L'Internet of Things (IoT) è qui, è enorme e diventerà sempre più massiccio col passare del tempo. L'IoT è stata descritta come la quarta rivoluzione industriale. E se tutte le ricerche e le speculazioni di Gartner sono accurate, vedremo almeno 26 miliardi di dispositivi connessi a Internet.
I progettisti di PCB in tutto il mondo hanno probabilmente il lavoro più difficile di tutti quando si tratta di IoT, stipare tutte quelle funzionalità avanzate in dimensioni dei pacchetti che continuano a ridursi. Ecco le 10 cose che, come azienda, dovremo affrontare ed essere pronti.
#1 – Combattiamo per ogni centimetro di spazio di layout
Sono finiti i giorni in cui si disponeva di un sacco di spazio di layout extra per stabilire tutte le tracce, i componenti e i via. Con i dispositivi IoT, abbiamo un sacco di funzionalità in qualcosa che puoi indossare sul tuo corpo, nei tuoi vestiti o persino ingerire.
Prendiamo ad esempio l'Apple Watch. Il modello in alluminio misura 38,6 mm x 33,3 mm con una profondità di 11,4, il tutto con un peso di soli 28,2 g. E mentre potrebbe sembrare bello all'esterno, ha anche un sacco di funzionalità. Hai cose come un display a LED, memoria, un controller SoC, una serie di sensori, un chip Bluetooth e una batteria a lunga durata. Quello che abbiamo qui è la funzionalità di qualcosa che tradizionalmente si adatta alle dimensioni di uno smartphone, ora indossato al polso.
Gli ingegneri di Apple stanno combattendo per ogni centimetro di spazio sul layout della loro scheda e possiamo aspettarci di fare lo stesso. Pianifichiamo di stipare cose come display, fotocamere, microfoni, sensori, porte di ricarica, ecc. Il tutto in un pacchetto che sembra ridursi ogni anno. Per ottenere tutte queste funzionalità compatte e flessibilità, entriamo in un dominio di progettazione completamente nuovo che include PCB Rigid-Flex e High-Density Interconnect (HDI).
Gli HDI sono eccezionali in quanto consentono il posizionamento di componenti più densi e l'uso di vie cieche, interrate e micro per risparmiare spazio prezioso sulla scheda. E per quanto riguarda i PCB Rigid-Flex, possiamo sfruttare tutte le piegature e le torsioni per inserire più PCB nel più piccolo dei contenitori. Si sta arrivando a un punto in cui i PCB "abbastanza buoni" non saranno più accettati dal mercato.
#2 – Probabilmente lavoreremo con nuove tecnologie di imballaggio
Diciamo addio alla tradizionale combinazione di componenti a foro passante e a montaggio superficiale. I dispositivi IoT di oggi utilizzano alcune tecnologie di packaging più recenti per mantenere le cose sottili e sottili, come:
Moduli Multi-Chip (MCM) che aiutano a ridurre i fattori di forma collegando più circuiti integrati su un unico die.
System-in-Package (SiP) che semplifica l'integrazione di sistemi logici, analogici e RF digitali in un unico chip.
IC tridimensionali (3D-IC) che consentono di impilare più die di silicio insieme verticalmente, che agiscono tutti come un unico dispositivo e forniscono un consumo energetico ridotto e un ingombro ridotto.
#3 – Progetteremo un intero prodotto, non solo un PCB
Probabilmente siamo tutti abituati a progettare un circuito stampato tradizionale e a consegnarlo al nostro progettista meccanico per un controllo di adattamento. Ma nel mondo dell'IoT, questo flusso di lavoro non vola più. Con fattori di forma più piccoli, sarà più importante che mai portare tutti gli stakeholder sulla stessa pagina all'inizio del processo di progettazione. Tutto per garantire che funzioni, forma ed esigenze aziendali possano incontrarsi senza problemi.
Cosa significa tutto questo? Aspettiamoci di fare molta più prototipazione virtuale per valutare le dimensioni del PCB, il peso complessivo del prodotto e l'adattamento della scheda all'interno di un contenitore. Questa attenzione alla prototipazione virtuale renderà facile concentrarsi su tutti gli aspetti del processo di progettazione elettronica, inclusi layout 2D, dimensioni fisiche 3D e impegnarsi nell'elenco dei materiali della distinta base richiesti prima di posizionare una traccia o un componente sulla scheda.
#4 – Molto probabilmente lavoreremo con nuovi materiali
I giorni in cui fare affidamento sul tradizionale FR4 per la produzione del PCB di forma quadrata potrebbero essere finiti. Nell'era dell'IoT, i circuiti devono essere flessibili e, non solo, i circuiti dovranno probabilmente essere incorporati in altri materiali. Per questo motivo, probabilmente inizierai ad allontanarti da FR4 nei tuoi progetti IoT e a adottare alcuni nuovi materiali come plastica, rame flessibile e persino mesh.
Ciò richiederà l'aiuto di specialisti nel campo della produzione e del design che conoscono il modo migliore per progettare e lavorare con queste alternative FR4.
#5 – Avremo bisogno di pianificare attentamente il consumo di energia
C'è poca o nessuna garanzia che il prodotto IoT che stiamo progettando avrà una fonte dedicata di alimentazione plug-in. La maggior parte di questi dispositivi si basa su batterie e persino su capacità di raccolta di energia per mantenerli in funzione per tutto il giorno. Per questo motivo, consigliamo di progettare il prodotto IoT concentrandoti sul consumo energetico efficiente.
Quando pianifichiamo la potenza del progetto IoT, possiamo definire una strategia per quanto riguarda un budget allocato. A ogni blocco di circuito funzionale sul PCB può essere assegnato un proprio budget di potenza, il che ci darà molta più flessibilità rispetto alla semplice considerazione del consumo di energia per il prodotto nel suo insieme.
Una volta pianificato il consumo di energia, dovremo anche verificare e testare ogni stato di alimentazione del PCB mentre passa attraverso varie attività. Prepariamoci a eseguire alcune convalide per l'invio, lo standby, Rx/TX, ecc. e vedere come questi influiscono sull'utilizzo della batteria.
#6 – Lavoreremo con una tonnellata di moduli e protocolli wireless
La connettività wireless è una base fondamentale di qualsiasi prodotto IoT, poiché consente a un dispositivo di rilevare l'ambiente circostante, raccogliere dati e inviarli al cloud per l'interpretazione. Tutto ciò è reso possibile da una varietà di moduli wireless e circuiti RF, ma come faremo a trovare spazio per tutto?
Al giorno d'oggi ci sono un sacco di moduli standard e componenti RF progettati per IoT e prodotti indossabili. Queste parti mantengono il loro ingombro il più piccolo possibile pur includendo tutte le funzionalità di cui hai bisogno. Il modulo e il protocollo wireless che si decide di utilizzare nel PCB alla fine si riducono a diversi fattori, tra cui la portata richiesta, le velocità di trasferimento dei dati, i requisiti di sicurezza e il consumo energetico. È probabile che utilizzeremo uno o più di questi protocolli per portare a termine il lavoro:
Infrastruttura: 6LowPAN, IPv4/IPv6, RPL
Identificazione: EPC, uCode, IPv6, URI
Comunicazione e trasporto: Wi-Fi, Bluetooth, LP WAN
Scoperta: Web fisico, mDNS, DNS-SD
Dati: MQTT, CoAP, AMQP, Websocket, Node
Gestione del dispositivo - TR-069, OMA-DM
Come si può immaginare, questo elenco non è affatto esaustivo. Ci sono un sacco di altri protocolli IoT là fuori e molti altri in fase di sviluppo man mano che le esigenze del nostro futuro connesso cambiano. Ci chiediamo, ci sarà mai un protocollo wireless per governare il futuro dell'IoT? Probabilmente no. Con ogni dispositivo che ha esigenze diverse in termini di consumo energetico, portata e trasferimento dei dati, probabilmente ci ritroveremo sempre a mescolare e abbinare protocolli e moduli a seconda delle esigenze.
#7 – Dovremo considerare i vincoli del corpo umano
Ecco il problema con il corpo umano: è estremamente debole. Questo può significare un cattivo affare per il mantenimento di un segnale forte durante la trasmissione dei dati. Lavori su uno smartwatch dotato di antenna? Avrai bisogno di un modo per allontanare quei campi elettromagnetici il più lontano possibile dal corpo. Ciò potrebbe richiedere alcune conoscenze specialistiche e anche l'uso di componenti come amplificatori a basso rumore.
Oltre ai problemi di radiazioni con il corpo, c'è anche la questione dell'umidità. Come tutti sappiamo, l'umidità può distruggere completamente un circuito funzionante. E quando inizi a progettare circuiti ad alta impedenza in un dispositivo indossabile, l'umidità proveniente da un corpo che entra in contatto con un circuito può causare un disastro se non pianificata correttamente.
Idealmente, questo sarà un problema che il tuo ingegnere meccanico può risolvere progettando un pacchetto completamente sigillato per fornire resistenza all'umidità per il tuo PCB. Ma se ciò non è possibile, c'è anche la possibilità di applicare un rivestimento conforme alla scheda, che può aiutare a impedire all'umidità di penetrare nei componenti sensibili.
#8 – Ci preoccuperemo dell'affidabilità più che mai
Una cosa è sostituire un componente a foro passante fritto su un circuito stampato e un'altra è fare la stessa cosa su un dispositivo IoT miniaturizzato. Qualcuno che si lega uno smartwatch al polso o un apparecchio acustico all'orecchio semplicemente non avrà la tolleranza per i guasti con il tuo dispositivo. Dovrà solo funzionare, tutto il tempo.
Come progettisti/fabbricanti di PCB, questo significa che trascorreremo molto più tempo in programmi di simulazione come PSpice, ottimizzando attentamente il tuo prototipo per ottenere prestazioni ideali. Presteremo anche molta più attenzione alla gestione termica. Con più sensori, componenti sensibili e più schede impilate nello stesso spazio, il corretto raffreddamento può diventare un grosso problema. Un cambiamento di temperatura può influire sul funzionamento dei componenti? È qualcosa che vorrai sapere.
Questo non è più il tipico processo di progettazione PCB
È abbastanza chiaro che la progettazione elettronica nel suo insieme subirà alcuni seri cambiamenti in futuro per far fronte alle esigenze dell'IoT. Ci saranno solo molti più dettagli da affrontare. Il consumo di energia è sotto controllo? Che tipo di calore emette la tua scheda? E che protocollo utilizzerai? Queste sono tutte domande a cui dovremo rispondere.
Nell'era dell'IoT, il nome del gioco di ingegneria sarà incentrato sull'efficienza, l'affidabilità e la collaborazione. Non stiamo più solo progettando circuiti stampati; stiamo sviluppando prodotti. E questo sicuramente non è più il tipico processo di progettazione di PCB.
Date : 10-03-2023
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