物聯網用例：新的互聯網連接解決方??案增加了PCB設計的復雜性

連接到物聯網（IoT），移動物聯網（MIoT）和工業(yè)物聯網（IIoT）的技術應用程序已變得司空見慣。

運動員（從業(yè)余愛好者到專業(yè)人士不等）都戴著腕帶傳感器，該腕帶傳感器可將心率，體溫和步速與云中的數據進行連接并進行比較。通過使用智能頭盔，智能背心和智能眼鏡在各種環(huán)境中工作，這些頭盔不斷從各個員工那里收集健康，位置，環(huán)境和生產力數據。

在另一個示例中，連接到實時資產運營的智能傳感器與在線預測分析相結合，以監(jiān)視工廠中的關鍵資產，并提早發(fā)現可能導致停運的問題。預測性維護傳感器可檢測到振動，應變和頻率的增加。如果這些讀數超出了既定的基準，則在IIoT中運行的分析與企業(yè)資源計劃（ERP）系統(tǒng)之間的相互作用將導致通知流向維護團隊。該通知還包括有關保持系統(tǒng)運行所需的維護類型和維護時間的建議。

但是，革命并不止于此。想想智能家居，數字工廠……和智能城市。

創(chuàng)新與復雜融合

這些和其他與IoT / IIoT / MIoT連接的設備應用程序通過設備層，連接性或邊緣層以及云或數據中心和應用程序層運行。

低功率傳感器和執(zhí)行器通過無線網絡連接到網關。網關依次傳達傳感器和執(zhí)行器通過廣域網連接到云的動作。廣泛的連接性選擇允許在機器語言之間進行來回通信，并進行高級語言的發(fā)送和接收。

設備和應用程序之間的數據獲取和傳輸涉及復雜的交互，不同的頻率帶寬，各種網絡拓撲以及電子組件技術，如下所示：

PCB設計從基礎開始

借助微處理器，智能傳感器，DDR存儲設備和閃存的所有創(chuàng)新和使用，我們回到困擾PCB設計的基本問題。設備之間的所有操作和通信必須有效地進行，且在不同的數據速率下必須沒有干擾，串擾，損耗，延遲，阻抗失配或波動。模擬/混合信號（AMS）的復雜性要求進行仿真和分析，以確保設計符合性能要求。

物聯網/ IIoT / MIoT解決方案的另一個關鍵點涉及天線設計。設計PCB時，在選擇與所需外形尺寸匹配的天線時，可能需要考慮方向，增益和方向性。例如，用于實現智能家居產品無線連接的Z-Wave網格網絡拓撲可以支持數百個設備。在另一個影響天線和電路設計的示例中，Sigfox使用超窄帶（UNB）無線電技術進行無線電消息交換。

由于IoT / IIoT / MIoT設備以多種模式運行，因此噪聲成為更大的因素。讓我們停一會兒，考慮一下在預測性維護環(huán)境中傳感器和執(zhí)行器如何與網關通信。設備之間的發(fā)送和接收會短暫發(fā)生，而空閑電流和待機狀態(tài)的持續(xù)時間會更長。在不同的工作狀態(tài)下，通過輸出電源軌發(fā)出的電磁干擾會降低正常電路操作所需的精度。除EMI外，我們還必須考慮溫度對以多種模式工作的設備的影響。

當您通讀連接層中的技術列表時，大多數指的是低能耗。在解決與信號完整性相關的基本問題時，我們還需要認識到低功耗和電源完整性對我們設計的重要性。在網絡方面看似通用的操作，例如建立適當的網絡參數和協議，由于所需的能耗限制而變得更加成問題。此外，我們在設計中內置的電源公差變得更加嚴格和精確。

剛性-Flex PCB和高密度互連可提供良好的解決方案

在考慮所連接的PCB設計的性能時，對有效外形的需求可能需要使用剛撓性PCB。通過使用剛柔結合法，您可以消除造成損耗，控制阻抗并改善電路整體信號完整性的連接器和連接電纜。剛撓式PCB的重量更輕，部件的空間更大。

但是，當您將PCB設計概念轉移到剛撓環(huán)境時，您必須保持從剛硬到撓性再到剛硬的過渡。電路的柔性部分可以互連電路。多層剛柔PCB還可以在設計中包含更多電路，但也會影響布線設計。彎曲柔性電路時產生的材料應力可能會改變您的走線路線，走線寬度和表面安裝元件的方法。用于在雙面柔性電路上分布應力的一種方法涉及交錯的走線和垂直于任何彎曲線的走線。

高密度互連（HDI）還有助于節(jié)省與IoT連接的產品的空間和重量。使用HDI，電氣路徑變得更短，層數減少，組件的放置變得更加擁擠。密集的走線路由可產生更好的信號完整性，并加快信號處理速度。

較短的電氣路徑減少或消除了寄生電容和電感問題。此外，組件放置，布線和組件連接變得更加容易。但是，HDI還需要更加注意保持一致的走線，最小的線寬和精確的布局。

物聯網解決方案：團隊合作和SPICE仿真

構建IoT，IIoT或MIoT解決方案所涉及的一切都需要團隊合作。設計團隊的成員必須共同努力，確定設計約束并將設計從概念轉變?yōu)闇y試。您決定構建測試設計和可制造性兼容板的決定可以節(jié)省時間和金錢。團隊合作還涉及與制造商和制造商緊密合作，以確定外形尺寸如何滿足消費者或工業(yè)需求。

在物聯網設備的整個設計和生產過程中及早使用SPICE工具，將使您能夠仔細地調節(jié)設計的生產和可用性。

在有限的外形尺寸，高速運行的限制以及通過多個OEM因素管理輸出會破壞IoT設計的情況下，使用適當的SPICE工具將能夠最大程度地減少這些問題。適當的電路分析可通過利用高級抽象和模型來獲取準確的數據，為設備所需的參數開發(fā)個性化模型以及進行精確的混合信號仿真，從而為設備的功能提供安全性。

對于大多數消費類電子產品，您還需要關注可制造性和產品良率。值得慶幸的是，SPICE仿真將能夠根據所需的制造良率和可靠性標準來調整設計期望和公差。這個因素將確保您的設計輕松而富有魅力地脫離原理圖并進入想要的聽眾手中。