物聯(lián)網(wǎng)和小型嵌入式系統(tǒng)的 PCB 設(shè)計(jì)提示 如有需要PCB和芯片歡迎回到首頁 電聯(lián)黃云艷

在當(dāng)今互聯(lián)互通的世界里，物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 已成為我們生活中不可或缺的一部分。從智能家居到可穿戴設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備不斷革新各個(gè)行業(yè)。然而，設(shè)計(jì)有效的物聯(lián)網(wǎng)和小型嵌入式系統(tǒng)需要仔細(xì)考慮并注重細(xì)節(jié)。

物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和小型應(yīng)用的印刷電路板 (PCB) 具有與傳統(tǒng) PCB 不同的幾個(gè)特點(diǎn)。這些特點(diǎn)是專門為滿足物聯(lián)網(wǎng)和小型嵌入式系統(tǒng)中常見的緊湊、低功耗和互連設(shè)備的特定要求而定制的。

在本文中，我們將探討一些重要的設(shè)計(jì)提示，以幫助您充分發(fā)揮這些連接設(shè)備的潛力。

組件選擇

應(yīng)僅選擇節(jié)能、緊湊且與目標(biāo)通信協(xié)議兼容的組件。

與組件選擇直接相關(guān)的是環(huán)境適應(yīng)性。用于物聯(lián)網(wǎng)和小規(guī)模應(yīng)用的 PCB 旨在承受各種環(huán)境條件。這包括考慮溫度變化、濕度以及設(shè)備在不同操作環(huán)境中可能遇到的其他因素。

所選 PCB 材料應(yīng)能承受各種環(huán)境條件。例如，使用導(dǎo)熱性好的材料有助于在不同溫度條件下散熱。

PCB 設(shè)計(jì)師必須仔細(xì)規(guī)劃元件的放置，以最大限度地利用空間并確保高效的布線。可以采用元件堆疊、多層 PCB 和 3D 建模等技術(shù)來優(yōu)化空間利用。

尺寸緊湊

物聯(lián)網(wǎng)和小型嵌入式系統(tǒng)的趨勢(shì)是設(shè)備更小、更緊湊。PCB 設(shè)計(jì)師專注于在不影響功能的情況下減少電路板的整體占用空間。在這種情況下，高密度互連 (HDI) 技術(shù)提供了很大的幫助，該技術(shù)可以提高元件密度和更精細(xì)的布線，從而能夠創(chuàng)建更小、功能更豐富的 PCB。因此，這些應(yīng)用的 PCB 應(yīng)采用緊湊的外形設(shè)計(jì)，有效利用空間來容納必要的元件，同時(shí)保持最小的整體尺寸。

多層 PCB 通常是不錯(cuò)的選擇，因?yàn)樗鼈兛梢匀菁{所需的組件和布線，而不會(huì)犧牲緊湊性。多層可以高效地路由高速信號(hào)，最大限度地減少信號(hào)衰減并確保信號(hào)完整性。接地層和電源層有助于實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定、更抗噪的 PCB 設(shè)計(jì)。多層設(shè)計(jì)有助于控制電磁場(chǎng)，降低 EMI 風(fēng)險(xiǎn)，這對(duì)于設(shè)備性能和符合監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)都至關(guān)重要。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常需要尺寸較小的組件，以適應(yīng)有限的可用空間。表面貼裝技術(shù) (SMT) 組件因其體積小且易于集成而廣受使用。除了組件之外，還應(yīng)選擇尺寸較小的連接器，以盡量減小設(shè)備的整體尺寸。

HDI 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)更高的布線密度、更小的過孔（圖 1）和更細(xì)的走線。它使 PCB 設(shè)計(jì)師能夠?qū)崿F(xiàn)緊湊的設(shè)計(jì)，而不會(huì)犧牲功能或性能。此外，柔性 PCB 還具有順應(yīng)不規(guī)則形狀或適合狹小空間的優(yōu)勢(shì)。它們可以彎曲、折疊或扭曲，以適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的尺寸要求。

圖 1：通孔優(yōu)化了走線的布線并改善了散熱

低功耗設(shè)計(jì)

高效的電源管理對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)和小型嵌入式系統(tǒng)至關(guān)重要。這些設(shè)備通常由電池供電，這意味著優(yōu)化功耗對(duì)于延長電池壽命至關(guān)重要。PCB 布局包括仔細(xì)的電源規(guī)劃，以最大限度地降低活動(dòng)和待機(jī)模式下的功耗。這涉及戰(zhàn)略性地放置電源平面、優(yōu)化走線布線和利用低功耗組件。

此外，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常會(huì)在低功耗睡眠模式下花費(fèi)大量時(shí)間。PCB 的設(shè)計(jì)旨在有效支持這些模式，并采用電源門控技術(shù)完全斷開非活動(dòng)組件的電源。物聯(lián)網(wǎng) PCB 的設(shè)計(jì)應(yīng)支持低功耗組件、優(yōu)化的電源分配和睡眠模式，以最大限度地提高能源效率。

電壓調(diào)節(jié)器應(yīng)盡可能優(yōu)化，以提高效率，因?yàn)檫@也可以減少散熱量。應(yīng)優(yōu)先選擇靜態(tài)電流較低的元件。

無線連接

無線連接對(duì)于許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用至關(guān)重要。應(yīng)特別注意天線設(shè)計(jì)，以確保根據(jù)應(yīng)用的范圍、數(shù)據(jù)速率和功率要求，為所選的無線通信標(biāo)準(zhǔn)（例如 Wi-Fi、藍(lán)牙、Zigbee、LoRA 等）提供最佳性能。

天線可以集成到 PCB 設(shè)計(jì)中（圖 2），也可以作為獨(dú)立組件添加。此外，為了防止信號(hào)干擾，PCB 的設(shè)計(jì)采用了適當(dāng)?shù)?RF 布局技術(shù)。傳輸線和信號(hào)路徑經(jīng)過精心控制，以保持信號(hào)完整性并防止串?dāng)_。

圖 2：嵌入 PCB 的天線（來源：英飛凌）

熱管理

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，尤其是那些帶有嵌入式處理器的設(shè)備，會(huì)產(chǎn)生不可忽略的熱量。物聯(lián)網(wǎng) PCB 設(shè)計(jì)中的熱管理至關(guān)重要，原因有幾個(gè)。它可以確保電子元件的使用壽命，保持穩(wěn)定的性能，并通過防止過熱來提高能源效率。有效的熱管理還可以避免由于熱應(yīng)力而導(dǎo)致的機(jī)械故障，增強(qiáng)設(shè)備在不同環(huán)境下的可靠性和耐用性，并防止在高溫下性能下降。通過降低與過熱相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)，可以解決安全問題，尤其是電池供電設(shè)備的安全問題。遵守行業(yè)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于產(chǎn)品認(rèn)證和市場(chǎng)接受至關(guān)重要。總之，適當(dāng)?shù)臒峁芾韺?duì)于優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的性能、壽命和安全性至關(guān)重要。

設(shè)計(jì)人員應(yīng)實(shí)施穩(wěn)健有效的熱管理策略，以防止過熱。這包括正確放置散熱器、散熱孔和考慮氣流。

支持多種傳感器

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常包含各種傳感器來收集數(shù)據(jù)。小型應(yīng)用的 PCB 集成了各種傳感器的專用接口，例如溫度傳感器、加速度計(jì)或環(huán)境傳感器?？梢约尚盘?hào)調(diào)理電路以確保準(zhǔn)確的傳感器數(shù)據(jù)采集。

此外，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常需要混合使用模擬和數(shù)字信號(hào)。PCB 的設(shè)計(jì)旨在處理這些信號(hào)類型之間的接口，同時(shí)最大限度地減少噪音和干擾。

PCB 設(shè)計(jì)師必須考慮天線的設(shè)計(jì)和放置，以確保最佳的無線連接。天線類型、尺寸、方向和接地平面放置等因素都會(huì)影響無線通信的性能（圖 3）。

圖 3：帶芯片天線的 Cypress EZ BLE 10 毫米 × 10 毫米模塊（來源：英飛凌）

無線通信中使用的高頻信號(hào)易受噪聲和干擾。PCB 設(shè)計(jì)人員需要通過最小化信號(hào)線的長度、減少串?dāng)_和采用適當(dāng)?shù)慕拥丶夹g(shù)來仔細(xì)管理信號(hào)完整性。

支持能量收集

一些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備利用能量收集技術(shù)從環(huán)境中提取能量。PCB 可能包括用于太陽能電池或壓電設(shè)備等能量收集方法的接口。這些接口旨在高效捕獲和存儲(chǔ)收集到的能量。PCB 旨在支持和優(yōu)化這些能量收集方法，使設(shè)備能夠以最少的外部電源運(yùn)行。

傳感器在 PCB 上的物理位置對(duì)于準(zhǔn)確獲取數(shù)據(jù)至關(guān)重要。PCB 設(shè)計(jì)人員應(yīng)將傳感器放置在噪音和干擾最小的位置，同時(shí)確保它們能夠有效捕獲目標(biāo)數(shù)據(jù)。

為了保持信號(hào)完整性并降低噪聲，必須將 PCB 上的模擬和數(shù)字元件及走線分開。這種分離有助于防止數(shù)字噪聲影響模擬傳感器讀數(shù)的準(zhǔn)確性。

通過將能量收集技術(shù)融入物聯(lián)網(wǎng) PCB，設(shè)備可以長時(shí)間運(yùn)行而無需人工干預(yù)或頻繁更換電池。這在偏遠(yuǎn)或難以到達(dá)的地方尤其有價(jià)值，可增強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的可持續(xù)性和自主性。

成本考慮因素

成本效益是物聯(lián)網(wǎng)和小規(guī)模應(yīng)用中的一個(gè)重要考慮因素。PCB 采用成本效益高的組件和制造工藝設(shè)計(jì)，不會(huì)影響性能或可靠性。

PCB 設(shè)計(jì)師會(huì)根據(jù)成本效益仔細(xì)選擇組件，而不會(huì)影響質(zhì)量或性能。這包括考慮有源和無源組件以及所涉及的制造工藝。

模塊化

模塊化設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)化連接器，可輕松集成其他模塊或傳感器。這有助于實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性和適應(yīng)不同用例。應(yīng)鼓勵(lì)使用標(biāo)準(zhǔn)化通信接口（例如 I2C 或 SPI），因?yàn)樗梢暂p松集成第三方模塊或進(jìn)行升級(jí)，而無需進(jìn)行大量返工。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)中的模塊化方法有利于實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性和未來升級(jí)。這反過來又允許更輕松地集成附加功能或更換組件，而無需重新設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)。

模塊化還可以簡化制造過程，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)化模塊可以批量生產(chǎn)且易于組裝?？傮w而言，模塊化可以增強(qiáng)適應(yīng)性、簡化維護(hù)并支持經(jīng)濟(jì)高效地開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

電磁兼容性 (EMC)

電磁兼容性 (EMC) 在物聯(lián)網(wǎng) PCB 設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，因?yàn)樗纱_保設(shè)備能夠相互干擾或不受外部電磁源影響地運(yùn)行。適當(dāng)?shù)?EMC 設(shè)計(jì)可最大限度地降低信號(hào)干擾和電磁輻射的風(fēng)險(xiǎn)，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的可靠通信和功能。

這涉及使用適當(dāng)?shù)慕拥丶夹g(shù)、屏蔽和濾波組件來降低干擾風(fēng)險(xiǎn)并確保在各種環(huán)境中可靠運(yùn)行。

面向制造設(shè)計(jì) (DFM)

PCB 設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了 DFM 原則，以最大程度降低生產(chǎn)成本。設(shè)計(jì)選擇考慮了組裝、測(cè)試和批量生產(chǎn)的簡易性，以滿足大規(guī)模部署的需求。

PCB 通常設(shè)計(jì)為拼板，即在一塊較大的面板上制造多塊電路板。這可以提高生產(chǎn)效率并降低成本。

向制造商提供清晰的裝配指南，指定組件的位置、方向和焊接配置文件，以確保裝配過程中的質(zhì)量一致。

結(jié)論

設(shè)計(jì)用于物聯(lián)網(wǎng)和小型嵌入式系統(tǒng)的 PCB 需要采取一種綜合方法，考慮電源效率、無線連接、信號(hào)完整性、熱管理和其他各種因素。通過遵循這些提示和最佳實(shí)踐，工程師可以開發(fā)出可靠、高效的 PCB，以滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和小型嵌入式系統(tǒng)的特定要求。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，緊跟 PCB 設(shè)計(jì)的最新進(jìn)展對(duì)于在快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域創(chuàng)造尖端和有競(jìng)爭力的解決方案至關(guān)重要