L'actualité PCB - Cinq défis pour les tests IOT

Au cours des prochaines années, les progrès de l’intelligence artificielle, de la 5G, de l’internet des objets et de l’automatisation industrielle (iiot) accéléreront le rythme du changement et de l’innovation dans l’industrie. Divers capteurs IOT de tous les horizons seront utilisés pour la transmission automatique des données et le contrôle à distance des appareils. À l'ère de l'Internet de tout, la connectivité deviendra monnaie courante. Gartner prévoit que plus de 20 milliards d’appareils IOT seront opérationnels d’ici 2020, 2019 étant un nouveau point de départ pour le commerce de la 5G. En combinaison avec les appareils IOT, la bande passante accrue, les vitesses plus rapides et la latence réduite de la 5G apporteront des applications auparavant considérées comme impossibles. L'IOT continuera de pénétrer de nombreux secteurs tels que la fabrication de PCB, le transport, le médical, la consommation, etc. À mesure que le rythme de l'innovation s'accélère, les ingénieurs, les concepteurs, les fournisseurs et les fabricants seront soumis à une pression accrue sur le marché. Pour les appareils IOT, chaque génération de produits doit être plus petite, plus puissante, plus facile à configurer et consommer moins d'énergie que les conceptions précédentes. Étant donné que de nombreux appareils IOT sont alimentés par batterie, les économies d'énergie sont essentielles. Des composants de faible puissance doivent être utilisés et ces composants doivent être éteints lorsqu'ils ne sont pas utilisés. Pour optimiser la durée de vie de la batterie, les composants doivent être testés dans des scénarios et des conditions réalistes afin de s'assurer que les bons composants sont sélectionnés pour maximiser la durée de vie des appareils IOT.

IOT Challenge 1 - gestion de l'alimentation Étant donné que les appareils IOT sont généralement déployés dans des environnements distants ou mobiles, la plupart d'entre eux utilisent des batteries comme source d'alimentation principale. Comprendre la courbe de consommation d'énergie d'un appareil est essentiel pour garantir une fiabilité et des performances maximales tout au long de sa durée de vie.

Afin de caractériser adéquatement la consommation d'énergie d'un dispositif IOT, les mesures doivent être effectuées dans toutes les conditions de fonctionnement courantes. Étant donné que les appareils IOT sont conçus pour minimiser la consommation d’énergie, ils ne peuvent être actifs que pendant une courte période et passer la majeure partie de leur vie en mode « sommeil».

Pour mesurer avec précision la courbe de consommation d'énergie d'un appareil dans tous les modes de fonctionnement, vous pouvez être confronté à des défis sur la façon d'utiliser les techniques de mesure de courant courantes telles que les Shunts, les multimètres numériques, les DMM ou les sondes de courant. En mode sommeil, le courant peut être compris entre "Na" ou "a"; En mode actif, par example lors de la transmission de données, le courant peut varier brusquement dans une plage allant de "Ma" à "a". De plus, ces pics importants de demande de courant se produisent généralement en microsecondes, et la conversion de puissance peut être plus difficile pour certains instruments de test.

Bien qu'ils puissent être très précis lorsqu'ils sont utilisés dans le bon environnement, l'utilisation de Shunts de courant pour ce type de mesure peut être problématique en raison de la grande plage dynamique impliquée (plusieurs Shunts peuvent être nécessaires). Même avec plusieurs Shunts, il peut être nécessaire de tester séparément les modes d'activité et de sommeil, ce qui rend difficile l'obtention d'une véritable perte de courant. De plus, en raison de la chute de tension intrinsèque, le shunt lui - même risque d'affecter le dispositif de test si des valeurs trop importantes sont choisies pour maximiser la dynamique mesurée.

IOT Challenge 2 - intégrité du signal et de l'alimentation

Les circuits intégrés à signaux mixtes sont couramment utilisés dans la conception de dispositifs IOT, y compris des capteurs / MEMS, des signaux analogiques et numériques fonctionnant sur le même circuit intégré avec une faible consommation d'énergie, et ils sont très sensibles à la diaphonie. Les réseaux de distribution de faible puissance ont généralement des tolérances de fonctionnement très faibles, ce qui augmente les risques d'ondulation et de perturbations sonores sur les rails d'alimentation, ce qui peut nuire à l'horloge et aux données numériques. De nombreux appareils IOT nécessitent l'utilisation de canaux de signal denses à haute vitesse dans de petites structures physiques, ce qui augmente les risques de diaphonie et de couplage.

En utilisant de bons principes de conception de l'intégrité du signal (si possible, en utilisant une topologie de routage de signal point à point), contrôler l'impédance de trace de l'ensemble du PDN et des interconnexions, maintenir la longueur du chemin de retour courte et maintenir un espace suffisant entre les traces adjacentes. Réduire le couplage aidera à atténuer les problèmes d'intégrité du signal. Bien que l'adhésion à de tels principes de bonne conception soit essentielle pour obtenir une conception fiable, il est également essentiel d'avoir la capacité de caractériser de manière adéquate les propriétés électriques de la structure qui transporte le signal dans tout l'appareil.

L'analyseur de réseau vectoriel (vna) est l'un des outils les plus couramment utilisés pour caractériser les performances électriques de toute ligne d'interconnexion ou de transmission. Les caractéristiques importantes qui affectent l'intégrité du signal, telles que la perte d'insertion, l'atténuation, la réflexion, la diaphonie, la latence et la conversion différentielle en mode commun, peuvent toutes être évaluées à l'aide d'un vna correctement configuré pour l'application. En outre, certains vna ont la capacité (généralement via une option logicielle) de faire une conversion temporelle de la mesure de paramètre s, qui affichera la réponse impulsionnelle du canal.

En ce qui concerne l'intégrité de l'alimentation, la sonde Power Rail récemment développée facilite les mesures à très faible bruit sur les guides d'alimentation et est utilisée avec les oscilloscopes. Selon le fabricant, les caractéristiques de ces sondes comprennent généralement:

Offset jusqu'à 60v pour assurer le transfert complet du rail d'alimentation sur l'affichage de l'oscilloscope plage dynamique jusqu'à 1V bande passante de fonctionnement gigahertz pour s'assurer qu'aucun bruit à haute fréquence n'est détecté un rapport d'atténuation de 1: 1 peut réduire le bruit du système de mesure une impédance d'îlot de 50k peut réduire la charge il est important de choisir le bon outil pour détecter les problèmes d'intégrité du signal et de l'alimentation Il est important d'identifier et de résoudre correctement les causes des mauvaises performances et de vérifier les performances réelles de la conception. Les vna, les sondes Power rail et les oscilloscopes ne sont que quelques - uns des outils qui aideront à atteindre cet objectif.

IOT Challenge 3 - Compatibilité standard sans fil que vous développiez un appareil connecté sur de courtes distances via ZigBee ou Wi - FI, ou un appareil connecté à distance via Lora ou LTE - M, le Protocole sans fil que vous choisissez déterminera comment votre appareil se connecte et partage des données avec le monde.

Assurer l'interopérabilité en suivant les spécifications des normes sans fil est essentiel pour atteindre un impact maximal sur le marché. Comme pour EMI / EMC, les tests précoces du cycle de conception peuvent vous aider à identifier les problèmes pouvant entraîner des retards et augmenter les coûts de développement de la conception avant la phase de qualification.

Un générateur de signaux vectoriels qui peut générer des signaux conformes aux normes et un analyseur de spectre / signal qui peut démoduler ces signaux sont des outils idéaux pour évaluer les performances d'un appareil en fonction des normes sans fil sélectionnées.

IOT Challenge 4 - EMI / EMC et tests de coexistence nous pouvons définir l'EMC comme une mesure pour savoir si un produit fonctionne comme prévu, ce qui n'empêche pas les autres produits de fonctionner comme prévu dans un environnement d'exploitation partagé. EMI peut également être défini comme toute énergie électromagnétique qui empêche un appareil de fonctionner comme prévu. Comme le nombre d'appareils de communication sans fil continue de croître de façon exponentielle, le bruit électromagnétique dans l'environnement d'exploitation augmente en conséquence et le risque de dégradation des performances due aux interférences augmente également.

Bien que l'utilisation de modules RF pré - certifiés contribue à réduire la probabilité que l'équipement fini ne passe pas les tests de conformité Cem, cela ne garantit pas que le produit final sera conforme aux exigences pertinentes.

L'utilisation de bonnes contre - mesures techniques EMI dès le début de la conception et l'évaluation des performances réelles de compatibilité électromagnétique de l'appareil avant la phase de test de conformité (test de pré - conformité) peuvent aider à éviter des remaniements coûteux et des retards affectant le délai de mise sur le marché.

Sur le marché des appareils IOT, le marché des appareils médicaux a connu une croissance rapide ces dernières années. Les dispositifs capables de transmettre des signes vitaux en temps réel, qu'ils soient fixes, portables ou implantables, sont de plus en plus courants dans les hôpitaux et les environnements de soins à domicile. Comme d'autres appareils IOT, les appareils médicaux peuvent également être une source et un récepteur d'interférences dans l'environnement opérationnel. Cependant, compte tenu de leur utilisation dans la prestation de services médicaux, ils peuvent avoir des conséquences potentiellement mortelles s'ils ne fonctionnent pas comme prévu.

En raison des fonctionnalités clés de ces dispositifs sans fil, les tests de coexistence sont devenus une partie importante du processus de conception des dispositifs médicaux IOT. L'IEEE / ANSI c63.27 est l'une de ces normes qui décrit les procédures et les méthodes de test pour vérifier la capacité d'un périphérique sans fil à coexister avec d'autres services sans fil fonctionnant dans la même bande RF. AAMI tir69 est une autre norme qui fournit des conseils sur les dispositifs médicaux et sur la façon d'évaluer la technologie sans fil en fonction des dangers potentiels dans l'environnement d'exploitation, y compris les dangers externes qui peuvent échapper au contrôle du fabricant.

Comme pour les tests EMC, le produit fini peut être envoyé à un organisme de contrôle de conformité pour un test final. Cependant, des tests préliminaires de coexistence au cours du processus de conception peuvent être utilisés pour déterminer la tolérance de l'appareil à d'autres signaux radio et pour s'assurer qu'un niveau de fonctionnement acceptable peut être atteint. Si les problèmes de performance sont détectés tôt, des techniques d'atténuation peuvent être utilisées et les performances peuvent être réévaluées avant que la conception finale ne soit finalisée.

L'analyseur de spectre / signal est un équipement de test clé pour les tests de pré - conformité EMC et les tests de coexistence. Bien que les tests CEM complets nécessitent un récepteur EMI entièrement compatible, de nombreux Analyseurs modernes peuvent être équipés de progiciels pour faciliter les tests de pré - compatibilité pour les émissions rayonnées et conductrices, y compris les bandes passantes, les détecteurs et les bandes passantes conformes aux normes CISPR et mil std. Préréglages de bande de fréquence, ainsi que des lignes de restriction pour les limites des normes CEM internationalement reconnues, et la possibilité de créer des limites facultatives pour l'utilisateur.

Le test de coexistence utilise un analyseur de spectre en temps réel et utilise un convertisseur analogique - numérique (ADC) à grande vitesse pour échantillonner en continu le spectre, puis une transformée de Fourier rapide (FFT) en temps réel pour afficher une vue spectrale de l'environnement RF dans lequel se trouve l'équipement de test. Le générateur de signaux vectoriels est également utilisé pour générer les types de signaux rencontrés dans l'environnement d'exploitation analogique attendu, par example wifi et Bluetooth.

5 - RF performance de la connectivité sans fil bien que certains appareils IOT utiliseront des communications filaires, la plupart d'entre eux s'appuieront sur une forme de technologie sans fil pour accéder au réseau. Les concepteurs d'appareils IOT sont confrontés à de nombreuses décisions lorsqu'ils décident de la meilleure façon de mettre en œuvre les communications sans fil. Le plus important d’entre eux est de déterminer quelle technologie et quel protocole de communication sans fil utiliser (WiMAX, Wi - FI, ZigBee, ble, Lora, Z - wave et NB - IOT, entre autres) et s’il faut utiliser un module sans fil RF préfabriqué ou une conception interne de PCB.

Quoi qu'il en soit pour résoudre ces problèmes de conception, les performances des communications RF doivent être testées dans des conditions réelles avec un équipement adapté à la tâche. Certains tests courants comprennent:

Un analyseur de spectre / analyseur de signal est généralement l'outil de choix pour les mesures d'émetteur, tandis qu'un générateur de signal est généralement utilisé pour générer le signal mesuré par le récepteur et un analyseur de réseau est généralement utilisé pour les mesures d'antenne.

De nombreux générateurs et Analyseurs de signaux modernes offrent un support logiciel pour la plupart des normes de communication sans fil courantes mises en œuvre dans les appareils IOT. Il peut générer des formes d'onde basées sur des normes et peut analyser les signaux de test à l'aide d'applications de mesure exécutées sur l'appareil de test lui - même ou sur un PC avec télécommande. Si votre connexion sans fil utilise un design personnalisé, certaines applications peuvent vous aider.

En conclusion, au fur et à mesure que les nouvelles technologies évoluent et que les normes de test évoluent, les innovations dans les domaines de l’iot, de la robotique en nuage et de l’automatisation continuent d’évoluer, les besoins en tests et en validation vont également augmenter, en particulier les besoins existants pour soutenir la gestion de l’énergie. Et les défis à venir. Toutes ces nouvelles technologies nécessitent de l’électricité et de la validation. La gestion de l'alimentation des appareils IOT est une tâche difficile, car ces appareils doivent toujours être alimentés et fonctionner à pleine capacité, même dans les environnements les plus difficiles.