物聯網和小型嵌入式系統的 PCB 設計提示 如有需要PCB和芯片歡迎回到首頁 電聯黃云艷
在當今互聯互通的世界里，物聯網 (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，物聯網設備不斷革新各個行業。然而，設計有效的物聯網和小型嵌入式系統需要仔細考慮并注重細節。
物聯網 (IoT) 和小型應用的印刷電路板 (PCB) 具有與傳統 PCB 不同的幾個特點。這些特點是專門為滿足物聯網和小型嵌入式系統中常見的緊湊、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，以幫助您充分發揮這些連接設備的潛力。
組件選擇
應僅選擇節能、緊湊且與目標通信協議兼容的組件。
與組件選擇直接相關的是環境適應性。用于物聯網和小規模應用的 PCB 旨在承受各種環境條件。這包括考慮溫度變化、濕度以及設備在不同操作環境中可能遇到的其他因素。
所選 PCB 材料應能承受各種環境條件。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 建模等技術來優化空間利用。
尺寸緊湊
物聯網和小型嵌入式系統的趨勢是設備更小、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) 技術提供了很大的幫助，該技術可以提高元件密度和更精細的布線，從而能夠創建更小、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更穩定、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管標準都至關重要。
物聯網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 (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 技術可實現更高的布線密度、更小的過孔（圖 1）和更細的走線。它使 PCB 設計師能夠實現緊湊的設計，而不會犧牲功能或性能。此外，柔性 PCB 還具有順應不規則形狀或適合狹小空間的優勢。它們可以彎曲、折疊或扭曲，以適應物聯網設備的尺寸要求。
圖 1：通孔優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網和小型嵌入式系統至關重要。這些設備通常由電池供電，這意味著優化功耗對于延長電池壽命至關重要。PCB 布局包括仔細的電源規劃，以最大限度地降低活動和待機模式下的功耗。這涉及戰略性地放置電源平面、優化走線布線和利用低功耗組件。
此外，物聯網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完全斷開非活動組件的電源。物聯網 PCB 的設計應支持低功耗組件、優化的電源分配和睡眠模式，以最大限度地提高能源效率。
電壓調節器應盡可能優化，以提高效率，因為這也可以減少散熱量。應優先選擇靜態電流較低的元件。
無線連接
無線連接對于許多物聯網應用至關重要。應特別注意天線設計，以確保根據應用的范圍、數據速率和功率要求，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 的設計采用了適當的 RF 布局技術。傳輸線和信號路徑經過精心控制，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
物聯網設備，尤其是那些帶有嵌入式處理器的設備，會產生不可忽略的熱量。物聯網 PCB 設計中的熱管理至關重要，原因有幾個。它可以確保電子元件的使用壽命，保持穩定的性能，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。遵守行業法規和標準對于產品認證和市場接受至關重要。總之，適當的熱管理對于優化物聯網設備的性能、壽命和安全性至關重要。
設計人員應實施穩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
物聯網設備通常包含各種傳感器來收集數據。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、加速度計或環境傳感器。可以集成信號調理電路以確保準確的傳感器數據采集。
此外，物聯網設備通常需要混合使用模擬和數字信號。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的接地技術來仔細管理信號完整性。
支持能量收集
一些物聯網設備利用能量收集技術從環境中提取能量。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據至關重要。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據。
為了保持信號完整性并降低噪聲，必須將 PCB 上的模擬和數字元件及走線分開。這種分離有助于防止數字噪聲影響模擬傳感器讀數的準確性。
通過將能量收集技術融入物聯網 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，可增強物聯網設備的可持續性和自主性。
成本考慮因素
成本效益是物聯網和小規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 設計師會根據成本效益仔細選擇組件，而不會影響質量或性能。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。
物聯網設備設計中的模塊化方法有利于實現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。
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且易于組裝。總體而言，模塊化可以增強適應性、簡化維護并支持經濟高效地開發物聯網設備。
電磁兼容性 (EMC)
電磁兼容性 (EMC) 在物聯網 PCB 設計中至關重要，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。適當的 EMC 設計可最大限度地降低信號干擾和電磁輻射的風險，促進物聯網設備的可靠通信和功能。
這涉及使用適當的接地技術、屏蔽和濾波組件來降低干擾風險并確保在各種環境中可靠運行。
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成本。設計選擇考慮了組裝、測試和批量生產的簡易性，以滿足大規模部署的需求。
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量一致。
結論
設計用于物聯網和小型嵌入式系統的 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，工程師可以開發出可靠、高效的 PCB，以滿足物聯網應用和小型嵌入式系統的特定要求。隨著技術的不斷發展，緊跟 PCB 設計的最新進展對于在快速發展的物聯網領域創造尖端和有競爭力的解決方案至關重要
