PCB新聞 - 物聯網測試面臨的五大挑戰

未來幾年, 人工智慧的進展, 5克, 物聯網, and industrial automation (IIoT) will accelerate the pace of industry change and innovation. 跨行業的各種物聯網感測器將用於自動資料傳輸和遠程設備控制. 在萬物互聯的時代, 連接將變得司空見慣. 到2020年, Gartner預測，將有200多億物聯網設備投入使用.
2019年是5G商用的新起點. 結合物聯網設備, 新增的頻寬, 5G更快的速度和更低的延遲將帶來以前認為不可能實現的應用程序. 物聯網將繼續滲透到多個行業, 例如 PCB製造, 運輸, 醫學的, 消費者, 等.
隨著創新步伐的加快, 工程師、設計師, 供應商和製造商將面臨更快的市場壓力. 對於物聯網設備, 每一代產品都需要更小, 更强大, 更易於配寘, 與以前的設計相比，功耗更低. 因為許多物聯網設備都是電池供電的, 節能至關重要. 必須使用低功率組件, 這些組件在不使用時必須關閉電源. 為了優化電池壽命, 組件必須在現實場景和條件下進行測試，以確保選擇正確的組件以最大限度地延長物聯網設備的使用壽命.

IoT Challenge 1-Power Management
Since IoT devices are usually deployed remotely or in a mobile environment, 大多數設備使用電池作為主要電源. 瞭解設備的功耗曲線是確保設備壽命期間最大可靠性和效能的關鍵.

為了全面描述物聯網設備的功耗，必須在常見的所有操作條件下進行量測。 由於物聯網設備旨在將功耗降至最低，囙此它們可能只在短時間內處於活動狀態，並且其大部分壽命處於“睡眠”模式。

為了準確量測設備在所有工作模式下的功耗曲線，您可能會遇到如何使用常用電流量測科技（如分流器、數字萬用表、數字萬用表或電流探針）的挑戰。 在睡眠模式下，電流可能在“nA”或“uA”範圍內； 例如，在啟動模式下，當傳輸數據時，電流可能突然變為“mA”到“A”的範圍。 此外，電流需求的這些大峰值通常在微秒內出現，對於一些測試儀器來說，功率轉換可能更具挑戰性。

雖然在正確的環境中使用時，它們可以非常準確，但由於涉及的動態範圍較大（可能需要多個分流器），使用電流分流器進行此類量測可能會有問題。 即使使用多個分流器，也可能需要分別測試啟動模式和休眠模式，這使得很難獲得真實的電流損耗。 此外，由於固有電壓降，如果選擇過大的值以最大化量測的動態範圍，分流器本身有影響測試設備的風險。

物聯網挑戰2-訊號和電源完整性

混合訊號集成電路通常用於物聯網設備的設計，包括感測器/MEMS、在同一集成電路上以較低功耗工作的類比和數位信號，並且它們對串擾非常敏感。 低功率配電網絡通常具有非常小的運行容差，這新增了電源軌上發生紋波和雜訊干擾的可能性，這可能會對時鐘和數位數據產生不利影響。 許多物聯網設備需要小型物理結構中密集的高速訊號通道，這新增了串擾和耦合的風險。

使用良好的信號完整性設計原則（如果可能，使用點對點訊號路由拓撲），控制整個PDN和互連的跟踪阻抗，保持返回路徑長度短，並在相鄰跟踪之間保持足够的空間减少耦合將有助於緩解訊號完整性問題。 儘管遵守此類良好的設計原則對於實現可靠的設計至關重要，但也必須能够充分描述在整個設備中傳輸訊號的結構的電力效能。

向量網絡分析儀（VNA）是表徵任何互連或傳輸線電力效能最常用的工具之一。 影響信號完整性的重要特性，如插入損耗、衰减、反射、串擾、延遲和差分到共模轉換，都可以使用為應用程序正確配寘的VNA進行評估。 此外，一些VNA能够（通常通過軟件選項）執行s參數量測的時域轉換，這將顯示通道的脈衝回應。

關於電源完整性，最近開發的電源軌探頭有助於在電源軌上進行超低雜訊量測，並與示波器配合使用。 根據製造商的不同，這些探頭的特性通常包括：

高達60V的偏移，以確保電源軌完全移動到示波器顯示幕.
動態範圍高達1V.
千兆赫茲的工作頻寬確保不會檢測到高頻雜訊.
1:1的衰减比可以降低量測系統的雜訊.
50kΩ阻抗，以减少負載.
選擇正確的工具來檢測訊號和電源完整性問題對於充分識別和解决效能不佳的原因以及驗證設計的真實效能非常重要. 病毒中和抗體, 電源軌探頭, 示波器只是幫助實現這一目標的一些工具.

IoT Challenge 3-Wireless Standard Compatibility
Whether you are developing a device for short-distance connection via Zigbee公司 or 無線局域網, 或通過蘿拉或LTE-M的遠程連接設備, 您選擇的無線協定將决定您的設備如何以這種管道與世界連接和共亯數據.

通過遵循無線標準的規範確保互操作性是實現最大市場影響力的關鍵。 與EMI/EMC一樣，在設計週期的早期測試可以幫助您確定可能導致延遲的問題，並新增在鑒定階段之前開發設計的成本。

能够生成符合標準的訊號的向量信號發生器和能够解調這些訊號的頻譜/訊號分析儀是基於所選無線標準評估設備效能的理想工具。

物聯網挑戰4-EMI/EMC and Coexistence Testing
We can define EMC as a measure of whether a product performs as expected, 而且它不會妨礙其他產品在共亯操作環境中按預期執行的能力. EMI也可以定義為封锁設備按預期運行的任何電磁能量. 隨著無線通訊設備的數量繼續呈指數級增長, 工作環境中的電磁雜訊相應新增, 而且，由於干擾而導致效能下降的風險也會新增.

雖然使用預先認證的射頻模塊有助於减少已完工設備未通過EMC法規遵從性測試的可能性，但這並不保證最終產品滿足相關要求。

從設計之初就使用良好的電磁干擾工程對策，並在一致性測試階段（預一致性測試）之前評估設備的實際電磁相容性效能，有助於避免影響上市時間的代價高昂的重新設計和延遲。

在物聯網設備市場，醫療設備市場近年來發展迅速。 能够傳輸實时生命體征的設備，無論是固定的、可穿戴的還是可植入的，在醫院和家庭護理環境中越來越普遍。 與其他物聯網設備一樣，醫療設備也可能成為操作環境中的干擾源和接收器。 然而，鑒於它們在提供醫療服務方面的用途，如果它們不能按預期操作，可能會造成危及生命的後果。

由於這些無線設備的關鍵功能，共存測試已成為物聯網醫療設備設計過程的重要組成部分。 IEEE/ANSI C63.27是這些標準之一，其中概述了驗證無線設備與在相同射頻頻段運行的其他無線服務共存能力的測試程式和方法。 AAMI TIR69是另一個標準，為醫療設備以及如何根據操作環境中的潜在危險（包括製造商可能無法控制的外部危險）評估無線技術提供指導。

與EMC測試一樣，成品可能會被送往一致性測試機构進行最終測試。 然而，設計過程中的初步共存測試可用於確定設備對其他無線電訊號的容差，並確保可達到可接受的操作水准。 如果及早發現效能問題，可以使用緩解科技，並在確定最終設計之前重新評估效能。

頻譜/訊號分析儀是EMC預符合性測試和共存測試的關鍵測試設備。 雖然完整的EMC測試需要一個完全相容的EMI接收器，但許多現代分析儀可以配備套裝軟體，以幫助促進輻射和傳導發射的預相容性測試，包括頻寬、探測器以及符合CISPR和MIL STD的頻寬。 頻段預設，以及國際公認的EMC標準限值的限值線，以及創建用戶可選限值的選項。

共存測試使用實时頻譜分析儀，並使用高速模數轉換器（ADC）連續採樣頻譜，然後使用實时快速傅立葉轉換（FFT）顯示測試設備所在射頻環境的頻譜視圖。 向量信號發生器還用於生成預期類比操作環境中遇到的訊號類型，如WiFi和藍牙。

IoT Challenge 5-RF performance of wireless connections
Although some IoT devices will use wired communications, 大多數人將依靠某種形式的無線技術接入網路. 在决定如何最好地實施無線通訊時, 物聯網設備的設計者面臨許多決策. The most important of these is to determine which wireless communication technology and protocol to use (WiMax, Wi-Fi, Zigbee, BLE公司, LoRa, Z波和NB IoT, 等.)-and whether to use prefabricated RF wireless modules or PCB內部設計.

無論如何解决這些設計問題，射頻通信的效能都必須在實際條件下使用適合該任務的設備進行測試。 一些常見測試包括：

頻譜分析儀/訊號分析儀通常是發射機量測的首選工具，而信號發生器通常用於生成接收機量測的訊號，網絡分析儀通常用於天線量測。

許多現代信號發生器和訊號分析儀為物聯網設備中實施的最常見無線通訊標準提供軟體應用支持。 它可以生成基於標準的波形，並可以使用測試設備本身或帶有遠程控制的PC上運行的量測應用程序來分析測試訊號。 如果您的無線連接使用自定義設計，則有些應用程序可能會對您有所幫助。

in conclusion
With the development of new technologies and the evolution of testing standards, 物聯網創新, 雲機器人科技 自動化不斷發展, 對測試和驗證的需求也將新增, 尤其是為了支持電源管理需要面對的現有問題. 以及未來的挑戰. 所有這些新技術都需要電源和驗證. 管理物聯網設備的電源是一項具有挑戰性的任務, 因為即使在最具挑戰性的環境中, 這些設備必須始終通電並滿負荷運行.