PCB 뉴스 - 사물인터넷 테스트가 직면한 5대 과제

앞으로 몇 년 동안 인공 지능, 5G, 사물 인터넷 및 산업 자동화 (IIoT) 의 진보는 산업 변화와 혁신의 속도를 가속화 할 것입니다.각 분야의 각종 사물인터넷 센서는 자동 데이터 전송과 원격 장치 제어에 사용될 것이다.만물이 서로 연결되는 시대에 연결은 흔히 볼 수 있는 일이 될 것이다.가트너는 2020년까지 200억대 이상의 사물인터넷 장비가 가동될 것으로 전망했다. 2019년은 5G 상용화의 새로운 출발점이다.사물인터넷 장비와 결합하면 5G의 대역폭 증가, 더 빠른 속도, 더 낮은 지연은 이전에 불가능하다고 여겨졌던 응용을 가져올 것이다.사물인터넷은 PCB 제조, 운송, 의료, 소비 등 다양한 업종에 계속 침투할 것이다. 혁신이 가속화됨에 따라 엔지니어, 디자이너, 공급업체, 제조업체는 더욱 빠른 시장 압력에 직면하게 될 것이다.사물인터넷 설비의 경우 모든 세대 제품은 이전의 설계보다 작고 강력하며 구성이 쉽고 전력 소모가 적다.많은 사물 인터넷 설비는 모두 배터리로 전기를 공급하기 때문에 에너지 절약이 매우 중요하다.저전력 구성 요소를 사용해야 하며 사용하지 않을 때는 전원을 꺼야 합니다.배터리 수명을 최적화하기 위해서는 실제 시나리오와 조건에서 구성 요소를 테스트하여 올바른 구성 요소를 선택하고 사물 인터넷 장치의 수명을 최대한 연장해야합니다.

사물 인터넷 문제 1 - 전원 관리 사물 인터넷 장치가 일반적으로 원격 또는 모바일 환경에 배치되기 때문에 대부분의 장치는 배터리를 주요 전원으로 사용합니다.디바이스의 전력 소비량 곡선을 이해하는 것은 수명 동안 디바이스의 신뢰성과 성능을 극대화하는 열쇠입니다.

사물인터넷 설비의 전력 소비량을 충분히 나타내기 위해서는 일반적인 모든 조작 조건에서 측정해야 한다.사물 인터넷 장치는 전력 소비량을 최소화하도록 설계되어 있기 때문에 짧은 시간 동안만 작동할 수 있으며 대부분의 수명은 잠자기 모드입니다.

모든 작동 모드에서 장치의 전력 소비량을 정확하게 측정하려면 분류기, 디지털 미터, DMM 또는 전류 프로브와 같은 일반적인 전류 측정 기술을 사용하는 방법에 대한 문제가 발생할 수 있습니다.절전 모드에서는 전류가 nA 또는 A의 범위 내에 있을 수 있습니다.활성 모드에서 예를 들어, 데이터를 전송할 때 전류가 갑자기 "mA" 에서 "A" 범위로 변경될 수 있습니다.또한 이러한 전류 수요의 피크 값은 일반적으로 마이크로 초 이내에 발생하며 전력 변환은 일부 테스트 장비에 더 도전적일 수 있습니다.

이러한 유형의 측정은 올바른 환경에서 사용할 때 매우 정확할 수 있지만 동적 범위가 매우 넓기 때문에 (여러 개의 분류기가 필요할 수 있음) 전류 분류기를 사용하는 데 문제가 있을 수 있습니다.여러 개의 분류기를 사용하더라도 활성 모드와 절전 모드를 각각 테스트해야 할 수 있으므로 실제 전류 손실을 얻기 어려울 수 있습니다.또한 고유의 전압 강하로 인해 측정의 동적 범위를 최대화하기 위해 너무 큰 값을 선택하면 분류기 자체가 테스트 장비에 영향을 줄 위험이 있습니다.

사물인터넷 문제 2 - 신호 및 전원 무결성

혼합 신호 집적 회로는 일반적으로 센서/MEMS, 동일한 집적 회로에서 낮은 전력 소비로 작동하는 아날로그 및 디지털 신호를 포함하여 사물 인터넷 장치의 설계에 사용되며 직렬 교란에 매우 민감합니다.저전력 배전망은 일반적으로 매우 작은 작동 내결함성을 가지고 있으며, 이는 전원 레일에 문양과 소음 간섭이 발생할 수 있는 기회를 증가시켜 시계와 디지털 데이터에 악영향을 미칠 수 있다.많은 사물 인터넷 장치는 소형 물리 구조에서 밀집된 고속 신호 채널을 사용해야 하기 때문에 직렬 교란과 결합의 위험을 증가시킨다.

좋은 신호 무결성 설계 원칙(가능한 경우 포인트 투 포인트 신호 라우팅 토폴로지 사용)을 사용하여 전체 PDN과 연결된 패스 임피던스를 제어하고 반환 경로의 길이를 짧게 유지하며 인접 패스 사이에 충분한 공간을 유지합니다. 결합을 줄이면 신호 무결성 문제를 완화하는 데 도움이 될 것입니다.이러한 양호한 설계 원칙을 고수하는 것은 신뢰할 수 있는 설계를 실현하는 데 매우 중요하지만, 전체 설비에서 신호를 휴대하는 구조의 전기 성능을 충분히 표징하는 능력도 매우 중요하다.

벡터 네트워크 분석기(VNA)는 모든 연결 또는 전송선의 전기 성능을 나타내는 가장 일반적인 도구 중 하나입니다.삽입 손실, 감쇠, 반사, 인터럽트, 지연 및 차등 신호 무결성에 영향을 주는 중요한 특성은 애플리케이션에 올바르게 구성된 VNA를 사용하여 평가할 수 있습니다.또한 일부 VNA는 (일반적으로 소프트웨어 옵션을 통해) s 매개변수 측정을 시간 도메인으로 변환할 수 있으며, 이는 채널의 펄스 응답을 표시합니다.

전원 무결성과 관련하여 최근에 개발된 전원 레일 프로브는 전원 레일에서 초저소음 측정을 수행하고 오실로스코프와 함께 사용할 수 있도록 지원합니다.이러한 프로브의 특성은 제조업체에 따라 일반적으로 다음과 같습니다.

전원 레일이 오실로스코프 모니터로 완전히 이동되도록 하려면 최대 60V의 오프셋이 필요합니다. 동적 범위는 최대 1V입니다. 기가헤르츠의 작동 대역폭은 고주파 소음이 감지되지 않도록 합니다. 1: 1의 감쇠율은 측정 시스템의 소음을 감소시킵니다. 50k 섬 임피던스는 부하를 감소시킵니다. 신호 및 전원 무결성 문제를 감지하기 위해 올바른 도구를 선택하는 매우 중요합니다.성능 저하의 원인을 충분히 식별하고 해결하며 설계의 실제 성능을 검증하는 것이 중요합니다.VNA, 전원 레일 프로브 및 오실로스코프는 이러한 목표를 달성하는 데 도움이 되는 몇 가지 도구일 뿐입니다.

사물인터넷 도전 3 - 무선 표준 호환성 Zigbee 또는 Wi-Fi를 통해 단거리 연결을 위한 장치를 개발하든 LoRa 또는 LTE-M을 통해 원격 연결 장치를 개발하든 선택한 무선 프로토콜은 장치가 어떻게 세계와 연결되고 데이터를 공유하는지를 결정합니다.

무선 표준의 규범을 준수하여 상호 운용성을 확보하는 것이 가장 큰 시장 영향력을 실현하는 관건이다.EMI/EMC와 마찬가지로 설계 주기의 초기 테스트를 통해 지연될 수 있는 문제를 파악하고 검증 단계 이전에 설계 개발 비용을 늘릴 수 있습니다.

표준 신호를 생성할 수 있는 벡터 신호 생성기 및 이를 디버깅할 수 있는 스펙트럼 / 신호 분석기는 선택한 무선 표준을 기반으로 장치의 성능을 평가하기에 이상적인 도구입니다.

사물인터넷 문제 4-EMI/EMC 및 공존 테스트 EMC는 제품이 예상한 성능에 도달했는지를 측정하는 지표로 정의할 수 있으며, 다른 제품이 공유 운영 환경에서 예상한 성능에 도달하는 것을 방해하지 않습니다.EMI는 또한 장치가 예상대로 작동하지 못하도록 하는 모든 전자기 에너지로 정의할 수 있습니다.무선 통신 장비의 수가 기하급수적으로 증가함에 따라 운영 환경의 전자기 소음이 증가하고 간섭으로 인한 성능 저하의 위험도 증가합니다.

사전 인증된 무선 주파수 모듈을 사용하면 전체 장치가 EMC 규정 준수 테스트를 통과하지 못할 가능성을 줄일 수 있지만 최종 제품이 관련 요구 사항을 충족한다는 보장은 없습니다.

설계 초기부터 EMI 엔지니어링 대책을 잘 적용하고 정합성 테스트 단계(사전 정합성 테스트) 이전에 장비의 실제 전자기 호환성 성능을 평가함으로써 출시 시기에 영향을 주는 비싼 재설계와 지연을 피할 수 있습니다.

사물인터넷 설비 시장에서 의료 설비 시장은 최근 몇 년 동안 신속하게 성장했다.실시간 바이탈을 전송할 수 있는 기기는 고정적이든 웨어러블이든 이식적이든 병원과 가정 간호 환경에서 점점 더 흔해지고 있다.다른 사물 인터넷 장치와 마찬가지로 의료 장비도 운영 환경에서 방해의 원천과 수신기가 될 수 있다.그러나 의료 서비스를 제공하는 데 사용되는 용도를 고려할 때 예상대로 작동하지 않으면 생명을 위협하는 결과를 초래할 수 있습니다.

이러한 무선 장치의 핵심 기능 때문에 공존 테스트는 사물인터넷 의료 장비 설계 과정의 중요한 구성 부분이 되었다.IEEE/ANSI C63.27은 동일한 RF 대역에서 실행되는 다른 무선 서비스와 함께 작동하는 무선 장치의 기능을 검증하는 테스트 절차 및 방법을 개괄하는 표준 중 하나입니다.AAMI TIR69는 의료 장비와 제조업체가 통제 할 수없는 외부 위험을 포함하여 운영 환경의 잠재적 인 위험에 따라 무선 기술을 평가하는 방법을 안내하는 또 다른 표준입니다.

EMC 테스트와 마찬가지로 최종 품목은 최종 테스트를 위해 일관성 테스트 기관으로 보내질 수 있습니다.그러나 설계 과정에서의 초기 공존 테스트는 다른 무선 신호에 대한 장비의 허용 한도를 결정하고 허용 가능한 작동 수준을 보장하는 데 사용될 수 있습니다.성능 문제가 조기에 발견되면 완화 기술을 사용하여 최종 설계를 결정하기 전에 성능을 재평가할 수 있습니다.

스펙트럼 / 신호 분석기는 EMC 의 사전 적합성 및 동시 테스트를 위한 핵심 테스트 장비입니다.전체 EMC 테스트에는 완벽하게 호환되는 EMI 수신기가 필요하지만 많은 현대 분석기는 대역폭, 탐지기 및 CISPR 및 MIL STD를 준수하는 대역폭을 포함하여 방사선 및 전도 송신을 촉진하는 데 도움이 되는 사전 호환성 테스트를 위한 소프트웨어 패키지를 갖추고 있습니다.주파수 대역 사전 설정, 국제적으로 인정받는 EMC 표준 제한에 대한 제한선 및 사용자 선택 제한 생성 옵션

공존 테스트는 실시간 스펙트럼 분석기를 사용하고 고속 모듈러 변환기(ADC)를 사용하여 스펙트럼을 연속적으로 샘플링한 다음 실시간 고속 부립엽 변환(FFT)을 사용하여 테스트 장비가 위치한 무선 주파수 환경의 스펙트럼 뷰를 표시합니다.벡터 신호 생성기는 또한 WiFi 및 Bluetooth와 같은 예상 아날로그 운영 환경에서 발생하는 신호 유형을 생성하는 데 사용됩니다.

사물 인터넷 문제 5-RF 무선 연결 성능 일부 사물 인터넷 장치는 유선 통신을 사용할 것이지만 대부분의 장치는 어떤 형태의 무선 기술에 의존하여 네트워크에 액세스합니다.무선 통신을 가장 잘 구현하는 방법을 결정할 때 사물 인터넷 장치의 설계자는 많은 결정에 직면합니다.그 중 가장 중요한 것은 어떤 무선 통신 기술과 프로토콜(WiMax, Wi-Fi, Zigbee, BLE, LoRa, Z-Wave 및 NB-IoT 등)을 사용할 것인지, 사전 제작된 RF 무선 모듈 또는 PCB 내부 설계를 사용할 것인지를 결정하는 것이다.

이러한 설계 문제를 해결하려면 무선 주파수 통신의 성능을 실제 조건에서 테스트하기 위해 작업에 적합한 장치를 사용해야 합니다.몇 가지 일반적인 테스트는 다음과 같습니다.

스펙트럼 분석기 / 신호 분석기는 일반적으로 송신기 측정의 기본 도구이며, 신호 발생기는 일반적으로 수신기 측정의 신호를 생성하는 데 사용되며, 네트워크 분석기는 안테나 측정에 사용됩니다.

많은 현대 신호 발생기 및 신호 분석기는 사물 인터넷 장치에서 구현되는 가장 일반적인 무선 통신 표준에 소프트웨어 응용 프로그램을 지원합니다.표준 기반 파형을 생성하고 테스트 장비 자체 또는 리모컨이 있는 PC에서 실행되는 측정 응용 프로그램을 사용하여 테스트 신호를 분석할 수 있습니다.무선 연결이 사용자 정의 설계를 사용하는 경우 일부 응용 프로그램이 도움이 될 수 있습니다.

결론적으로, 새로운 기술의 발전과 테스트 표준의 변화에 따라 사물인터넷, 클라우드 로봇과 자동화 분야의 혁신이 끊임없이 발전하고, 테스트와 검증에 대한 수요도 증가할 것이며, 특히 전원 관리에 직면해야 할 기존 수요를 지원할 것이다.그리고 미래의 도전.이 모든 신기술은 역량과 검증이 필요하다.사물인터넷 장치의 전원을 관리하는 것은 가장 어려운 환경에서도 항상 전원이 켜져 있고 부하가 가득 차야 하기 때문에 도전적인 작업이다.