Noticias de PCB - Cinco retos para las pruebas de IoT

En los próximos años, los avances en IA, 5G, IoT y automatización industrial (IIoT) acelerarán el ritmo del cambio y la innovación en la industria. Se utilizarán diversos sensores IoT en todos los sectores para la transmisión automática de datos y el control remoto de dispositivos. En la era del Internet de Todo, la conectividad se convertirá en algo habitual. Para 2020, Gartner prevé que se habrán puesto en funcionamiento más de 20.000 millones de dispositivos IoT.

2019 es un nuevo punto de partida para el uso comercial de la 5G. En combinación con los dispositivos IoT, el mayor ancho de banda, la mayor velocidad y la menor latencia del 5G aportarán aplicaciones que antes se consideraban imposibles. El Internet de las Cosas seguirá penetrando en múltiples sectores, como la fabricación de placas de circuito impreso, el transporte, la medicina, el consumo, etc.

A medida que el ritmo de la innovación se acelere, los ingenieros, diseñadores, proveedores y fabricantes se enfrentarán a una presión más rápida para comercializar. Para los dispositivos IoT, cada generación de productos tiene que ser más pequeña, más potente, más fácil de configurar y consumir menos energía que los diseños anteriores. Dado que muchos dispositivos IoT funcionan con baterías, el ahorro de energía es esencial. Deben utilizarse componentes de bajo consumo, y estos componentes deben apagarse cuando no estén en uso. Para optimizar la duración de la batería, los componentes deben probarse en escenarios y condiciones realistas para garantizar que se seleccionan los componentes correctos para maximizar la vida útil de los dispositivos IoT.

Reto IoT 1-Gestión de la energía

Dado que los dispositivos IoT suelen desplegarse de forma remota o en un entorno móvil, la mayoría de ellos utilizan baterías como fuente de alimentación principal. Comprender la curva de consumo de energía de un dispositivo es la clave para garantizar la máxima fiabilidad y rendimiento durante la vida útil del dispositivo.

Para caracterizar completamente el consumo de energía de los dispositivos IoT, debe medirse en todas las condiciones de funcionamiento habituales. Dado que los dispositivos IoT están diseñados para minimizar el consumo de energía, es posible que solo estén activos durante un breve periodo de tiempo y que la mayor parte de su vida útil transcurra en modo «reposo».

Traducción realizada con la versión gratuita del traductor DeepL.com

Para medir con precisión la curva de consumo de energía del dispositivo en todos los modos de funcionamiento, puede encontrarse con el reto de cómo utilizar las técnicas habituales de medición de corriente (como derivaciones, multímetros digitales, DMM o sondas de corriente). En el modo de reposo, la corriente puede estar en el rango de «nA» o «uA»; en el modo activo, por ejemplo, al transmitir datos, la corriente puede cambiar repentinamente al rango de «mA» a «A». Además, estos grandes picos en la demanda de corriente suelen producirse en microsegundos, por lo que la conversión de potencia puede resultar más complicada para algunos instrumentos de prueba.

Aunque pueden ser muy precisos cuando se utilizan en el entorno adecuado, debido al gran rango dinámico implicado (pueden requerirse múltiples derivaciones), el uso de derivaciones de corriente para este tipo de medición puede resultar problemático. Incluso si se utilizan múltiples derivaciones, puede ser necesario probar el modo activo y el modo de reposo por separado, lo que dificulta la obtención de la pérdida de corriente real. Además, debido a la caída de tensión inherente, si se selecciona un valor excesivamente grande para maximizar el rango dinámico de la medición, la propia derivación corre el riesgo de afectar al equipo de prueba.

Reto 2 de IoT: integridad de la señal y la alimentación

Los circuitos integrados de señal mixta se utilizan a menudo en el diseño de dispositivos IoT, incluidos sensores/MEMS, señales analógicas y digitales que funcionan con un menor consumo de energía en el mismo circuito integrado, y son muy sensibles a la diafonía. Las redes de distribución de baja potencia suelen tener tolerancias de funcionamiento muy pequeñas, lo que aumenta la posibilidad de interferencias de ondulación y ruido en el carril de alimentación, que pueden afectar negativamente a los relojes y los datos digitales. Muchos dispositivos IoT requieren canales de señal de alta velocidad densos en una estructura física pequeña, lo que aumenta el riesgo de diafonía y acoplamiento.

Utilizar buenos principios de diseño de integridad de la señal (si es posible, utilizar topología de enrutamiento de señal punto a punto), controlar la impedancia de traza de toda la PDN y la interconexión, mantener corta la longitud de la vía de retorno y mantener suficiente espacio entre trazas adyacentes La reducción del acoplamiento ayudará a aliviar los problemas de integridad de la señal. Aunque adherirse a buenos principios de diseño como éste es esencial para lograr un diseño fiable, también es esencial tener la capacidad de caracterizar completamente el rendimiento eléctrico de la estructura que transporta la señal a través del dispositivo.

El analizador vectorial de redes (VNA) es una de las herramientas más utilizadas para caracterizar el rendimiento eléctrico de cualquier interconexión o línea de transmisión. Las características importantes que afectan a la integridad de la señal, como la pérdida de inserción, la atenuación, la reflexión, la diafonía, el retardo y la conversión de diferencial a modo común, pueden evaluarse con un VNA configurado adecuadamente para la aplicación. Además, algunos VNA tienen la capacidad (normalmente a través de una opción de software) de realizar una conversión en el dominio del tiempo de la medición del parámetro s, que mostrará la respuesta al impulso del canal.

En cuanto a la integridad de la alimentación, la sonda de carril de alimentación, de reciente desarrollo, facilita las mediciones de ruido ultrabajo en el carril de alimentación y se utiliza junto con un osciloscopio. Dependiendo del fabricante, las características de estas sondas suelen incluir:

Desplazamiento de hasta 60V para garantizar que el carril de alimentación se desplaza completamente a la pantalla del osciloscopio.

El rango dinámico es de hasta 1V.

Ancho de banda de funcionamiento de gigahercios para garantizar que no se detecten ruidos de alta frecuencia.

La relación de atenuación 1:1 puede reducir el ruido del sistema de medición.

Impedancia de 50kΩ para reducir la carga.

Elegir las herramientas adecuadas para detectar problemas de integridad de la señal y la alimentación es muy importante para identificar y resolver completamente las causas de un rendimiento deficiente y verificar el rendimiento real del diseño. Los VNA, las sondas de carril de alimentación y los osciloscopios son algunas de las herramientas que ayudan a lograr este objetivo.

IoT Challenge 3-Compatibilidad con estándares inalámbricos

Tanto si está desarrollando un dispositivo para conexión a corta distancia a través de Zigbee o Wi-Fi, como un dispositivo para conexión a larga distancia a través de LoRa o LTE-M, el protocolo inalámbrico que elija determinará cómo se conecta su dispositivo y cómo comparte datos con el mundo El camino.

Garantizar la interoperabilidad siguiendo las especificaciones de los estándares inalámbricos es la clave para lograr la máxima influencia en el mercado. Al igual que en el caso de EMI/EMC, las pruebas en una fase temprana del ciclo de diseño pueden ayudarle a identificar problemas que pueden causar retrasos y aumentar el coste de desarrollo del diseño antes de la fase de cualificación.

Los generadores vectoriales de señales que pueden generar señales conformes con los estándares y los analizadores de espectro/señal que pueden demodular estas señales son herramientas ideales para evaluar el rendimiento del dispositivo en función del estándar inalámbrico seleccionado.

IoT Challenge 4-EMI/EMC y pruebas de coexistencia

Podemos definir EMC como una medida de si un producto funciona como se espera, y no obstaculizará la capacidad de otros productos para funcionar como se espera en un entorno operativo compartido. La EMI también puede definirse como cualquier energía electromagnética que impide que el dispositivo funcione como se espera. A medida que el número de dispositivos de comunicación inalámbrica crece exponencialmente, el ruido electromagnético en el entorno operativo aumenta en consecuencia, y el riesgo de degradación del rendimiento debido a interferencias también aumenta.

Aunque el uso de módulos de RF precertificados ayuda a reducir la posibilidad de que los equipos terminados no superen la prueba reglamentaria de conformidad CEM, no garantiza que el producto final cumpla los requisitos pertinentes.

El uso de buenas contramedidas de ingeniería EMI desde el principio del diseño y la evaluación del rendimiento real de compatibilidad electromagnética del equipo antes de la fase de prueba de conformidad (prueba previa a la conformidad) ayudan a evitar costosos rediseños y retrasos que afectan al plazo de comercialización.

En el mercado de dispositivos IoT, el de dispositivos médicos ha crecido rápidamente en los últimos años. Los dispositivos capaces de transmitir constantes vitales en tiempo real, ya sean fijos, wearables o implantables, son cada vez más comunes en hospitales y entornos de atención domiciliaria. Al igual que otros dispositivos IoT, los dispositivos médicos también pueden convertirse en fuentes y receptores de interferencias en el entorno operativo. Sin embargo, dado su uso en la prestación de servicios médicos, si no funcionan como se espera, pueden causar consecuencias potencialmente mortales.

Debido a las funciones clave de estos dispositivos inalámbricos, las pruebas de coexistencia se han convertido en una parte importante del proceso de diseño de dispositivos médicos IoT. IEEE/ANSI C63.27 es una de estas normas, que describe los procedimientos y métodos de prueba para verificar la capacidad de los dispositivos inalámbricos para coexistir con otros servicios inalámbricos que operan en la misma banda de frecuencia de RF. AAMI TIR69 es otra norma que proporciona orientación para dispositivos médicos y cómo evaluar la tecnología inalámbrica en función de los peligros potenciales en el entorno operativo (incluidos los peligros externos que el fabricante puede no controlar).

Al igual que las pruebas de CEM, el producto acabado puede enviarse a una agencia de pruebas de conformidad para que realice las pruebas finales. Sin embargo, las pruebas preliminares de coexistencia durante el proceso de diseño pueden servir para determinar la tolerancia del dispositivo a otras señales de radio y garantizar que se pueden alcanzar niveles aceptables de funcionamiento. Si se descubren problemas de rendimiento en una fase temprana, se pueden utilizar técnicas de mitigación y reevaluar el rendimiento antes de establecer el diseño final.

El analizador de espectro/señal es el equipo de prueba clave para las pruebas de compatibilidad electromagnética previas a la conformidad y las pruebas de coexistencia. Aunque las pruebas completas de EMC requieren un receptor EMI totalmente compatible, muchos analizadores modernos pueden equiparse con paquetes de software para facilitar las pruebas de precompatibilidad de emisiones radiadas y conducidas, incluido el ancho de banda, los detectores y los anchos de banda conformes con CISPR y MIL-STD. Preajustes de bandas de frecuencia, así como la línea de límites de las normas CEM reconocidas internacionalmente, y la opción de crear límites seleccionables por el usuario.

La prueba de coexistencia utiliza un analizador de espectro en tiempo real y emplea un convertidor analógico-digital (ADC) de alta velocidad para muestrear continuamente el espectro y, a continuación, utiliza una transformada rápida de Fourier (FFT) en tiempo real para mostrar una vista del espectro del entorno de RF donde se encuentra el equipo de prueba. El generador vectorial de señales también se utiliza para generar los tipos de señales que se encuentran en el entorno operativo analógico previsto, como WiFi y Bluetooth.

Desafío IoT 5-Rendimiento RF de conexiones inalámbricas

Aunque algunos dispositivos IoT utilizarán comunicaciones por cable, la mayoría dependerán de algún tipo de tecnología inalámbrica para acceder a la red. A la hora de decidir cuál es la mejor forma de implementar la comunicación inalámbrica, los diseñadores de dispositivos IoT se enfrentan a muchas decisiones. La más importante de ellas es determinar qué tecnología y protocolo de comunicación inalámbrica utilizar (WiMax, Wi-Fi, Zigbee, BLE, LoRa, Z-Wave y NB-IoT, etc.) y si utilizar módulos inalámbricos de RF prefabricados o diseños internos de PCB.

Independientemente de cómo resolver estos problemas de diseño, el rendimiento de la comunicación RF debe probarse en condiciones reales utilizando equipos adecuados para la tarea. Algunas pruebas habituales son:

El analizador de espectro/analizador de señal suele ser la herramienta elegida para la medición del transmisor, mientras que el generador de señal suele utilizarse para generar la señal medida por el receptor, y el analizador de redes suele emplearse para la medición de la antena.

Muchos generadores de señales y analizadores de señales modernos ofrecen soporte de aplicaciones de software para los estándares de comunicación inalámbrica más comunes implementados en dispositivos IoT. Pueden generar formas de onda basadas en estándares y utilizar aplicaciones de medición que se ejecutan en el propio equipo de prueba o en un PC con control remoto para analizar las señales de prueba. Si su conexión inalámbrica utiliza un diseño personalizado, existen algunas aplicaciones que pueden ayudarle.

en conclusión

Con el desarrollo de nuevas tecnologías y la evolución de las normas de ensayo, las innovaciones en el Internet de las Cosas, la robótica en la nube y la automatización siguen desarrollándose, y la demanda de ensayos y verificación también aumentará, especialmente las existentes que deben afrontarse para apoyar la gestión de la energía. Y los retos futuros. Todas estas nuevas tecnologías requieren potencia y verificación. Gestionar la alimentación de los dispositivos IoT es una tarea difícil, porque incluso en los entornos más complicados, estos dispositivos deben estar siempre encendidos y funcionar a pleno rendimiento.