Tin tức về PCB - 5 thách thức lớn nhất đối với thử nghiệm IoT

Những tiến bộ trong AI, 5G, IoT và tự động hóa công nghiệp (IIoT) sẽ đẩy nhanh tốc độ thay đổi và đổi mới trong ngành trong những năm tới. Các cảm biến IoT khác nhau từ mọi ngành công nghiệp sẽ được sử dụng để truyền dữ liệu tự động và điều khiển thiết bị từ xa. Trong thời đại mọi thứ được kết nối, kết nối sẽ trở nên phổ biến. Gartner dự đoán rằng hơn 20 tỷ thiết bị IoT sẽ được đưa vào sử dụng vào năm 2020, một điểm khởi đầu mới cho thương mại 5G. Kết hợp với các thiết bị IoT, 5G tăng băng thông, tốc độ nhanh hơn và độ trễ thấp hơn sẽ dẫn đến các ứng dụng trước đây được coi là không thể. IoT sẽ tiếp tục thâm nhập vào một số ngành công nghiệp như sản xuất PCB, vận tải, y tế, tiêu dùng, v.v. Khi tốc độ đổi mới tăng lên, các kỹ sư, nhà thiết kế, nhà cung cấp và nhà sản xuất sẽ phải đối mặt với áp lực thị trường nhanh hơn. Đối với các thiết bị IoT, mỗi thế hệ sản phẩm cần phải nhỏ hơn, mạnh mẽ hơn, dễ cấu hình hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn so với các thiết kế trước đó. Vì nhiều thiết bị IoT chạy bằng pin, tiết kiệm năng lượng là rất quan trọng. Các thành phần công suất thấp phải được sử dụng và các thành phần này phải tắt nguồn khi không sử dụng. Để tối ưu hóa tuổi thọ pin, các thành phần phải được kiểm tra trong các tình huống và điều kiện thực tế để đảm bảo chọn đúng thành phần để tối đa hóa tuổi thọ của thiết bị IoT.

Thách thức IoT 1 - Quản lý năng lượng Vì các thiết bị IoT thường được triển khai trong môi trường từ xa hoặc di động, hầu hết các thiết bị sử dụng pin làm nguồn điện chính. Hiểu được đường cong tiêu thụ điện năng của thiết bị là chìa khóa để đảm bảo thiết bị đạt được độ tin cậy và hiệu suất tối đa trong suốt cuộc đời.

Để mô tả đầy đủ mức tiêu thụ năng lượng của các thiết bị IoT, các phép đo phải được thực hiện trong tất cả các điều kiện hoạt động phổ biến. Vì các thiết bị IoT được thiết kế để giảm thiểu mức tiêu thụ điện năng, chúng có thể chỉ hoạt động trong một khoảng thời gian ngắn và dành phần lớn cuộc sống của chúng ở chế độ "ngủ".

Để đo chính xác đường cong tiêu thụ điện năng của thiết bị ở tất cả các chế độ hoạt động, bạn có thể gặp thách thức về cách sử dụng các kỹ thuật đo dòng điện phổ biến như bộ chia, đồng hồ vạn năng kỹ thuật số, DMM hoặc đầu dò hiện tại. Trong chế độ ngủ, dòng điện có thể nằm trong phạm vi "nA" hoặc "A"; Trong chế độ hoạt động, ví dụ, khi dữ liệu được truyền đi, dòng điện có thể thay đổi đột ngột đến phạm vi từ "mA" đến "A". Ngoài ra, các đỉnh cao lớn của các yêu cầu hiện tại này thường xảy ra trong vòng micro giây và việc chuyển đổi công suất có thể khó khăn hơn đối với một số dụng cụ thử nghiệm.

Mặc dù chúng có thể rất chính xác khi được sử dụng trong môi trường phù hợp, nhưng có thể có vấn đề với loại phép đo này bằng cách sử dụng bộ chia dòng điện do phạm vi động lớn liên quan (có thể cần nhiều bộ chia). Ngay cả với nhiều bộ chia được sử dụng, có thể cần phải kiểm tra riêng các chế độ hoạt động và chế độ ngủ, khiến việc mất điện thực sự trở nên khó khăn. Ngoài ra, do giảm điện áp vốn có, bản thân bộ chia có nguy cơ ảnh hưởng đến thiết bị thử nghiệm nếu giá trị quá lớn được chọn để tối đa hóa phạm vi động của phép đo.

Thách thức IoT 2 - Tín hiệu và tính toàn vẹn nguồn điện

Các mạch tích hợp tín hiệu lai thường được sử dụng trong thiết kế các thiết bị IoT bao gồm cảm biến/MEMS, tín hiệu analog và kỹ thuật số hoạt động với mức tiêu thụ điện năng thấp hơn trên cùng một mạch tích hợp và chúng rất nhạy cảm với nhiễu xuyên âm. Mạng phân phối công suất thấp thường có dung sai hoạt động rất nhỏ, làm tăng cơ hội nhiễu sóng và nhiễu trên đường ray điện, có thể ảnh hưởng xấu đến đồng hồ và dữ liệu kỹ thuật số. Nhiều thiết bị IoT yêu cầu sử dụng các kênh tín hiệu tốc độ cao dày đặc trong các cấu trúc vật lý nhỏ, làm tăng nguy cơ nhiễu xuyên âm và ghép nối.

Sử dụng nguyên tắc thiết kế tính toàn vẹn tín hiệu tốt (nếu có thể, sử dụng cấu trúc liên kết định tuyến tín hiệu điểm-điểm), kiểm soát trở kháng dấu vết của toàn bộ PDN và kết nối với nhau, duy trì chiều dài đường dẫn trở lại ngắn và duy trì đủ không gian giữa các dấu vết liền kề. Giảm khớp nối sẽ giúp giảm bớt các vấn đề về tính toàn vẹn tín hiệu. Mặc dù tuân thủ các nguyên tắc thiết kế tốt như vậy là rất quan trọng để đạt được thiết kế đáng tin cậy, nhưng khả năng mô tả đầy đủ các tính chất điện của cấu trúc mang tín hiệu trong toàn bộ thiết bị cũng rất quan trọng.

Máy phân tích mạng vector (VNA) là một trong những công cụ phổ biến nhất để mô tả hiệu suất điện của bất kỳ kết nối hoặc đường truyền nào. Các tính năng quan trọng ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của tín hiệu như mất chèn, suy giảm, phản xạ, nhiễu xuyên âm, độ trễ và chuyển đổi vi sai sang chế độ chung đều có thể được đánh giá bằng VNA được cấu hình chính xác cho ứng dụng. Ngoài ra, một số VNA có khả năng (thường là thông qua các tùy chọn phần mềm) thực hiện chuyển đổi miền thời gian được đo bằng tham số s, điều này sẽ hiển thị phản ứng xung của kênh.

Về tính toàn vẹn của nguồn điện, các đầu dò Power Rail được phát triển gần đây giúp thực hiện các phép đo tiếng ồn cực thấp trên Power Rail và được sử dụng với máy hiện sóng. Tùy thuộc vào nhà sản xuất, các tính năng của các đầu dò này thường bao gồm:

Offset lên đến 60V để đảm bảo đường ray nguồn được chuyển hoàn toàn sang màn hình dao động. Dynamic range lên đến 1V Băng thông hoạt động gigahertz để đảm bảo không phát hiện tiếng ồn tần số cao. Tỷ lệ phân rã 1: 1 có thể làm giảm tiếng ồn của hệ thống đo lường. Trở kháng đảo 50k có thể làm giảm tải. Chọn đúng công cụ để phát hiện các vấn đề về tín hiệu và tính toàn vẹn nguồn điện là rất quan trọng để xác định và giải quyết đầy đủ các nguyên nhân gây ra hiệu suất kém và xác minh hiệu suất thực sự của thiết kế. VNA, đầu dò đường ray điện và máy hiện sóng chỉ là một số công cụ giúp đạt được mục tiêu này.

IoT Challenge 3 - Khả năng tương thích tiêu chuẩn không dây Cho dù bạn đang phát triển một thiết bị để kết nối ngắn thông qua Zigbee hoặc Wi-Fi hoặc thiết bị kết nối từ xa thông qua LoRa hoặc LTE-M, giao thức không dây bạn chọn sẽ xác định cách thiết bị của bạn kết nối và chia sẻ dữ liệu với thế giới.

Đảm bảo khả năng tương tác bằng cách tuân theo các tiêu chuẩn không dây là chìa khóa để đạt được tác động thị trường tối đa. Giống như EMI/EMC, thử nghiệm sớm trong chu trình thiết kế có thể giúp bạn xác định các vấn đề có thể gây ra sự chậm trễ và tăng chi phí thiết kế trước khi bạn có thể đạt được giai đoạn chất lượng.

Bộ tạo tín hiệu vector có thể tạo ra các tín hiệu tuân thủ tiêu chuẩn và bộ phân tích phổ/tín hiệu có thể giải điều chế các tín hiệu này là những công cụ lý tưởng để đánh giá hiệu suất của thiết bị dựa trên các tiêu chuẩn không dây đã chọn.

Thử thách IoT 4-EMI/EMC và thử nghiệm cùng tồn tại Chúng ta có thể định nghĩa EMC là thước đo xem một sản phẩm có hoạt động như mong đợi hay không và nó không cản trở các sản phẩm khác hoạt động như mong đợi trong môi trường hoạt động chung. EMI cũng có thể được định nghĩa là bất kỳ năng lượng điện từ nào ngăn thiết bị hoạt động như dự định. Khi số lượng thiết bị truyền thông không dây tiếp tục tăng theo cấp số nhân, tiếng ồn điện từ trong môi trường hoạt động tương ứng tăng lên và nguy cơ giảm hiệu suất do nhiễu cũng tăng lên.

Mặc dù việc sử dụng các mô-đun RF được chứng nhận trước có thể giúp giảm khả năng thiết bị hoàn chỉnh không vượt qua bài kiểm tra tuân thủ EMC, nhưng điều này không đảm bảo rằng sản phẩm cuối cùng sẽ đáp ứng các yêu cầu liên quan.

Sử dụng các biện pháp đối phó kỹ thuật EMI tốt ngay từ đầu thiết kế và đánh giá hiệu suất tương thích điện từ thực tế của thiết bị trước giai đoạn kiểm tra tính nhất quán (kiểm tra tính nhất quán trước) có thể giúp tránh thiết kế lại tốn kém và chậm trễ ảnh hưởng đến thời gian tiếp thị.

Trong thị trường thiết bị IoT, thị trường thiết bị y tế đã phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây. Các thiết bị có khả năng truyền các dấu hiệu quan trọng theo thời gian thực, cho dù cố định, đeo được hoặc cấy ghép, đang ngày càng phổ biến trong các môi trường bệnh viện và chăm sóc tại nhà. Giống như các thiết bị IoT khác, thiết bị y tế cũng có thể trở thành nguồn và máy thu nhiễu trong môi trường hoạt động. Tuy nhiên, xem xét việc sử dụng chúng trong việc cung cấp dịch vụ y tế, nếu chúng không hoạt động như dự định, chúng có thể gây ra hậu quả đe dọa tính mạng.

Do các chức năng chính của các thiết bị không dây này, thử nghiệm cùng tồn tại đã trở thành một phần quan trọng của quá trình thiết kế thiết bị y tế IoT. IEEE/ANSI C63.27 là một trong những tiêu chuẩn này phác thảo các thủ tục và phương pháp thử nghiệm để xác minh khả năng của các thiết bị không dây cùng tồn tại với các dịch vụ không dây khác hoạt động trong cùng một băng tần RF. AAMI TIR69 là một tiêu chuẩn khác cung cấp hướng dẫn cho các thiết bị y tế và cách đánh giá công nghệ không dây dựa trên các mối nguy hiểm tiềm ẩn trong môi trường hoạt động, bao gồm các mối nguy hiểm bên ngoài mà nhà sản xuất có thể không kiểm soát được.

Giống như thử nghiệm EMC, sản phẩm hoàn chỉnh có thể được gửi đến một cơ sở thử nghiệm phù hợp để kiểm tra lần cuối. Tuy nhiên, thử nghiệm cùng tồn tại ban đầu trong quá trình thiết kế có thể được sử dụng để xác định dung sai của thiết bị đối với các tín hiệu vô tuyến khác và đảm bảo mức độ hoạt động chấp nhận được có thể đạt được. Nếu các vấn đề về hiệu suất được xác định sớm, các kỹ thuật giảm thiểu có thể được sử dụng và hiệu suất có thể được đánh giá lại trước khi thiết kế cuối cùng được hoàn thành.

Máy phân tích tín hiệu/quang phổ là thiết bị kiểm tra quan trọng để kiểm tra sự phù hợp trước EMC và kiểm tra cùng tồn tại. Mặc dù thử nghiệm EMC đầy đủ đòi hỏi một máy thu EMI tương thích đầy đủ, nhiều máy phân tích hiện đại có thể được trang bị các gói phần mềm để giúp tạo điều kiện kiểm tra khả năng tương thích trước khi phát xạ bức xạ và dẫn, bao gồm băng thông, máy dò và băng thông tuân thủ CISPR và MIL STD. Các cài đặt trước băng tần, cũng như các đường giới hạn được quốc tế công nhận cho các giới hạn tiêu chuẩn EMC, cũng như các tùy chọn để tạo các giới hạn tùy chọn cho người dùng.

Thử nghiệm cùng tồn tại sử dụng một máy phân tích phổ thời gian thực và liên tục lấy mẫu phổ bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi analog-digital tốc độ cao (ADC), sau đó hiển thị quang phổ của môi trường tần số vô tuyến nơi thiết bị thử nghiệm được đặt bằng cách sử dụng Biến đổi Fourier nhanh thời gian thực (FFT). Trình tạo tín hiệu vector cũng được sử dụng để tạo ra các loại tín hiệu gặp phải trong môi trường hoạt động tương tự dự kiến, chẳng hạn như WiFi và Bluetooth.

IoT Challenge 5 - Hiệu suất kết nối không dây RF Mặc dù một số thiết bị IoT sẽ sử dụng giao tiếp có dây, hầu hết sẽ dựa vào một số hình thức công nghệ không dây để truy cập mạng. Các nhà thiết kế thiết bị IoT phải đối mặt với nhiều quyết định khi quyết định cách tốt nhất để thực hiện giao tiếp không dây. Điều quan trọng nhất trong số này là xác định công nghệ và giao thức truyền thông không dây nào sẽ được sử dụng (WiMax, Wi-Fi, Zigbee, BLE, LoRa, Z-Wave và NB-IoT, v.v.) và liệu mô-đun không dây RF đúc sẵn hoặc thiết kế nội bộ PCB có được sử dụng hay không.

Bất kể những vấn đề thiết kế này được giải quyết như thế nào, hiệu suất của truyền thông RF phải được kiểm tra trong điều kiện thực tế bằng cách sử dụng thiết bị phù hợp với nhiệm vụ. Một số xét nghiệm phổ biến bao gồm:

Máy phân tích phổ/phân tích tín hiệu thường là công cụ ưa thích để đo lường máy phát, trong khi máy phát tín hiệu thường được sử dụng để tạo tín hiệu được đo bằng máy thu và máy phân tích mạng thường được sử dụng để đo ăng ten.

Nhiều máy phát tín hiệu và phân tích tín hiệu hiện đại cung cấp hỗ trợ ứng dụng phần mềm cho các tiêu chuẩn truyền thông không dây phổ biến nhất được thực hiện trong các thiết bị IoT. Nó có thể tạo ra các dạng sóng dựa trên tiêu chuẩn và có thể phân tích các tín hiệu thử nghiệm bằng cách sử dụng các ứng dụng đo lường chạy trên chính thiết bị thử nghiệm hoặc trên PC có điều khiển từ xa. Nếu kết nối không dây của bạn sử dụng thiết kế tùy chỉnh, một số ứng dụng có thể hữu ích cho bạn.

Tóm lại, khi các công nghệ mới phát triển và các tiêu chuẩn thử nghiệm phát triển, sự đổi mới trong IoT, robot đám mây và tự động hóa tiếp tục phát triển, nhu cầu kiểm tra và xác minh cũng sẽ tăng lên, đặc biệt là các yêu cầu hiện có cần phải đối mặt để hỗ trợ quản lý năng lượng. Và những thách thức phía trước. Tất cả các công nghệ mới này cần năng lượng và xác minh. Quản lý sức mạnh của các thiết bị IoT là một nhiệm vụ đầy thách thức vì chúng phải luôn được cấp nguồn và hoạt động hết công suất ngay cả trong môi trường khó khăn nhất.