簡介：無所不在的 IoT

設計具有 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、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、直觀的移動應用來控制 IoT 設備，您可以與智能可穿戴設備、門鎖、恒溫器、您選擇的娛樂設備以及其他更多產(chǎn)品通信。

 

對消費者而言， IoT 設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?，F(xiàn)代IoT 設計需要具有先進功能的 PCB設計環(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設計中必須考慮的七個設計方面。
 

1 – IoT 設計域（圖 3）

圖 3： IoT 設計領域
 

模擬 (A) 和數(shù)字 (D) —— 模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器在 IoT 設計中被用于處理、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?。這類轉(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，到感應您傾斜手機和旋轉(zhuǎn)屏幕的智能手機感應功能， MEMS 都是 IoT 設計中的關(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 設備連接到云。在無線連接中，必須考慮多個因素，包括應用需求、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 設備的外形和配合

IoT 設計可能非常復雜；因此，產(chǎn)品的軟件、網(wǎng)絡元素和 PCB 都需要制作樣機。許多大眾消費類設計（尤其是人機界面 IoT 設備）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、設計和開發(fā)產(chǎn)品。樣機經(jīng)過驗證后，可通過研究設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。它以物理設計要求作為起點。例如，對于 IoT 可穿戴設備而言，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 設計元器件

設計 IoT 設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 設備甚至可能包含磁簧傳感器、指紋檢測器、力感應電阻器 (FSR) 和柔性傳感器。人機界面設備 (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 功能的設備（例如門鈴和恒溫器）則使用現(xiàn)有的電線供電。

圖 4： IoT 設計中的典型元器件（示例： Nest® 恒溫器）

 

4 – 在原理圖中輸入 IoT 設計意圖
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。為提高設計效率和生產(chǎn)率，創(chuàng)建原理圖應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計環(huán)境

 

5 – 解決 IoT 設計中的仿真、驗證、電源和存儲器問題

IoT 設計包含模擬／混合信號 (AMS)。在設計階段通過對混合技術(shù)電路進行基于模型的 AMS 設計、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 設計的設計意圖、性能和可靠性都至關(guān)重要。

IoT 設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、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 設備都是緊湊型可穿戴設備。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 型設計的設計時間和調(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 設計，尤其對于可穿戴設備等消費電子產(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，元器件的貼裝應該非?？焖佟⑤p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計約束，不僅縮短了設計時間，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 并探索設計，將會帶來巨大的優(yōu)勢。在貼裝和動態(tài)設計規(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）

當前廣泛應用于所有類型的電子產(chǎn)品， IoT 設計也不例外。

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，對于這類設計而言尤其關(guān)鍵。在早期以及整個設計階段顯現(xiàn)包含軟硬結(jié)合板的IoT 設計的功能，可以預防代價巨大的重新設計。而且，將軟硬結(jié)合板設計以 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)合板設計環(huán)境

 

5. 測試 IoT 設計： IoT 產(chǎn)品是低功耗產(chǎn)品，并且需要能夠快速適應新型技術(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、互操作性和響應時間。例如，使用 Bluetooth® 技術(shù)的設備與使用 Wi-Fi 技術(shù)的設備相比范圍更小。對于電池供電的 IoT 設備，有必要測量設備在現(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 設計的制造和裝配

在整個產(chǎn)品設計流程中，都應考慮如何確保 IoT 設備采用可制造性和可裝配性設計。例如， DFT（可測試性設計）可以從裸板的角度提供設計的可測試性，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。

從大型電子設備制造商到設計者，創(chuàng)建 IoT 設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 設備設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)品設計和分析方法的一部分。 IoT 設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)的設計對產(chǎn)品的成敗產(chǎn)生決定性的作用。

 

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