PCB-Neuigkeiten - Fünf Herausforderungen für IoT-Tests

In den nächsten Jahren werden Fortschritte in den Bereichen KI, 5G, IoT und industrielle Automatisierung (IIoT) das Tempo des industriellen Wandels und der Innovation beschleunigen. Für die automatische Datenübertragung und Fernsteuerung von Geräten werden verschiedene IoT-Sensoren branchenübergreifend eingesetzt. Im Zeitalter des Internet of Everything wird Konnektivität alltäglich werden. Bis 2020 prognostiziert Gartner, dass mehr als 20-Milliarden IoT-Geräte in Betrieb genommen werden.2019 ist ein neuer Ausgangspunkt für die kommerzielle Nutzung von 5G. In Kombination mit IoT-Geräten werden die erhöhte Bandbreite, die schnellere Geschwindigkeit und die geringere Latenz von 5G Anwendungen bringen, die bisher für unmöglich gehalten wurden. Das Internet der Dinge wird weiterhin in mehrere Branchen eindringen, wie Leiterplattenherstellung, Transport, Medizin, Verbraucher usw. Wenn das Innovationstempo beschleunigt, werden Ingenieure, Designer, Lieferanten und Hersteller einem schnelleren Marktdruck ausgesetzt sein. Für IoT-Geräte muss jede Generation von Produkten kleiner, leistungsfähiger, einfacher zu konfigurieren und weniger Strom verbrauchen als vorherige Designs. Da viele IoT-Geräte batteriebetrieben werden, ist Energieeinsparung unerlässlich. Es müssen stromsparende Komponenten verwendet werden, die bei Nichtgebrauch ausgeschaltet werden müssen. Um die Akkulaufzeit zu optimieren, müssen Komponenten unter realistischen Szenarien und Bedingungen getestet werden, um sicherzustellen, dass die richtigen Komponenten ausgewählt werden, um die Lebensdauer von IoT-Geräten zu maximieren.

Da IoT-Geräte normalerweise remote oder in einer mobilen Umgebung bereitgestellt werden, verwenden die meisten Geräte Batterien als Hauptstromquelle. Das Verständnis der Stromverbrauchskurve eines Geräts ist der Schlüssel, um maximale Zuverlässigkeit und Leistung während der Lebensdauer des Geräts zu gewährleisten.

Um den Stromverbrauch von IoT-Geräten vollständig zu charakterisieren, muss er unter allen üblichen Betriebsbedingungen gemessen werden. Da IoT-Geräte so konzipiert sind, dass sie den Energieverbrauch minimieren, sind sie möglicherweise nur für kurze Zeit aktiv und die meiste Lebensdauer befindet sich im "Sleep"-Modus.

Um die Stromverbrauchskurve des Geräts in allen Betriebsmodi genau zu messen, können Sie die Herausforderung haben, gängige Strommesstechniken (wie Shunts, digitale Multimeter, DMMs oder Stromsonden) zu verwenden. Im Ruhemodus kann der Strom im Bereich von 'nA' oder 'uA' liegen. Im aktiven Modus, zum Beispiel bei der Datenübertragung, kann der Strom plötzlich in den Bereich von "mA" auf "A" wechseln. Darüber hinaus treten diese großen Strombedarfsspitzen normalerweise innerhalb von Mikrosekunden auf, und die Leistungsumwandlung kann für einige Prüfgeräte schwieriger sein.

Obwohl sie in der richtigen Umgebung sehr genau sein können, kann es aufgrund des großen Dynamikumfangs (mehrere Shunts können erforderlich sein) problematisch sein, Strom-Shunts für diese Art von Messung zu verwenden. Selbst wenn mehrere Shunts verwendet werden, kann es notwendig sein, den aktiven Modus und den Schlafmodus getrennt zu testen, was es schwierig macht, den tatsächlichen Stromverlust zu erhalten. Darüber hinaus besteht aufgrund des inhärenten Spannungsabfalls, wenn ein zu großer Wert ausgewählt wird, um den Dynamikbereich der Messung zu maximieren, das Risiko, dass der Shunt selbst die Prüfvorrichtung beeinflusst.

IoT Challenge 2-Signal und Power Integrity

Integrierte Schaltungen mit gemischten Signalen werden häufig beim Design von IoT-Geräten verwendet, einschließlich Sensoren/MEMS, analogen und digitalen Signalen, die mit geringerem Stromverbrauch auf derselben integrierten Schaltung arbeiten, und sie sind sehr empfindlich gegenüber Übersprechen. Stromarme Verteilnetze haben in der Regel sehr geringe Betriebstoleranzen, was die Wahrscheinlichkeit von Wellen- und Rauschunterferenzen auf der Stromschiene erhöht, die sich negativ auf Uhren und digitale Daten auswirken können. Viele IoT-Geräte benötigen dichte Hochgeschwindigkeitssignalkanäle in einer kleinen physikalischen Struktur, was das Risiko von Übersprechen und Kopplung erhöht.

Verwenden Sie gute Signalintegritätsentwurfsprinzipien (wenn möglich, verwenden Sie Punkt-zu-Punkt-Signalrouting-Topologie), steuern Sie die Leiterbahnimpedanz des gesamten PDN und der Verbindung, halten Sie die Rücklaufpfadlänge kurz und halten Sie ausreichend Platz zwischen benachbarten Leiterbahnen. Obwohl die Einhaltung guter Konstruktionsprinzipien wie dieser unerlässlich ist, um ein zuverlässiges Design zu erreichen, ist es auch unerlässlich, die elektrische Leistung der Struktur, die das Signal durch das Gerät trägt, vollständig zu charakterisieren.

Der Vector Network Analyzer (VNA) ist eines der am häufigsten verwendeten Werkzeuge zur Charakterisierung der elektrischen Leistung einer beliebigen Verbindungs- oder Übertragungsleitung. Wichtige Eigenschaften, die die Signalintegrität beeinflussen, wie Einfügedämpfung, Dämpfung, Reflexion, Übersprechen, Verzögerung und Differential-in-Gleichtakt-Konvertierung, können mit einem VNA ausgewertet werden, das für die Anwendung richtig konfiguriert ist. Darüber hinaus haben einige VNAs die Fähigkeit (normalerweise über eine Softwareoption) eine Zeitbereichskontrolle der s-Parameter-Messung durchzuführen, die die Impulsantwort des Kanals anzeigt.

In Bezug auf die Leistungsintegrität ermöglicht der neu entwickelte Stromschienenfühler extrem geräuscharme Messungen auf der Stromschiene und wird in Verbindung mit einem Oszilloskop verwendet. Die Eigenschaften dieser Sonden umfassen je nach Hersteller im Allgemeinen:

Bis zu 60V Offset, um sicherzustellen, dass die Stromschiene vollständig auf das Oszilloskop Display verschoben wird. Der Dynamikbereich beträgt bis zu 1V. Gigahertz betreibt Bandbreite, um sicherzustellen, dass hochfrequente Rauschen nicht erkannt werden. Das 1:1 Dämpfungsverhältnis kann das Rauschen des Messsystems reduzieren.50kΩ Impedanz, um die Last zu reduzieren. Die Auswahl der richtigen Tools zur Erkennung von Signal- und Stromintegritätsproblemen ist sehr wichtig, um die Ursachen für schlechte Leistung vollständig zu identifizieren und zu lösen und die tatsächliche Leistung des Designs zu überprüfen. VNAs, Stromschienensonden und Oszilloskope sind nur einige der Werkzeuge, die helfen, dieses Ziel zu erreichen.

IoT Challenge 3-Wireless StandardkompatibilitätOb Sie ein Gerät für die Kurzstreckenverbindung über Zigbee oder WLAN oder ein Fernverbindungsgerät über LoRa oder LTE-M entwickeln, das von Ihnen gewählte Funkprotokoll bestimmt, wie sich Ihr Gerät verbindet und Daten mit der Welt teilt.

Die Gewährleistung der Interoperabilität durch Einhaltung der Spezifikationen der Funkstandards ist der Schlüssel zur Erzielung eines maximalen Markteinflusses. Wie bei EMI/EMV können Tests frühzeitig im Designzyklus helfen, Probleme zu identifizieren, die Verzögerungen verursachen können und die Kosten für die Entwicklung des Designs vor der Qualifizierungsphase erhöhen.

Vector Signalgeneratoren, die normkonforme Signale erzeugen können, und Spektrum-/Signalanalysatoren, die diese Signale demodulieren können, sind ideale Werkzeuge zur Bewertung der Geräteleistung basierend auf dem ausgewählten Funkstandard.

IoT Challenge 4-EMI/EMV- und KoexistenztestingWir können EMV als Maß dafür definieren, ob ein Produkt wie erwartet funktioniert, und es wird nicht die Fähigkeit anderer Produkte beeinträchtigen, in einer gemeinsamen Betriebsumgebung wie erwartet zu funktionieren. EMI kann auch als jede elektromagnetische Energie definiert werden, die verhindert, dass das Gerät wie erwartet funktioniert. Da die Anzahl der drahtlosen Kommunikationsgeräte exponentiell wächst, steigt das elektromagnetische Rauschen in der Betriebsumgebung entsprechend an und das Risiko einer Leistungsverschlechterung durch Interferenzen steigt ebenfalls.

Obwohl die Verwendung von vorkertifizierten HF-Modulen dazu beiträgt, die Möglichkeit zu verringern, dass fertige Geräte den vorgeschriebenen EMV-Konformitätstest nicht entsprechen, garantiert sie nicht, dass das Endprodukt die relevanten Anforderungen erfüllt.

Die Verwendung guter EMI-technischer Gegenmaßnahmen von Anfang an und die Bewertung der tatsächlichen elektromagnetischen Verträglichkeit der Geräte vor der Konformitätstestphase (Pre-Compliance-Test) hilft, kostspielige Redesigns und Verzögerungen zu vermeiden, die die Markteinführungszeit beeinträchtigen.

Im IoT-Gerätemarkt ist der Medizingerätemarkt in den letzten Jahren rasant gewachsen. Geräte, die Vitalwerte in Echtzeit übertragen können, egal ob fest, tragbar oder implantierbar, werden immer häufiger in Krankenhäusern und häuslichen Pflegeumgebungen eingesetzt. Wie andere IoT-Geräte können auch medizinische Geräte zu Quellen und Empfängern von Störungen in der Betriebsumgebung werden. Wenn sie jedoch aufgrund ihrer Verwendung bei der Erbringung medizinischer Dienstleistungen nicht wie erwartet funktionieren, können sie lebensbedrohliche Folgen haben.

Aufgrund der Schlüsselfunktionen dieser drahtlosen Geräte ist die Koexistenzprüfung zu einem wichtigen Bestandteil des Designprozesses für medizinische IoT-Geräte geworden. IEEE/ANSI C63.27 ist einer dieser Standards, der Testverfahren und Methoden beschreibt, um die Fähigkeit drahtloser Geräte zu überprüfen, mit anderen drahtlosen Diensten zu koexistieren, die im selben HF-Frequenzband arbeiten. AAMI TIR69 ist ein weiterer Standard, der Leitlinien für Medizinprodukte und die Bewertung von Funktechnologie basierend auf potenziellen Gefahren in der Betriebsumgebung (einschließlich externer Gefahren, die der Hersteller möglicherweise nicht kontrolliert) bietet.

Wie die EMV-Prüfung kann das fertige Produkt zur Endprüfung an eine Konformitätsprüfstelle gesendet werden. Mit einer vorläufigen Koexistenzprüfung während des Designprozesses kann jedoch die Toleranz des Geräts gegenüber anderen Funksignalen ermittelt und sichergestellt werden, dass akzeptable Betriebsniveaus erreicht werden können. Werden Leistungsprobleme frühzeitig entdeckt, können Minderungstechniken eingesetzt und die Leistung neu bewertet werden, bevor das endgültige Design erstellt wird.

Der Spektrum-/Signalanalysator ist das zentrale Prüfgerät für die EMV-Pre-Compliance-Prüfung und Koexistenzprüfung. Obwohl eine vollständige EMV-Prüfung einen vollständig kompatiblen EMI-Empfänger erfordert, können viele moderne Analysatoren mit Softwarepaketen ausgestattet werden, um die Vorkompatibilitätsprüfung von abgestrahlten und geleiteten Emissionen zu erleichtern, einschließlich Bandbreite, Detektoren und CISPR- und MIL-STD-konformen Bandbreiten. Frequenzbandvoreinstellungen, sowie die Grenzlinie der international anerkannten EMV-Standardgrenzwerte und die Möglichkeit, benutzerdefinierte Grenzwerte zu erstellen.

Der Koexistenztest verwendet einen Echtzeit-Spektrumanalysator und verwendet einen Hochgeschwindigkeits-Analog-Digital-Wandler (ADC), um das Spektrum kontinuierlich zu messen, und verwendet dann eine Echtzeit-schnelle Fourier-Transformation (FFT), um eine Spektrumansicht der HF-Umgebung anzuzeigen, in der sich das Testgerät befindet. Der Vektorsignalgenerator wird auch verwendet, um die Arten von Signalen zu erzeugen, die in der erwarteten analogen Betriebsumgebung auftreten, wie WiFi und Bluetooth.

IoT Herausforderung 5-RF-Leistung von drahtlosen Verbindungen Obwohl einige IoT-Geräte kabelgebundene Kommunikation verwenden, verlassen sich die meisten auf eine Form von drahtloser Technologie, um Zugang zum Netzwerk zu erhalten.Bei der Entscheidung, wie drahtlose Kommunikation am besten implementiert werden, stehen Designer von IoT-Geräten vor vielen Entscheidungen. Das Wichtigste dabei ist zu bestimmen, welche drahtlose Kommunikationstechnologie und welches Protokoll verwendet werden soll (WiMax, Wi-Fi, Zigbee, BLE, LoRa, Z-Wave und NB-IoT usw.) – und ob vorgefertigte HF-Funkmodule oder PCB-interne Designs verwendet werden.

Unabhängig davon, wie diese Konstruktionsprobleme gelöst werden können, muss die Leistung der HF-Kommunikation unter realen Bedingungen mit geeigneten Geräten getestet werden. Einige häufige Tests umfassen:

Spektrumanalysator/Signalanalysator ist normalerweise das Werkzeug der Wahl für Sendermessung, während Signalgenerator normalerweise verwendet wird, um das Signal zu erzeugen, das durch Empfänger gemessen wird, und Netzwerkanalysator wird normalerweise für Antennenmessung verwendet.

Viele moderne Signalgeneratoren und Signalanalysatoren bieten Software-Anwendungsunterstützung für die meisten gängigen drahtlosen Kommunikationsstandards, die in IoT-Geräten implementiert sind. Es kann standardbasierte Wellenformen erzeugen und Messanwendungen verwenden, die auf dem Prüfgerät selbst oder auf einem PC mit Fernbedienung laufen, um Prüfsignale zu analysieren. Wenn Ihre drahtlose Verbindung ein benutzerdefiniertes Design verwendet, gibt es einige Anwendungen, die Ihnen helfen können.

Schlussfolgerung Mit der Entwicklung neuer Technologien und der Entwicklung von Prüfstandards entwickeln sich Innovationen im Internet der Dinge, Cloud-Robotik und Automatisierung weiter, und auch die Nachfrage nach Tests und Verifikationen wird steigen, insbesondere die bestehenden, denen es zur Unterstützung des Energiemanagements zu begegnen gilt. Und künftige Herausforderungen. All diese neuen Technologien erfordern Leistung und Verifizierung. Das Management der Leistung von IoT-Geräten ist eine herausfordernde Aufgabe, denn selbst in den anspruchsvollsten Umgebungen müssen diese Geräte immer eingeschaltet und mit voller Kapazität betrieben werden.