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簡介：無所不在的 IoT

設(shè)計具有 IoT 功能的電子產(chǎn)品已不再是例外情況，而已成為行業(yè)規(guī)則。 IoT 技術(shù)不僅開創(chuàng)了眾多全新的電子設(shè)備產(chǎn)品類別，還促使創(chuàng)新者重新思考消費者與傳統(tǒng)低技術(shù)含量產(chǎn)品的互動方式。從設(shè)計者到初創(chuàng)公司及更大規(guī)模的企業(yè)，從健康跟蹤手表（圖 1）到恒溫器（圖 2），發(fā)明具有 IoT 功能的新技術(shù)設(shè)備和借助IoT 功能徹底改造現(xiàn)有產(chǎn)品帶來了似乎無窮無盡的商機。

圖 1： IoT 可穿戴設(shè)備                                                        圖 2：支持 IoT 功能的恒溫器
 

想像一下您正在辦公室里，有人按下了已連接到您家中 WiFi 網(wǎng)絡(luò)、支持 IoT 功能的視頻門鈴。您的智能手機將會收到門鈴按響的通知，并立即顯示造訪者的實時視頻。接下來，想像一下您可以直接與造訪者對話，告訴他們您現(xiàn)在很忙，讓他們將包裹放在門口，整個過程都不會泄漏您本人是否正在家中。您無需想像這種技術(shù)，它實際上已在使用。

 

由支持 IoT 功能的設(shè)備構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)正在以前所未有的速度飛速發(fā)展，從而在真實世界的物體、系統(tǒng)和人與旨在連接用戶、其他設(shè)備甚至制造商的產(chǎn)品之間建立起紐帶。您可以坐在舒適的沙發(fā)里，無需挪動半步，就能使用語音命令開關(guān)電燈或為電燈調(diào)光。通過使用簡單、直觀的移動應(yīng)用來控制 IoT 設(shè)備，您可以與智能可穿戴設(shè)備、門鎖、恒溫器、您選擇的娛樂設(shè)備以及其他更多產(chǎn)品通信。

 

對消費者而言， IoT 設(shè)備看起來時尚而又簡單，但它們實際包含一組截然不同的元器件、物理接口和 PCB，以及在設(shè)計和 Layout 上具有獨特挑戰(zhàn)的軟硬結(jié)合板電路。

 

確保 IoT 產(chǎn)品不會失效或出現(xiàn)與可靠性、制造或裝配問題相關(guān)的意外延誤和成本，這一點非常關(guān)鍵。現(xiàn)代IoT 設(shè)計需要具有先進功能的 PCB設(shè)計環(huán)境，包括布線前和布線后仿真、 Layout 約束管理、驗證及其他更多功能。

 

本文介紹在 IoT PCB設(shè)計中必須考慮的七個設(shè)計方面。
 

1 – IoT 設(shè)計域（圖 3）

圖 3： IoT 設(shè)計領(lǐng)域
 

模擬 (A) 和數(shù)字 (D) —— 模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器在 IoT 設(shè)計中被用于處理、存儲幾乎任何數(shù)字形式的模擬信號，或?qū)⑵鋫魉椭廖⑻幚砥鳌＿@類轉(zhuǎn)換器通常被稱為“A-到-D” (A/D)、“D-到-A” (D/A) 和 ADC（模擬到數(shù)字）轉(zhuǎn)換器。 ADC 是一種混合信號器件，用于提供以數(shù)字方式表示輸入電壓或電流電平的輸出。模擬信號的主要優(yōu)勢在于能夠提供無限數(shù)量的表示，而數(shù)字信號只能提供有限數(shù)量的可能表示。通過從模擬域轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，我們可以使用電子設(shè)備與我們身邊的模擬世界交互。

 

MEMS（微電子機械系統(tǒng)） —— MEMS 是當今許多 IoT 設(shè)計中司空見慣的小型傳感器和執(zhí)行器。 MEMS 傳感器負責從其周邊收集信息，與此同時，執(zhí)行器負責執(zhí)行給定的命令。從用于檢測步數(shù)的健身跟蹤器，到感應(yīng)您傾斜手機和旋轉(zhuǎn)屏幕的智能手機感應(yīng)功能， MEMS 都是 IoT 設(shè)計中的關(guān)鍵組件。RF（射頻） —— 無線電模塊通過 WiFi、 Bluetooth® 或自定義協(xié)議將 IoT 設(shè)備連接到云。在無線連接中，必須考慮多個因素，包括應(yīng)用需求、技術(shù)約束和不同的軟硬件集成要求。了解 IoT 產(chǎn)品的功耗、范圍、連接和吞吐量對于滿足各個器件的無線技術(shù)要求都很關(guān)鍵。

 

2 – IoT 設(shè)備的外形和配合

IoT 設(shè)計可能非常復雜；因此，產(chǎn)品的軟件、網(wǎng)絡(luò)元素和 PCB 都需要制作樣機。許多大眾消費類設(shè)計（尤其是人機界面 IoT 設(shè)備）的驅(qū)動要求是外形參數(shù)。如果健身跟蹤器不夠輕、不夠舒適甚至不夠時尚，或者智能手表體積過大， IoT 門鎖無法裝入大門并保證美觀，產(chǎn)品就不可能暢銷市場。

IoT 設(shè)備通常采用兩種開發(fā)方法之一。第一種方法是使用概念驗證樣機來探索、設(shè)計和開發(fā)產(chǎn)品。樣機經(jīng)過驗證后，可通過研究設(shè)備能否以易于消費者使用的外形參數(shù)進行封裝，以及能否滿足市場需求和消費者的價格點要求，對市場需求進行量化。

第二種開發(fā)流程在成熟的公司內(nèi)更加常見。它以物理設(shè)計要求作為起點。例如，對于 IoT 可穿戴設(shè)備而言，尺寸和重量決定了最終的產(chǎn)品形狀和總體外觀及體驗。換言之，如果產(chǎn)品的物理尺寸不符合人體工學，或無法吸引消費者，產(chǎn)品就絕不可能暢銷。
 

3 – IoT 設(shè)計元器件

設(shè)計 IoT 設(shè)備的一個重要步驟是研究和選擇所有需要的元器件。就功能和成本而言，模擬／混合信號 IC、D/A-A/D 轉(zhuǎn)換器、傳感器、執(zhí)行器、 MEMS 和無線電模塊（圖 4）等零件選擇都至關(guān)重要。 IoT 產(chǎn)品往往包含小型化元器件，包括 LED、顯示器、攝像頭、麥克風和揚聲器。此外，常見的物理接口元器件還包括按鈕、開關(guān)、觸摸傳感器和充電口等。

IoT 設(shè)備甚至可能包含磁簧傳感器、指紋檢測器、力感應(yīng)電阻器 (FSR) 和柔性傳感器。人機界面設(shè)備 (HID)（例如內(nèi)含有線或無線充電電池的智能手機和緊湊型可穿戴設(shè)備）的功耗低，效率高，而其他長期以來科技含量較低的支持 IoT 功能的設(shè)備（例如門鈴和恒溫器）則使用現(xiàn)有的電線供電。

圖 4： IoT 設(shè)計中的典型元器件（示例： Nest® 恒溫器）

 

4 – 在原理圖中輸入 IoT 設(shè)計意圖
選擇 IoT 元器件并完成符號庫的創(chuàng)建后，下一步是在原理圖中定義元器件之間的連接。為提高設(shè)計效率和生產(chǎn)率，創(chuàng)建原理圖應(yīng)包括用于采購元器件和控制成本的元器件管理功能。從原理圖設(shè)計環(huán)境（圖 5）直接訪問模擬／混合信號電路分析及布線前信號完整性分析，對于確保滿足設(shè)計的信號完整性和物理特征要求至關(guān)重要。

圖 5：完全集成的原理圖輸入設(shè)計環(huán)境

 

5 – 解決 IoT 設(shè)計中的仿真、驗證、電源和存儲器問題

IoT 設(shè)計包含模擬／混合信號 (AMS)。在設(shè)計階段通過對混合技術(shù)電路進行基于模型的 AMS 設(shè)計、仿真和分析，實現(xiàn)高性能的 AMS 電路（圖 6）。

從直流工作點、時域和頻域分析到參數(shù)掃描、靈敏度、蒙特卡洛和最壞情況研究， AMS 電路的行為驗證、情境探索和元器件優(yōu)化對于確保 IoT 設(shè)計的設(shè)計意圖、性能和可靠性都至關(guān)重要。

IoT 設(shè)計尤其獨特的一點在于，它們通常在多種模式下工作，例如待機、發(fā)送／接收、主動感應(yīng)、充電等模式。因此，必須指定和驗證每種模式以及模式到模式的功能驗證。例如，驗證內(nèi)置的 A/D 轉(zhuǎn)換器在指定的溫度范圍內(nèi)能否正確工作需要進行晶體管級別的仿真。針對 IoT 設(shè)計執(zhí)行布線前仿真并規(guī)劃布線后驗證，對于確保產(chǎn)品滿足其所有功能要求非常關(guān)鍵。

 

當今許多最流行的 IoT 設(shè)備都是緊湊型可穿戴設(shè)備。它們體積小，重量輕，而且能效必須極高。必須調(diào)整不同模式下的功耗，以延長電池壽命，而這反過來也會縮短兩次充電間隔的時間。為了預防由于關(guān)鍵供電網(wǎng)絡(luò)上的電壓損耗導致的產(chǎn)品故障或失效，在 Layout 期間分析電源完整性非常重要。意外或無法預測的電路行為也可能是由功率輸送問題所致。為確保輸送到 IC 的功率潔凈而且高效，務(wù)必在產(chǎn)品創(chuàng)建流程的早期找出并解決電流密度過高的區(qū)域。

圖 6： AMS 仿真和分析環(huán)境

 

IoT 產(chǎn)品使用連接到 DRAM 和閃存存儲器的現(xiàn)代微處理器。為充分考慮板級影響，例如有損傳輸線、反射、阻抗變化、過孔影響、 ISI、串擾和時序延遲等，有必要對您的存儲器接口進行詳細的仿真，以提供全面的剖析。

圖 7：高級約束管理

 

能夠精確地約束存儲器連接并進行布線，對于縮短 DDR 型設(shè)計的設(shè)計時間和調(diào)試周期至關(guān)重要。借助PCB Layout 功能，包括高級約束管理（圖 7）和高級 DDR 布線（圖 8）功能，設(shè)計人員可以快速、精確地完成高速、高帶寬走線的布線過程。

 

6 – PCB LAYOUT

IoT 設(shè)計，尤其對于可穿戴設(shè)備等消費電子產(chǎn)品而言，決定性因素往往是在 3D 機械 CAD工具內(nèi)設(shè)計的預定義、市場化外形參數(shù)。在布置走線或進行平面覆銅之前能夠以 3D 方式查看外殼中的電路板，對于確保設(shè)計符合產(chǎn)品的所有物理要求至關(guān)重要。除了 PCB外形以外，還必須考慮其他因素，包括產(chǎn)品的使用環(huán)境和柔性。下面來了解一下其中一些因素：

圖 8：基于約束的交互式布線
 

1. 元器件貼裝 —— 完成 IoT 原理圖設(shè)計并將電路板外形（包括固定的物理接口元器件位置、安裝孔、挖空圖形等）導入到 Layout 環(huán)境后，元器件的貼裝應(yīng)該非常快速、輕松。原理圖與 Layout 之間的雙向交互顯示很有幫助。這一功能可以 2D 或 3D 方式貼裝元器件，同時確保貼裝符合設(shè)計約束，不僅縮短了設(shè)計時間，還避免發(fā)生違規(guī)。
 

2. 約束管理 —— 由于元器件經(jīng)常被稱為 PCB設(shè)計的構(gòu)造塊，因此可以將這些構(gòu)造塊之間的連接視為“灰漿”。通過在整個設(shè)計流程中使用集成的約束管理來傳播預定義的電氣約束，您可以控制網(wǎng)絡(luò)類和組，定義管腳對，以及執(zhí)行更多操作。層次化規(guī)則嵌套約束旨在提高布線控制的效率，確保布線符合高速性能規(guī)則，并支持您針對匹配的長度、差分對、最大／最小長度及更多條件定義高速規(guī)則。

 

3. 2D/3D Layout —— 在設(shè)計具有嚴格外形參數(shù)約束和復雜的裝配程序的 IoT 產(chǎn)品時，如果能夠在詳細的 3D 物理 Layout 環(huán)境中進行 Layout 并探索設(shè)計，將會帶來巨大的優(yōu)勢。在貼裝和動態(tài)設(shè)計規(guī)則檢查 (DRC) 期間，利用逼真的 3D 可視化功能，可以確保設(shè)計即正確的 Layout。利用精確的元器件 STEP模型可以查看最終產(chǎn)品，從而確保配合度及間距符合產(chǎn)品規(guī)格要求。此外，將 IoT 產(chǎn)品的機械外殼導入 3D 視圖的功能為設(shè)計人員提供了逼真的總裝視圖，以確保配合度和避免沖突。

 

4. IoT 設(shè)計中的軟硬結(jié)合板電路： 柔性 PCB 和軟硬結(jié)合板 PCB（圖 9）

當前廣泛應(yīng)用于所有類型的電子產(chǎn)品， IoT 設(shè)計也不例外。

通過 3D 驗證可確保彎角位于正確的位置，并且元器件不會對折疊產(chǎn)生干擾。管理柔性彎角、柔性層上的零件貼裝、柔性布線和平面形狀填充等等，對于這類設(shè)計而言尤其關(guān)鍵。在早期以及整個設(shè)計階段顯現(xiàn)包含軟硬結(jié)合板的IoT 設(shè)計的功能，可以預防代價巨大的重新設(shè)計。而且，將軟硬結(jié)合板設(shè)計以 3D 實體模型的方式導出到 MCAD 的功能，有利于在 ECAD 和 MCAD 領(lǐng)域之間開展高效的雙向協(xié)作，確保避免制造 (DFM) 和裝配 (DFMA) 問題。

圖 9： 3D 和 2D 軟硬結(jié)合板設(shè)計環(huán)境

 

5. 測試 IoT 設(shè)計： IoT 產(chǎn)品是低功耗產(chǎn)品，并且需要能夠快速適應(yīng)新型技術(shù)的測試平臺。無線 IoT 產(chǎn)品的四項關(guān)鍵測試參數(shù)包括：范圍、電池壽命、互操作性和響應(yīng)時間。例如，使用 Bluetooth® 技術(shù)的設(shè)備與使用 Wi-Fi 技術(shù)的設(shè)備相比范圍更小。對于電池供電的 IoT 設(shè)備，有必要測量設(shè)備在現(xiàn)實場景中的功耗，以確保其在多種模式下都能保持足夠的電池壽命。

 

7 – IoT 設(shè)計的制造和裝配

在整個產(chǎn)品設(shè)計流程中，都應(yīng)考慮如何確保 IoT 設(shè)備采用可制造性和可裝配性設(shè)計。例如， DFT（可測試性設(shè)計）可以從裸板的角度提供設(shè)計的可測試性，以識別短路和其他制造缺陷。類似地，執(zhí)行 DFMA（可制造性和可裝配性設(shè)計）分析可以識別阻焊細絲以及由于阻焊層暴露的意外覆銅等問題，以便能夠在加工前予以糾正。

從大型電子設(shè)備制造商到設(shè)計者，創(chuàng)建 IoT 設(shè)計可能都是一個非常復雜的過程，不論是在短時間的樣機運行還是在批量生產(chǎn)中，任何成本節(jié)省都關(guān)乎最終利潤或預算的平衡。使用支持 DFMA 分析、拼板和 ODB++精益制造數(shù)據(jù)交換流程等制造功能的 Layout 工具，可通過識別可能導致延遲和代價高昂的改版的問題，來幫助避免增加成本或降低良率。

 

總結(jié)

當前 IoT 設(shè)備設(shè)計在越來越多的行業(yè)中得到使用，包括消費電子、汽車、醫(yī)療、工業(yè)、軍用行業(yè)等等。因此，針對信號和功率要求以及電源完整性的考量必須成為 IoT 產(chǎn)品設(shè)計和分析方法的一部分。 IoT 設(shè)備在過去十年里的爆炸式增長以及新產(chǎn)品和現(xiàn)有產(chǎn)品中支持 IoT 功能的設(shè)備的預期增長，促使上市時間、快速樣機制作以及面向批量生產(chǎn)的設(shè)計對產(chǎn)品的成敗產(chǎn)生決定性的作用。

 

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