PCBニュース - IoTテストが直面する5つの課題

今後数年間、人工知能、5 G、IoT、産業自動化（IIoT）の進歩は業界の変革と革新の歩みを速めるだろう。各業界のさまざまなIoTセンサは、自動データ転送やリモートデバイス制御に使用されます。万物相互接続の時代には、接続が当たり前になるだろう。ガートナー氏は、2020年までに200億台を超えるIoT機器が投入されると予測している。2019年は5 G商用の新たな起点となる。ユビキタスネットワークデバイスと組み合わせると、5 Gの帯域幅の増加、高速化、低遅延化は、以前は不可能とされていたアプリケーションをもたらすだろう。IoTはPCB製造、輸送、医療、消費など、多くの業界に浸透し続けるだろう。イノベーションの加速に伴い、エンジニア、デザイナー、サプライヤー、メーカーはより速い市場圧力に直面するだろう。ユビキタスネットワークデバイスの場合、各世代の製品は以前の設計よりも小さく、より強く、より構成しやすく、消費電力が低くなる必要があります。多くのユビキタスネットワークデバイスはバッテリに電力を供給するため、省電力が重要です。低電力コンポーネントを使用する必要があり、使用しない場合は電源をオフにする必要があります。バッテリ寿命を最適化するためには、適切なコンポーネントを選択し、IoTデバイスの寿命を最大限に延長することを確実にするために、現実のシーンと条件下でコンポーネントをテストする必要があります。

ユビキタスネットワークの課題1-電源管理ユビキタスネットワークデバイスは通常リモートまたはモバイル環境に配備されているため、ほとんどのデバイスはプライマリ電源としてバッテリを使用しています。デバイスの消費電力曲線を理解することは、デバイスの寿命内で最大の信頼性とパフォーマンスを確保するための鍵です。

ユビキタスネットワーク装置の消費電力を十分に特性化するためには、一般的なすべての動作条件で測定する必要があります。ユビキタスネットワークデバイスは、消費電力を最小限に抑えることを目的として設計されているため、短時間でしかアクティブにならず、ほとんどの寿命がスリープモードになっている可能性があります。

すべての動作モードにおけるデバイスの消費電力曲線を正確に測定するために、シャント、デジタルマルチメータ、DMM、電流プローブなどの一般的な電流測定技術を使用する方法に挑戦することがあります。スリープモードでは、電流は「nA」または「A」の範囲内にある可能性があります。アクティブモードでは、例えば、データを転送すると、電流が突然「mA」から「A」の範囲に変化する可能性があります。さらに、これらの電流需要の大きなピークは通常マイクロ秒以内に発生し、電力変換はいくつかの試験機器にとってより挑戦的である可能性がある。

適切な環境で使用する場合は非常に正確であることができますが、ダイナミックレンジが広いため（複数のシャントが必要な場合があります）、このタイプの測定に電流シャントを使用するのは問題がある可能性があります。複数のシャントを使用しても、アクティブモードとスリープモードを別々にテストする必要があり、実際の電流損失を得ることが困難になる可能性があります。また、固有の電圧降下のため、測定のダイナミックレンジを最大化するために過大な値を選択すると、シャント自体が試験装置に影響を与えるリスクがあります。

IoTへの挑戦2-信号と電源の完全性

ハイブリッド信号集積回路は、センサ／MEMS、同じ集積回路上で低消費電力で動作するアナログ信号およびデジタル信号を含む、モノネットワーク装置の設計に一般的に使用され、クロストークに非常に敏感である。低電力配電網は通常、電源レールにリップルやノイズ干渉が発生する機会を増加させる非常に小さな動作許容差を持っており、クロックやデジタルデータに悪影響を与える可能性があります。多くのユビキタスネットワーク装置は、クロストークと結合のリスクを高める小型物理構造において、密集した高速信号チャネルを使用する必要がある。

良好な信号完全性設計原則（可能であれば、点対点信号ルーティングトポロジを使用）を使用して、PDN全体と相互接続のトレースインピーダンスを制御し、リターンパスの長さを短く維持し、隣接トレース間に十分な空間を維持する。結合を減らすことは、信号完全性問題の緩和に役立つ。このような良好な設計原則を堅持することは信頼性の高い設計を実現するために重要であるが、装置全体に信号を搬送する構造の電気的性能を十分に特徴づける能力を持つことも重要である。

ベクトルネットワークアナライザ（VNA）は、相互接続または伝送路の電気的性質を特徴づける最も一般的なツールの1つです。挿入損失、減衰、反射、クロストーク、遅延、差分からコモンモードへの変換など、信号の完全性に影響を与える重要な特性は、アプリケーションのために適切に構成されたVNAを使用して評価することができます。さらに、いくつかのVNAは、（通常、ソフトウェアオプションによって）sパラメータ測定の時間領域変換を実行する能力があり、これはチャネルのインパルス応答を表示する。

電源完全性については、最近開発された電源レールプローブが電源レール上の超低ノイズ測定に役立ち、オシロスコープとともに使用されています。製造者によっては、これらのプローブの特性は一般的に次のとおりです。

電源ガイドがオシロスコープモニタに完全に移行するように、最大60 Vのオフセットが設定されています。ダイナミックレンジは最大1 V。ギガヘルツ動作帯域幅は、高周波ノイズが検出されないことを保証するために使用される。1：1の減衰比は測定系のノイズを低減することができる。50 kアイランドインピーダンスは負荷を低減することができる。信号と電源の整合性の問題を検出するために適切なツールを選択することは、パフォーマンスの低下の原因を十分に特定し、解決し、設計の真のパフォーマンスを検証するために非常に重要です。VNA、電源ガイドプローブ、オシロスコープは、この目標を達成するためのツールの一部にすぎません。

IoTの課題3-ワイヤレス標準互換性ZigbeeまたはWi-Fiを介して短距離接続用のデバイスを開発するか、LoRaまたはLTE-Mを介してリモート接続デバイスを開発するかにかかわらず、選択したワイヤレスプロトコルは、デバイスが世界と接続し、データを共有する方法を決定します。

無線規格の仕様に準拠することにより相互運用性を確保することは、最大の市場影響力を実現する鍵である。EMI/EMCと同様に、設計サイクルの早期テストを行うことで、設計コストを開発する前に設計フェーズを遅らせたり追加したりする可能性がある問題を特定できます。

基準を満たす信号を生成することができるベクトル信号生成器と、これらの信号を復調することができるスペクトル／信号解析器は、選択された無線基準に基づいて装置の性能を評価する理想的なツールである。

ユビキタスネットワークの課題である4-EMI/EMCと共存テストEMCを、共有オペレーティング環境で他の製品が期待通りに動作することを妨げることなく、製品が期待通りに動作するかどうかを測定する指標として定義することができます。EMIは、予想通りにデバイスが動作することを阻止する任意の電磁エネルギーとして定義することもできる。無線通信装置の数が指数関数的に増加し続けるにつれて、動作環境における電磁ノイズは増加し、干渉による性能低下のリスクも増加する。

事前認証された無線周波数モジュールを使用することで、完全なデバイスがEMCコンプライアンス・テストに合格しない可能性を減らすことができますが、最終的な製品が関連要件に適合することを保証することはできません。

設計当初から良好なEMIエンジニアリング対策を使用し、整合性試験段階（事前整合性試験）の前に設備の実際の電磁互換性性能を評価することで、発売時間に影響を与える高価な再設計と遅延を回避するのに役立ちます。

ユビキタスネットワーク機器市場では、医療機器市場は近年急速に成長している。リアルタイムバイタルサインを伝送することができるデバイスは、固定的であれ、着用可能であれ、インプラントであれ、病院やホームケア環境で一般的になっています。他のユビキタスネットワークデバイスと同様に、医療デバイスもオペレーティング環境における干渉のソースと受信機になる可能性があります。しかし、医療サービスを提供する上での用途を考慮すると、予想通りに操作できなければ、命にかかわる結果になる可能性があります。

これらの無線デバイスの重要な機能のため、共存テストはIoT医療デバイス設計プロセスの重要な構成要素となっている。IEEE／ANSI C 63.27は、これらの規格の1つであり、同じRF帯域で動作する他の無線サービスと無線デバイスが共存する能力を検証するための試験手順および方法を概説している。AAMI TIR 69は、製造業者が制御できない可能性のある外部の危険を含むオペレーティング環境における潜在的な危険に基づいて医療機器を評価する方法を指導する別の基準である。

EMCテストと同様に、最終テストのために完成品が一貫性テスト機関に送られる可能性があります。しかし、設計プロセスにおける予備的な共存テストは、他の無線信号に対するデバイスの許容差を決定し、許容可能な動作レベルを確実に実現するために使用することができる。パフォーマンスの問題が早期に見つかった場合は、緩和テクノロジーを使用して、最終的な設計決定の前にパフォーマンスを再評価することができます。

スペクトル/信号分析器はEMCの予備適合性試験と共存試験の重要な試験装置である。完全なEMCテストには完全に互換性のあるEMI受信機が必要ですが、多くの近代的なアナライザは、帯域幅、検出器、CISPRおよびMIL STDに準拠した帯域幅など、放射線と伝導の送信を容易にするための事前互換性テストを支援するソフトウェアパッケージを搭載することができます。帯域プリセット、および国際的に認められているEMC標準規制の規制線、およびユーザーのオプション規制を作成するためのオプション。

共存試験はリアルタイムスペクトル分析器を使用し、高速アナログデジタル変換器（ADC）を使用してスペクトルを連続サンプリングし、その後、リアルタイム高速フーリエ変換（FFT）を使用して試験装置が存在する無線周波数環境のスペクトルビューを表示する。ベクトル信号生成器は、予想されるアナログ動作環境で遭遇する信号タイプ、例えばWiFiやBluetoothを生成するためにも使用される。

ユビキタスネットワークの課題5-RF無線接続性能一部のユビキタスネットワーク装置は有線通信を使用するが、ほとんどの装置は何らかの形の無線技術に依存してネットワークにアクセスする。無線通信を最適に実現する方法を決定する際、ユビキタスネットワーク装置の設計者は多くの決定に直面する。その中で最も重要なのは、どの無線通信技術とプロトコル（WiMax、Wi-Fi、Zigbee、BLE、LoRa、Z-Wave、NB-IoTなど）を使用するかどうかを決定することと、プレキャストRF無線モジュールまたはPCB内部設計を使用するかどうかを決定することです。

これらの設計上の問題を解決するには、無線周波数通信の性能は、実際の条件下でタスクに適したデバイスを使用してテストしなければならない。一般的なテストには、次のものがあります。

スペクトルアナライザ／信号アナライザは通常、送信機測定のための優先的なツールであり、信号生成器は通常、受信機測定の信号を生成するために使用され、ネットワークアナライザは通常、アンテナ測定のために使用される。

多くの現代の信号発生器と信号解析器は、IoTデバイスで実現される最も一般的な無線通信規格にソフトウェアアプリケーションのサポートを提供している。標準ベースの波形を生成することができ、試験装置自体またはリモコン付きPCで動作する測定アプリケーションを使用して試験信号を解析することができます。ワイヤレス接続にカスタムデザインを使用している場合は、一部のアプリケーションが役立つ可能性があります。

要するに、新技術の発展とテスト基準の変化に伴い、モノのインターネット、クラウドロボット、自動化分野の革新が絶えず発展し、テストと検証に対する需要も増加し、特に電源管理をサポートするために必要な既存の需要が増加する。そして未来への挑戦。これらの新しい技術はすべて電力と検証が必要です。ユビキタスネットワークデバイスの電源管理は、最も困難な環境でも常に電源を入れてフル稼働しなければならないため、課題となるタスクです。