удовлетворения требований к беспроводной технологии каждого устройства.

2 – Форм-фактор устройств IoT

Конструкция IoT может быть довольно сложной, поэтому программное обеспечение, сетевые элементы и печатные платы должны отрабатываться на прототипе. Основным требованием для проектирования продуктов массового потребления, в частности устройств с интерфейсом IoT для человека, является форм-фактор. Если фитнес-трекер не легкий, не удобный или не стильный, если «умные» часы слишком объемны, если дверной замок с IoT не эстетичен, то такие продукты вряд ли будут востребованы рынком.

Устройства IoT обычно разрабатываются одним из двух способов. Первый способ - исследование, проектирование и разработка продукта на основе доказательства концепции прототипа. Как только прототип будет доказан, можно оценить рыночный спрос путем исследования возможности упаковки устройства в удобный для пользователя форм-фактор и возможной рыночной цене.

Второй процесс разработки более типичен для устойчивой компании. Он начинается с требований к физическому дизайну. Например, для носимого IoT размер и вес влияют на конечную форму продукта и общий внешний вид. Другими словами, если физический размер продукта не является эргономичным или привлекательным для потребителя, продукт никогда не сможет взлететь.

3 – Компоненты дизайна IoT

Важным этапом для устройств IoT является исследование и выбор всех необходимых компонентов. Выбор аналоговых и смешанных микросхем, ЦАП и АЦП, датчиков, приводов, MEMS и радиомодулей (рис.4) имеет решающее значение как для функциональности, так и для стоимости. Продукты IoT часто имеют миниатюрные компоненты, включая светодиоды, дисплеи, камеры, микрофоны и динамики. Кроме того, типовыми являются физические интерфейсные компоненты, такие как кнопки, переключатели, сенсорные датчики и зарядные порты.

Рисунок 4: Типовые компоненты IoT (пример: термостат Nest®)

Устройства IoT могут содержать даже герконовые датчики, сканеры отпечатков пальцев, резисторы давления (FSR) и гибкие датчики. HID устройства, такие как смартфоны, которые содержат батареи с проводной или беспроводной зарядкой, имеют малую мощность и высокую эффективность, в то время как другие устройства с поддержкой IoT, которые были исторически не высокотехнологичны, такие как дверные звонки и термостаты, используют существующую электропроводку для питания.

4 – Реализация проектного замысла IoT в виде схемы электрической принципиальной

После выбора компонентов IoT и создания библиотеки символов следующий этап – создание соединения между компонентами на принципиальной схеме. Для достижения эффективности и производительности в проектировании, создание схемы должно включать управление компонентами для быстрого поиска и контроля расходов. Прямой доступ к инструментам аналогового и смешанного моделирования и предтопологического анализа целостности сигналов из среды схемотехнического проектирования (рис.5) имеет критическое значение для обеспечения целостности сигналов конструкции и требований к физическим характеристикам.

Рисунок 5: Полностью интегрированная среда разработки электрических схем

5 – Обеспечение симуляции, проверки, питания и работы устройств памяти в проекте IoT

Конструкции IoT содержат аналоговые и смешанные сигналы (AMS). Высокая производительность аналого-цифровых схем достигается за счет смешанного моделирования и анализа на основе сигнальных моделей (SPICE, VHDL, C) на этапе проектирования (рис.6). От анализа по постоянному току, переходных процессов и частотной области до параметрической вариации, анализа чувствительности, исследования методом Монте-Карло и наихудших случаев, функционального моделирования, исследование сценариев и оптимизации компонентов схемы - все имеет решающее значение для реализации замысла проектирования, производительности , и надежности конструкций IoT.

Рисунок 6: Среда аналого-цифровой симуляции и анализа

Конструкции IoT особенно уникальны тем, что они обычно работают в нескольких режимах, таких как режим ожидания, передача / прием, активное зондирование, подзарядка и т. д. Поэтому, должна быть проведена функциональная верификация каждого режима и перехода от режима к режиму. Например, симуляция на транзисторном уровне необходима для проверки того, что встроенный аналого-цифровой преобразователь правильно работает в заданном диапазоне температур. Выполнение предтопологического моделирования и планирование постопологической проверки конструкций IoT критически важно для обеспечения соответствия продукта всем заявленным функциональным требованиям.

Многие из самых популярных на сегодняшний день устройств IoT являются компактными и носимыми. Они небольшие, легкие и должны быть чрезвычайно энергоэффективными. Потребляемая мощность должна регулироваться от режима к режиму, чтобы сохранить срок службы батареи и продлить время между зарядками. Чтобы предотвратить неисправность или отказ продукта, вызванные потерей напряжения в критических цепях питания, важно проанализировать целостность питания в топологии. Неожиданное или непредсказуемое поведение схемы также может быть вызвано проблемами с подачей питания. Чтобы обеспечить бесперебойное питание ваших микросхем, важно уже на ранних этапах процесса создания продукта найти и исправить области топологии с превышением плотности тока.

Продукты IoT используют современные микропроцессоры, которые соединяются с DDRx и флэш-памятью. Чтобы принять во внимание паразитные эффекты печатного монтажа, такие как потери в линиях передачи, отражения, изменения импеданса, эффекты в переходных отверстиях, битовые ошибки, перекрестные помехи, задержки времени и т. д., необходимо подробное моделирование, чтобы получить полное представление о работе вашего интерфейса памяти.

Рисунок 7. Расширенное управление ограничениями

Способность точно ограничивать и трассировать цепи к памяти крайне важно для сокращения времени разработки и отладки схем с применением DDR. Благодаря возможностям создания топологии, включая расширенное управление ограничениями (рис.7) и расширенные инструменты трассировки DDR (рис. 8), разработчики могут быстро и точно прокладывать высокоскоростные трассы с высокой пропускной способностью.

Рисунок 8. Интерактивная трассировка на основе ограничений

6 – Топология печатной платы

Конструкции IoT, особенно для потребительских товаров, таких как носимые устройства, зависят от заранее определенного рыночного форм-фактора, который разрабатывается в 3D механической САПР. Возможность видеть плату в корпусе в 3D перед трассировкой трасс или заливкой полигонов необходима для обеспечения соответствия дизайна всем физическим требованиям к продукту. В дополнение к контуру платы, необходимо учитывать другие факторы, в том числе условия использования продукта и гибкость. Вот некоторые из этих факторов:

1. Размещение компонентов – Как только вы завершили схему вашего IoT и вы импортировали контур платы (включая компоненты физического интерфейса с фиксированными позициями, монтажные отверстия, вырезы и т. д.) в редактор топологии, размещение компонентов должно быть быстрым и легким. Двунаправленное перекрестное выделение объектов между схемой и топологией очень помогает. Возможность размещения компонентов в 2D или 3D при обеспечении того, чтобы места размещения соответствовали вашим проектным ограничениям, сокращает время разработки и позволяет избежать нарушений. Возможность размещения компонентов в 2D или 3D в соотвествии с проектными ограничениями сокращается время проектирования и позволяет избежать нарушений

2. Управление ограничениями – Поскольку компоненты часто сравниваются со строительными блоками в дизайне печатной платы, представьте соединениях между этими строительными блоками как раствор. Использование интегрированного управления ограничениями для установки предопределенных электрических ограничений во всем маршруте проектирования дает вам возможность контролировать классы и группы цепей, задавать пары выводов и многое другое. Иерархические правила вводят ограничения для более эффективного управления трассировкой, обеспечивают соответствие трасс высокоскоростным правилам и позволяют задавать высокоскоростные правила согласованных длин, дифференциальных пар, максимальных / минимальных длин и т. д.

3. 2D/3D топология – При разработке продукта IoT с жесткими ограничениями форм-фактора и сложной процедурой сборки, возможность построить и исследовать дизайн в рамках подробной 3D физической среды дает огромное преимущество. При фотореалистичной 3D-визуализации во время размещения и динамической проверки правил проектирования (DRC) вы можете обеспечить правильность компоновки по конструкции. Точные STEP модели компонентов обеспечивают представление конечного продукта, что гарантирует соответствие монтажа и зазоров техническим характеристикам продукта. Кроме того, возможность импорта механического корпуса продукта IoT в трехмерное изображение дает дизайнеру фотореалистичный взгляд на окончательную сборку для обеспечения соответствия и предотвращения конфликтов.

Рисунок 9. Гибко-жесткая конструкция в 3D и 2D средах разработки

4. Гибко-жесткие схемы в IoT дизайнах:
Гибкие и гибко-жесткие (рис.9) платы сейчас применяются во всех видах электротехнических изделий и часто требуются для конструкций IoT.
3D-проверка гарантирует, что изгибы находятся в правильном положении, и что компоненты не мешают изгибу. Управление изгибами, размещение компонентов и трассировка на гибких слоях, заливка полигонов и т. д. очень важно для этих конструкций. Имея возможность визуализировать проекты IoT с гибко-жескими платами на ранних этапах проектирования и на протяжении всего маршрута можно предотвратить дорогостоящие итерации перепроектирования. Кроме того, возможность экспорта гибко-жесткой конструкции в виде 3D-модели в механическую САПР способствует эффективному двунаправленному взаимодействию между доменами ECAD и MCAD для устранения проблем на производстве (DFM) и сборке (DFMA).

5. Тестирование дизайнов IoT: IoT являются маломощными и требуют тестовых платформ, которые могут быстро адаптироваться к новым технологиям. Четыре ключевых параметра тестирования для беспроводных продуктов IoT - это диапазон, время автономной работы, совместимость и время отклика. Устройства, использующие технологию Bluetooth®, например, будут иметь более короткие диапазоны, чем те, которые используют технологию Wi-Fi. Для IoT-устройств с питанием от батареи необходимо измерить энергопотребление в реалистичных сценариях, чтобы обеспечить достаточное время автономной работы в нескольких режимах.

7 – Производство и сборка IoT

Разработку устройства IoT следует вести с учетом требований к производству и сборке, которые необходимо учитывать в течение всего маршрута проектирования. DFT (Design for Test), например, может обеспечить возможность проверки конструкции с точки зрения точности соединений для выявления коротких замыканий и других производственных дефектов. Аналогичным образом, анализ DFMA (Design for Manufacturability and Assembly) может выявлять такие проблемы, как мелкие островки резиста и ошибочно вскрытые в паяльной маске медные участки топологии, с тем, чтобы их можно было исправить до изготовления.

От крупных производителей электроники до создателей, изготовление конструкций IoT может быть сложным процессом и небольшая экономия, будь то на небольших партиях или в массовом производстве, может влиять на прибыль или нарушать бюджет. Работа с инструментом проектирования топологии, который поддерживает такие производственные функции, как анализ DFMA, панелизация и маршрут обмена данными ODB ++, помогает избежать проблем, которые повышают стоимость или снижают допуски, вызывая задержки и дорогостоящее повторное производство.

Вывод

Устройства IoT разрабатываются для все большего числа отраслей, включая потребительскую, автомобильную, медицинскую, промышленную, военную и многие другие. Таким образом, симуляция сигналов и питания должна стать частью методологии проектирования и анализа продуктов IoT. Взрывной рост продаж устройств IoT за последнее десятилетие и ожидаемый рост устройств с поддержкой IoT в новых и существующих продуктах задают время выхода на рынок, ускоренное прототипирование и проектирование для массового производства, необходимого для успеха продукта.

Платформа создания продукта PADS® напрямую обращается к вашим технологическим задачам проектирования IoT, предоставляя инструменты и мощь, необходимые для их решения. Достигайте этих агрессивных сроков разработки и опережайте конкурентов, будьте уверенны в том, что у вас есть правильные инструменты для решения сложных задач проектирования IoT не только сегодняшнего дня, но и завтрашнего. Для конструкций IoT, требующих поддержки гибко-жестких плат, используйте Xpedition®.