Notizie PCB - Cinque sfide per i test IoT

Nei prossimi anni, i progressi in AI, 5G, IoT e automazione industriale (IIoT) accelereranno il ritmo dei cambiamenti e dell'innovazione del settore. Vari sensori IoT in tutti i settori saranno utilizzati per la trasmissione automatica dei dati e il controllo remoto dei dispositivi. Nell'era dell'Internet of Everything, la connettività diventerà un luogo comune. Entro il 2020, Gartner prevede che più di 20 miliardi di dispositivi IoT saranno messi in uso.Il 2019 è un nuovo punto di partenza per l'uso commerciale 5G. In combinazione con i dispositivi IoT, l'aumento della larghezza di banda, la velocità più veloce e la latenza inferiore del 5G porteranno applicazioni che in precedenza erano considerate impossibili. L'Internet delle cose continuerà a penetrare in molteplici settori, come la produzione di PCB, i trasporti, i medici, i consumatori, ecc. Poiché il ritmo dell'innovazione accelera, ingegneri, progettisti, fornitori e produttori dovranno affrontare una pressione più rapida sul mercato. Per i dispositivi IoT, ogni generazione di prodotti deve essere più piccola, più potente, più facile da configurare e utilizzare meno energia rispetto ai progetti precedenti. Poiché molti dispositivi IoT sono alimentati a batteria, il risparmio energetico è essenziale. Devono essere utilizzati componenti a bassa potenza e questi componenti devono essere spenti quando non sono in uso. Al fine di ottimizzare la durata della batteria, i componenti devono essere testati in scenari e condizioni realistiche per garantire che i componenti corretti siano selezionati per massimizzare la durata dei dispositivi IoT.

1-Gestione dell'alimentazione Dal momento che i dispositivi IoT sono solitamente distribuiti in remoto o in un ambiente mobile, la maggior parte dei dispositivi utilizza le batterie come fonte di alimentazione principale. Comprendere la curva del consumo energetico di un dispositivo è la chiave per garantire la massima affidabilità e prestazioni durante la vita del dispositivo.

Al fine di caratterizzare appieno il consumo energetico dei dispositivi IoT, deve essere misurato in tutte le condizioni operative comunemente incontrate. Poiché i dispositivi IoT sono progettati per ridurre al minimo il consumo energetico, potrebbero essere attivi solo per un breve periodo di tempo e la maggior parte della loro durata è in modalità "sleep".

Per misurare con precisione la curva del consumo energetico del dispositivo in tutte le modalità operative, è possibile incontrare la sfida di come utilizzare le tecniche comuni di misurazione della corrente (come shunt, multimetri digitali, DMM o sonde di corrente). In modalità sleep, la corrente può trovarsi nell'intervallo "nA" o "uA"; in modalità attiva, ad esempio, durante la trasmissione dei dati, la corrente può improvvisamente cambiare nell'intervallo "mA" a "A". Inoltre, questi grandi picchi nella domanda corrente di solito si verificano entro microsecondi e la conversione di potenza può essere più difficile per alcuni strumenti di prova.

Anche se possono essere molto precisi se utilizzati nell'ambiente giusto, a causa dell'ampio intervallo dinamico coinvolto (possono essere necessari shunt multipli), l'uso degli shunt correnti per questo tipo di misura può essere problematico. Anche se vengono utilizzati shunt multipli, potrebbe essere necessario testare separatamente la modalità attiva e la modalità sleep, il che rende difficile ottenere la vera perdita di corrente. Inoltre, a causa della caduta di tensione intrinseca, se viene selezionato un valore eccessivamente grande per massimizzare l'intervallo dinamico della misura, lo shunt stesso ha il rischio di colpire l'apparecchiatura di prova.

IoT Challenge 2 - Integrità del segnale e dell'alimentazione

I circuiti integrati a segnale misto sono spesso utilizzati nella progettazione di dispositivi IoT, inclusi sensori/MEMS, segnali analogici e digitali che funzionano con un consumo energetico inferiore sullo stesso circuito integrato, e sono molto sensibili al crosstalk. Le reti di distribuzione a bassa potenza di solito hanno tolleranze di funzionamento molto piccole, il che aumenta la possibilità di ripple e interferenze di rumore sulla guida elettrica, che possono influenzare negativamente orologi e dati digitali. Molti dispositivi IoT richiedono canali di segnale densi ad alta velocità in una piccola struttura fisica, il che aumenta il rischio di crosstalk e accoppiamento.

Utilizzare buoni principi di progettazione dell'integrità del segnale (se possibile, utilizzare la topologia di routing del segnale punto a punto), controllare l'impedenza di traccia dell'intera PDN e dell'interconnessione, mantenere la lunghezza del percorso di ritorno breve e mantenere uno spazio sufficiente tra le tracce adiacenti Ridurre l'accoppiamento aiuterà ad alleviare i problemi di integrità del segnale. Pur aderendo a buoni principi progettuali come questo è essenziale per ottenere un design affidabile, è anche essenziale avere la capacità di caratterizzare pienamente le prestazioni elettriche della struttura che trasporta il segnale in tutto il dispositivo.

L'analizzatore di rete vettoriale (VNA) è uno degli strumenti più comunemente utilizzati per caratterizzare le prestazioni elettriche di qualsiasi linea di interconnessione o trasmissione. Le caratteristiche importanti che influiscono sull'integrità del segnale, come perdita di inserimento, attenuazione, riflessione, crosstalk, ritardo e conversione differenziale-modalità comune, possono essere valutate con una VNA configurata correttamente per l'applicazione. Inoltre, alcune VNA hanno la capacità (di solito attraverso un'opzione software) di eseguire una conversione del dominio temporale della misurazione del parametro s, che mostrerà la risposta d'impulso del canale.

Per quanto riguarda l'integrità dell'alimentazione, la sonda elettrica sviluppata di recente facilita le misurazioni a bassissimo rumore sulla guida elettrica ed è utilizzata in combinazione con un oscilloscopio. A seconda del produttore, le caratteristiche di queste sonde generalmente includono:

Fino a 60V offset per garantire che la guida di alimentazione sia completamente spostata sul display dell'oscilloscopio. La gamma dinamica è fino a 1V.Gigahertz opera la larghezza di banda per garantire che il rumore ad alta frequenza non venga rilevato. Il rapporto di attenuazione 1:1 può ridurre il rumore del sistema di misura.50kΩ impedenza per ridurre il carico. Scegliere gli strumenti giusti per rilevare i problemi di integrità del segnale e dell'alimentazione è molto importante per identificare e risolvere pienamente le cause delle scarse prestazioni e verificare le reali prestazioni del progetto. VNA, sonde elettriche e oscilloscopi sono solo alcuni degli strumenti che aiutano a raggiungere questo obiettivo.

Compatibilità standard wireless IoT Challenge 3-Che si stia sviluppando un dispositivo per la connessione a breve distanza tramite Zigbee o Wi-Fi, o un dispositivo di connessione a lunga distanza tramite LoRa o LTE-M, il protocollo wireless scelto determinerà come il dispositivo si connette e condivida i dati con il mondo.

Garantire l'interoperabilità seguendo le specifiche delle norme senza fili è la chiave per ottenere la massima influenza sul mercato. Come per EMI/EMC, i test all'inizio del ciclo di progettazione possono aiutare a identificare i problemi che possono causare ritardi e aumentare i costi di sviluppo del progetto prima della fase di qualificazione.

I generatori di segnali vettoriali in grado di generare segnali conformi agli standard e gli analizzatori di spettro/segnale in grado di demodulare questi segnali sono strumenti ideali per valutare le prestazioni del dispositivo in base allo standard wireless selezionato.

IoT Challenge 4-EMI/EMC e test di coesistenza Possiamo definire EMC come una misura del rendimento di un prodotto come previsto, e non ostacolerà la capacità di altri prodotti di eseguire come previsto in un ambiente operativo condiviso. EMI può anche essere definita come qualsiasi energia elettromagnetica che impedisce al dispositivo di funzionare come previsto. Poiché il numero di dispositivi di comunicazione wireless continua a crescere esponenzialmente, il rumore elettromagnetico nell'ambiente operativo aumenta di conseguenza e aumenta anche il rischio di degrado delle prestazioni dovuto alle interferenze.

Sebbene l'uso di moduli RF pre-certificati contribuisca a ridurre la possibilità che le apparecchiature completate non soddisfino i test di conformità EMC normativi, non garantisce che il prodotto finale soddisfi i requisiti pertinenti.

L'utilizzo di buone contromisure ingegneristiche EMI dall'inizio della progettazione e la valutazione delle effettive prestazioni di compatibilità elettromagnetica dell'apparecchiatura prima della fase di test di conformità (test di pre-conformità) aiuta a evitare costosi riprogettazioni e ritardi che influiscono sul time to market.

Nel mercato dei dispositivi IoT, il mercato dei dispositivi medici è cresciuto rapidamente negli ultimi anni. I dispositivi in grado di trasmettere in tempo reale segni vitali, fissi, indossabili o impiantabili, stanno diventando sempre più comuni negli ospedali e negli ambienti di assistenza domiciliare. Come altri dispositivi IoT, anche i dispositivi medici possono diventare fonti e ricevitori di interferenze nell'ambiente operativo. Tuttavia, dato il loro uso nella fornitura di servizi medici, se non funzionano come previsto, possono causare conseguenze pericolose per la vita.

Grazie alle funzioni chiave di questi dispositivi wireless, il test di coesistenza è diventato una parte importante del processo di progettazione dei dispositivi medici IoT. IEEE/ANSI C63.27 è uno di questi standard, che delinea procedure e metodi di test per verificare la capacità dei dispositivi wireless di coesistere con altri servizi wireless operanti nella stessa banda di frequenza RF. AAMI TIR69 è un altro standard che fornisce indicazioni per i dispositivi medici e su come valutare la tecnologia wireless in base ai potenziali pericoli nell'ambiente operativo (compresi i pericoli esterni che il fabbricante potrebbe non controllare).

Come il test EMC, il prodotto finito può essere inviato ad un'agenzia di test di conformità per il test finale. Tuttavia, i test preliminari di coesistenza durante il processo di progettazione possono essere utilizzati per determinare la tolleranza del dispositivo ad altri segnali radio e garantire che possano essere raggiunti livelli accettabili di funzionamento. Se i problemi di prestazione vengono scoperti in anticipo, è possibile utilizzare tecniche di mitigazione e rivalutare le prestazioni prima che venga stabilita la progettazione finale.

L'analizzatore di spettro/segnale è l'apparecchiatura di prova chiave per i test di pre-conformità EMC e di coesistenza. Sebbene il test EMC completo richieda un ricevitore EMI completamente compatibile, molti analizzatori moderni possono essere dotati di pacchetti software per facilitare i test di pre-compatibilità delle emissioni irradiate e condotte, tra cui larghezza di banda, rivelatori e larghezze di banda conformi CISPR e MIL-STD. Preset della banda di frequenza, nonché la linea limite dei limiti standard EMC riconosciuti a livello internazionale e la possibilità di creare limiti selezionabili dall'utente.

Il test di coesistenza utilizza un analizzatore di spettro in tempo reale e utilizza un convertitore analogico-digitale ad alta velocità (ADC) per campionare continuamente lo spettro, quindi utilizza una trasformazione Fourier veloce in tempo reale (FFT) per visualizzare una vista dello spettro dell'ambiente RF in cui si trova l'apparecchiatura di prova. Il generatore di segnali vettoriali viene utilizzato anche per generare i tipi di segnali incontrati nell'ambiente operativo analogico previsto, come WiFi e Bluetooth.

Prestazioni 5-RF delle connessioni wireless Sebbene alcuni dispositivi IoT utilizzino comunicazioni cablate, la maggior parte si baserà su una qualche forma di tecnologia wireless per ottenere l'accesso alla rete. Quando si decide come implementare al meglio la comunicazione wireless, i progettisti di dispositivi IoT devono affrontare molte decisioni. Il più importante di questi è determinare quale tecnologia e protocollo di comunicazione wireless utilizzare (WiMax, Wi-Fi, Zigbee, BLE, LoRa, Z-Wave e NB-IoT, ecc.) e se utilizzare moduli wireless RF prefabbricati o progetti interni PCB.

Non importa come risolvere questi problemi di progettazione, le prestazioni della comunicazione RF devono essere testate in condizioni reali utilizzando attrezzature adatte al compito. Alcuni test comuni includono:

Analizzatore di spettro / analizzatore di segnale è solitamente lo strumento di scelta per la misura del trasmettitore, mentre il generatore di segnale è solitamente utilizzato per generare il segnale misurato dal ricevitore e l'analizzatore di rete è solitamente utilizzato per la misurazione dell'antenna.

Molti moderni generatori di segnale e analizzatori di segnale forniscono supporto per applicazioni software per gli standard di comunicazione wireless più comuni implementati nei dispositivi IoT. Può generare forme d'onda basate su standard e può utilizzare applicazioni di misura in esecuzione sull'apparecchiatura di prova stessa o su un PC con telecomando per analizzare i segnali di prova. Se la connessione wireless utilizza un design personalizzato, ci sono alcune applicazioni che possono aiutarti.

In concluzioneCon lo sviluppo di nuove tecnologie e l'evoluzione degli standard di test, le innovazioni nell'Internet of Things, la robotica cloud e l'automazione continuano a svilupparsi, e aumenterà anche la domanda di test e verifica, soprattutto quelle esistenti che devono essere affrontate per supportare la gestione dell'energia. E sfide future. Tutte queste nuove tecnologie richiedono potenza e verifica. Gestire la potenza dei dispositivi IoT è un compito impegnativo, perché anche negli ambienti più impegnativi, questi dispositivi devono essere sempre accesi e funzionanti a piena capacità.