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

在當今互聯(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備，物聯(lián)網(wǎng)設備不斷革新各個行業(yè)。然而，設計有效的物聯(lián)網(wǎng)和小型嵌入式系統(tǒng)需要仔細考慮并注重細節(jié)。

物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和小型應用的印刷電路板 (PCB) 具有與傳統(tǒng) PCB 不同的幾個特點。這些特點是專門為滿足物聯(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計提示，以幫助您充分發(fā)揮這些連接設備的潛力。

組件選擇

應僅選擇節(jié)能、緊湊且與目標通信協(xié)議兼容的組件。

與組件選擇直接相關(guān)的是環(huán)境適應性。用于物聯(lián)網(wǎng)和小規(guī)模應用的 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 材料應能承受各種環(huán)境條件。例如，使用導熱性好的材料有助于在不同溫度條件下散熱。

PCB 設計師必須仔細規(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)的趨勢是設備更小、更緊湊。PCB 設計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的布線，從而能夠創(chuàng)建更小、功能更豐富的 PCB。因此，這些應用的 PCB 應采用緊湊的外形設計，有效利用空間來容納必要的元件，同時保持最小的整體尺寸。

多層 PCB 通常是不錯的選擇，因為它們可以容納所需的組件和布線，而不會犧牲緊湊性。多層可以高效地路由高速信號，最大限度地減少信號衰減并確保信號完整性。接地層和電源層有助于實現(xiàn)更穩(wěn)定、更抗噪的 PCB 設計。多層設計有助于控制電磁場，降低 EMI 風險，這對于設備性能和符合監(jiān)管標準都至關(guān)重要。

物聯(lián)網(wǎng)設備通常需要尺寸較小的組件，以適應有限的可用空間。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，還應選擇尺寸較小的連接器，以盡量減小設備的整體尺寸。

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

圖 1：通孔優(yōu)化了走線的布線并改善了散熱

低功耗設計

高效的電源管理對于物聯(lián)網(wǎng)和小型嵌入式系統(tǒng)至關(guān)重要。這些設備通常由電池供電，這意味著優(yōu)化功耗對于延長電池壽命至關(guān)重要。PCB 布局包括仔細的電源規(guī)劃，以最大限度地降低活動和待機模式下的功耗。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)設備通常會在低功耗睡眠模式下花費大量時間。PCB 的設計旨在有效支持這些模式，并采用電源門控技術(shù)完全斷開非活動組件的電源。物聯(lián)網(wǎng) PCB 的設計應支持低功耗組件、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)器應盡可能優(yōu)化，以提高效率，因為這也可以減少散熱量。應優(yōu)先選擇靜態(tài)電流較低的元件。

無線連接

無線連接對于許多物聯(lián)網(wǎng)應用至關(guān)重要。應特別注意天線設計，以確保根據(jù)應用的范圍、數(shù)據(jù)速率和功率要求，為所選的無線通信標準（例如 Wi-Fi、藍牙、Zigbee、LoRA 等）提供最佳性能。

天線可以集成到 PCB 設計中（圖 2），也可以作為獨立組件添加。此外，為了防止信號干擾，PCB 的設計采用了適當?shù)?RF 布局技術(shù)。傳輸線和信號路徑經(jīng)過精心控制，以保持信號完整性并防止串擾。

圖 2：嵌入 PCB 的天線（來源：英飛凌）

熱管理

物聯(lián)網(wǎng)設備，尤其是那些帶有嵌入式處理器的設備，會產(chǎn)生不可忽略的熱量。物聯(lián)網(wǎng) PCB 設計中的熱管理至關(guān)重要，原因有幾個。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力而導致的機械故障，增強設備在不同環(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)的風險，可以解決安全問題，尤其是電池供電設備的安全問題。遵守行業(yè)法規(guī)和標準對于產(chǎn)品認證和市場接受至關(guān)重要?？傊?，適當?shù)臒峁芾韺τ趦?yōu)化物聯(lián)網(wǎng)設備的性能、壽命和安全性至關(guān)重要。

設計人員應實施穩(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)設備通常包含各種傳感器來收集數(shù)據(jù)。小型應用的 PCB 集成了各種傳感器的專用接口，例如溫度傳感器、加速度計或環(huán)境傳感器?？梢约尚盘栒{(diào)理電路以確保準確的傳感器數(shù)據(jù)采集。

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

PCB 設計師必須考慮天線的設計和放置，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易受噪聲和干擾。PCB 設計人員需要通過最小化信號線的長度、減少串擾和采用適當?shù)慕拥丶夹g(shù)來仔細管理信號完整性。

支持能量收集

一些物聯(lián)網(wǎng)設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備等能量收集方法的接口。這些接口旨在高效捕獲和存儲收集到的能量。PCB 旨在支持和優(yōu)化這些能量收集方法，使設備能夠以最少的外部電源運行。

傳感器在 PCB 上的物理位置對于準確獲取數(shù)據(jù)至關(guān)重要。PCB 設計人員應將傳感器放置在噪音和干擾最小的位置，同時確保它們能夠有效捕獲目標數(shù)據(jù)。

為了保持信號完整性并降低噪聲，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)的準確性。

通過將能量收集技術(shù)融入物聯(lián)網(wǎng) PCB，設備可以長時間運行而無需人工干預或頻繁更換電池。這在偏遠或難以到達的地方尤其有價值，可增強物聯(lián)網(wǎng)設備的可持續(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)模應用中的一個重要考慮因素。PCB 采用成本效益高的組件和制造工藝設計，不會影響性能或可靠性。

PCB 設計師會根據(jù)成本效益仔細選擇組件，而不會影響質(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

模塊化設計采用標準化連接器，可輕松集成其他模塊或傳感器。這有助于實現(xiàn)可擴展性和適應不同用例。應鼓勵使用標準化通信接口（例如 I2C 或 SPI），因為它可以輕松集成第三方模塊或進行升級，而無需進行大量返工。

物聯(lián)網(wǎng)設備設計中的模塊化方法有利于實現(xiàn)可擴展性和未來升級。這反過來又允許更輕松地集成附加功能或更換組件，而無需重新設計整個系統(tǒng)。

模塊化還可以簡化制造過程，因為標準化模塊可以批量生產(chǎn)且易于組裝?？傮w而言，模塊化可以增強適應性、簡化維護并支持經(jīng)濟高效地開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)設備。

電磁兼容性 (EMC)

電磁兼容性 (EMC) 在物聯(lián)網(wǎng) PCB 設計中至關(guān)重要，因為它可確保設備能夠相互干擾或不受外部電磁源影響地運行。適當?shù)?EMC 設計可最大限度地降低信號干擾和電磁輻射的風險，促進物聯(lián)網(wǎng)設備的可靠通信和功能。

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

面向制造設計 (DFM)

PCB 設計時充分考慮了 DFM 原則，以最大程度降低生產(chǎn)成本。設計選擇考慮了組裝、測試和批量生產(chǎn)的簡易性，以滿足大規(guī)模部署的需求。

PCB 通常設計為拼板，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

設計用于物聯(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 設計的最新進展對于在快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域創(chuàng)造尖端和有競爭力的解決方案至關(guān)重要