物联网用例:新的互联网连接解决方案增加了PCB设计的复杂性

连接物联网(IoT)、移动物联网(MIoT)和工业物联网(IIoT)的技术应用已经变得司空见惯。

从业余运动员到专业运动员，运动员都戴着传感器腕带，这些传感器可以连接并比较心率、体温和速度与云中的数据。物联网的用例还包括工厂、磨坊、炼油厂和其他行业，通过使用智能头盔、智能背心和智能眼镜，不断收集员工的健康、位置、环境和生产力数据，这些行业的工作环境已经变得更安全。

在另一个例子中，连接到实时资产操作的智能传感器与在线预测分析相结合，以监控工厂中的关键资产，并提供可能导致停机的问题的早期检测。预测性维护传感器检测振动、应变和频率的增加。如果这些读数超出了已建立的基线，则在IIoT中操作的分析与企业资源规划(ERP)系统之间的交互将向维护团队发送通知。该通知还包括关于保持系统运行所需的维护类型和维护时间的建议。

然而，革命并没有就此止步。想想智能家居、数字工厂和智能城市。

创新和复杂性并存

这些和其他IoT/IIoT/ miot连接的设备应用程序通过设备层、连接或边缘层、云或数据中心和应用程序层运行。

低功耗传感器和执行器通过无线网络连接到网关。接着，网关将传感器和执行器通过广域网络连接到云端的动作进行通信。广泛的连接选择允许机器语言的来回通信以及高级语言的传输和接收。

在设备和应用程序之间获取和传输数据涉及复杂的交互、不同的频率带宽、各种网络拓扑和电子组件技术，如下所示:

PCB设计从基础开始

随着微处理器、智能传感器、DDR存储设备和闪存的创新和使用，我们又回到困扰PCB设计的基本问题上。设备之间的所有操作和通信必须有效地进行，没有干扰、串扰、损失、延迟、阻抗错配或不同数据速率下的波纹。模拟/混合信号(AMS)的复杂性需要仿真和分析，以确保设计符合性能要求。

IoT/IIoT/MIoT解决方案的另一个关键点涉及天线设计。在设计PCB时，您可能需要考虑方向、增益和方向性，同时选择与所需形状因子匹配的天线。例如，用于实现智能家居产品无线连接的Z-Wave网状网络拓扑可能支持数百个设备。在另一个影响天线和电路设计的例子中，Sigfox使用超窄带(UNB)无线电技术进行无线电信息交换。

由于IoT/IIoT/MIoT设备在多种模式下工作，噪声成为一个更大的因素。让我们停下来，考虑一下在预测性维护环境中传感器和执行器如何与网关通信。设备之间的传输和接收在短时间内发生，而空闲电流和待机状态持续较长时间。在不同的工作状态下，通过输出电源轨道发射的电磁干扰会降低正常电路运行所需的精度。除了电磁干扰，我们还必须考虑温度对在多种模式下运行的设备的影响。

当您阅读连接层中发现的技术列表时，大多数指的是低能耗。在解决与信号完整性相关的基本问题的同时，我们还需要认识到低能耗和电源完整性对我们设计的重要性。在网络方面看似常见的操作(如建立适当的网络参数和协议)由于所需的能耗限制而变得更加困难。此外，我们设计中的电源公差变得更加严格和精确。

刚性-柔性pcb和高密度互连提供了良好的解决方案

在考虑连接PCB设计的性能时，对高效外形因素的需求可能需要使用刚性-柔性PCB。使用刚性-柔性方法，您可以消除造成损耗的连接器和连接电缆，控制阻抗，并提高电路的整体信号完整性。刚性-柔性pcb也具有更轻的重量和更大的组件空间。

然而，当您将PCB设计概念转移到刚性-挠性环境中时，必须注意从刚性到挠性再到刚性的过渡。电路的柔性部分可以实现电路的互连。多层刚性-柔性pcb也可以在设计中允许更多的电路，但也会影响路由设计。弯曲弯曲电路所伴随的材料应力可能会改变跟踪布线、跟踪宽度和表面安装组件的方法。在双面柔性电路上分布应力的一种方法包括交错迹线和垂直于任何弯曲线的布线迹线。

柔性材料在物联网设备和可穿戴设备中至关重要

高密度互连(HDI)还有助于节省物联网连接产品的空间和重量。使用HDI，电路径变得更短，层数减少，组件的放置变得更加拥挤。密集的跟踪路由产生更好的信号完整性和加快信号处理。

较短的电路减少或消除了寄生电容和电感的问题。此外，组件放置、路由和组件连接变得更加容易。然而，HDI还需要更加注意保持均匀的轨迹、最小的线宽和精确的布局。

物联网解决方案:团队合作和SPICE模拟

构建物联网、工业物联网或MIoT解决方案所涉及的一切都需要团队合作。您的设计团队成员必须一起确定设计约束条件，并将设计从概念转移到测试。您决定构建符合测试设计和可制造性设计的电路板可以节省时间和金钱。团队合作还包括与制造商和制造商密切合作，以确定外形尺寸是否符合消费者或工业要求。

在物联网设备的早期和整个设计和生产过程中使用SPICE工具，将使您能够仔细调节设计的生产和可用性。

如果有限的外形因素、高速运行的限制以及通过多个OEM因素管理输出可能会破坏您的物联网设计，那么使用适当的SPICE工具将能够最大限度地减少这些问题。适当的电路分析可以为您的设备的功能提供安全性，通过利用高级抽象和精确数据模型，为您的设备所需的参数开发个性化模型，以及精确的混合信号仿真。

对于大多数消费电子产品，你还需要关注可制造性和产品良率。值得庆幸的是，SPICE模拟将能够根据所需的制造产量和可靠性标准调整设计期望和公差。这一因素将确保你的设计从示意图中脱颖而出，轻松而有魅力地进入你想要的观众手中。

如果你在找电路设计与分析能够承受消费电子产品不断变化的需求，确保你开始搜索的工具足够灵活，以满足你的需求。OrCAD PSpice软件将确保为您的设备的生产计划提供准确的预测和结果。

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