Hinweise zum Leiterplattendesign für IoT- und kleine eingebettete Systeme

In der heutigen vernetzten Welt ist das Internet der Dinge (IoT) zu einem wesentlichen Bestandteil unseres Lebens geworden. Von intelligenten Heimen bis hin zu tragbaren Geräten: IoT‑Geräte revolutionieren weiterhin verschiedene Branchen. Die Entwicklung effektiver IoT‑Systeme und kleiner eingebetteter Systeme erfordert jedoch sorgfältige Überlegung und Detailgenauigkeit.

Leiterplatten für das Internet der Dinge (IoT) und kleine Anwendungen weisen mehrere Eigenschaften auf, die sie von herkömmlichen Leiterplatten unterscheiden. 

Diese Eigenschaften sind auf die spezifischen Anforderungen kompakter, energiesparender und miteinander verbundener Geräte zugeschnitten, die üblicherweise in IoT- und kleinen eingebetteten Systemen vorkommen.

In diesem Artikel werden einige wichtige Designhinweise vorgestellt, die Ihnen dabei helfen, das volle Potenzial dieser vernetzten Geräte auszuschöpfen.

Komponentenauswahl

Es dürfen nur Komponenten ausgewählt werden, die energieeffizient, kompakt und mit den Zielkommunikationsprotokollen kompatibel sind.

In direktem Zusammenhang mit der Komponentenauswahl steht die Umweltbelastbarkeit. Leiterplatten für IoT- und Kleinanwendungen sind für eine Reihe von Umgebungsbedingungen ausgelegt. Diese beinhaltet Überlegungen zu Temperaturschwankungen, Luftfeuchtigkeit und anderen Faktoren, auf die das Gerät in verschiedenen Betriebsumgebungen treffen kann.

Leiterplattenmaterialien sind so zu wählen, dass sie einer Reihe von Umgebungsbedingungen standhalten. Beispielsweise hilft die Verwendung von Materialien mit guter Wärmeleitfähigkeit, Wärme bei wechselnden Temperaturbedingungen abzuleiten.

Leiterplattendesigner müssen die Platzierung der Komponenten sorgfältig planen, um die Platznutzung zu maximieren und eine effiziente Verlegung von Leiterbahnen zu gewährleisten. Techniken wie das Stapeln von Komponenten, mehrschichtige Leiterplatten und die 3‑D‑Modellierung können zur Optimierung der Raumnutzung eingesetzt werden.

Kompakte Größe

Der Trend bei IoT- und kleinen eingebetteten Systemen geht hin zu kleineren und kompakteren Geräten. Leiterplattendesigner konzentrieren sich darauf, die Gesamtfläche der Platine zu reduzieren, ohne dabei die Funktionalität zu beeinträchtigen. In diesem Zusammenhang bietet die High-Density-Interconnect (HDI)-Technologie eine große Hilfe, da sie eine höhere Komponentendichte und feineres Leiterbahnrouting und die Erstellung kleinerer und funktionsreicher Leiterplatten ermöglicht. Daher müssen Leiterplatten für diese Anwendungen mit einem kompakten Formfaktor ausgelegt sein, der Platz effizient nutzt, um die erforderlichen Komponenten aufzunehmen und gleichzeitig die Gesamtgröße minimal zu halten.

Mehrschichtige Leiterplatten sind oft eine Wahl, da sie die erforderlichen Komponenten und das Routing aufnehmen können, ohne Kompromisse bei der Kompaktheit einzugehen. Mehrere Schichten ermöglichen eine effiziente Weiterleitung von Hochgeschwindigkeitssignalen, minimieren die Signalverschlechterung und gewährleisten die Signalintegrität. Erd- und Leistungsoberflächen tragen zu einem stabileren und geräuschbeständigeren Leiterplattendesign bei. Das mehrschichtige Design trägt dazu bei, elektromagnetische Felder einzudämmen und das Risiko von elektromagnetischen Störungen zu verringern, was sowohl für die Geräteleistung als auch für die Einhaltung gesetzlicher Normen von entscheidender Bedeutung ist.

IoT‑Geräte erfordern häufig Komponenten, die klein sind, um auf den begrenzten Platz zu passen. SMD (Surface Mount Technology)‑Komponenten werden aufgrund ihres kleinen Formfaktors und ihrer einfachen Integration häufig verwendet. Zusätzlich zu den Komponenten sollten auch Steckverbinder mit einem kleinen Formfaktor gewählt werden, um die Gesamtgröße des Geräts zu minimieren.

Die HDI‑Technologie ermöglicht eine höhere Routingdichte, kleinere Durchkontaktierungen (Abbildung 1) und feinere Leiterbahnen. Sie ermöglicht es Leiterplattendesignern, kompakte Designs zu erzielen, ohne dabei auf Funktionalität oder Leistung zu verzichten. Darüber hinaus bieten flexible Leiterplatten den Vorteil, dass sie sich an unregelmäßige Formen anpassen oder in enge Räume passen. Sie können gebogen, gefaltet oder verdreht werden, um die Anforderungen an den Formfaktor von IoT‑Geräten zu erfüllen.

Abbildung 1: Durchkontaktierungen optimieren die Verlegung der Leiterbahnen und verbessern die Wärmeableitung.

Energiesparendes Design

Effizientes Energiemanagement ist für IoT und kleine eingebettete Systeme von entscheidender Bedeutung. Diese Geräte sind häufig batteriebetrieben, was bedeutet, dass die Optimierung des Stromverbrauchs unerlässlich ist, um die Akkulaufzeit zu verlängern. Leiterplattenlayouts beinhalten eine sorgfältige Energieplanung, um den Stromverbrauch im aktiven und Stand-by-Modus zu minimieren. Dazu gehören die strategische Platzierung von Leistungsebenen, die Optimierung des Leiterbahnroutings und die Nutzung energiesparender Komponenten.

Darüber hinaus verbringen IoT‑Geräte oft eine beträchtliche Zeit im Energiesparmodus. Leiterplatten unterstützen diese Modi effizient mit Power-Gating-Techniken, um die Stromversorgung von inaktiven Komponenten vollständig zu trennen. IoT‑Leiterplatten müssen so ausgelegt sein, dass sie Energiesparkomponenten, optimierte Energieverteilung und Ruhemodi unterstützen, um die Energieeffizienz zu maximieren.

Spannungsregler sind so zu optimieren, dass sie möglichst effizient sind, da dadurch auch die abzuführende Wärme reduziert wird. Komponenten mit niedrigem Ruhestrom sind vorzuziehen.

Drahtlose Konnektivität

Drahtlose Konnektivität ist für viele IoT‑Anwendungen unerlässlich. Besondere Aufmerksamkeit ist dem Antennendesign zu widmen, um eine optimale für den gewählten drahtlosen Kommunikationsstandard (z. B. Wi‑Fi, Bluetooth, ZigBee, LoRa oder andere) basierend auf Reichweite, Datenrate und Energiebedarf der Anwendung zu gewährleisten.

Antennen können in das Leiterplattendesign integriert (Abbildung 2) oder als separate Komponenten hinzugefügt werden. Um Signalstörungen zu vermeiden, sind Leiterplatten mit den richtigen HF‑Layouttechniken konstruiert. Übertragungsleitungen und Signalwege werden sorgfältig kontrolliert, um die Signalintegrität zu erhalten und Nebensprech zu verhindern.

Abbildung 2: In die Leiterplatte eingebettete Antenne (Quelle: Infineon)

Wärmemanagement

IoT‑Geräte, insbesondere solche mit eingebetteten Prozessoren, können eine nicht zu vernachlässigende Menge an Wärme erzeugen. Das Wärmemanagement im IoT‑Leiterplattendesign ist aus mehreren Gründen entscheidend. Es gewährleistet die Langlebigkeit elektronischer Komponenten, sorgt für eine stabile Leistung und verbessert die Energieeffizienz, indem sie Überhitzung verhindert. Ein effektives Wärmemanagement vermeidet auch mechanische Ausfälle aufgrund thermischer Belastung, erhöht die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit der Geräte in verschiedenen Umgebungen und verhindert Leistungseinbußen bei erhöhten Temperaturen. Sicherheitsbedenken, insbesondere bei batteriebetriebenen Geräten, werden durch die Minimierung von Risiken im Zusammenhang mit Überhitzung behoben. Die Einhaltung von Branchenvorschriften und ‑standards ist für die Produktzertifizierung und Marktakzeptanz unerlässlich. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein ordnungsgemäßes Wärmemanagement für die Optimierung der Leistung, Lebensdauer und Sicherheit von IoT‑Geräten unerlässlich ist.

Die Designer müssen eine robuste und wirksame Strategie für das Wärmemanagement umsetzen, um eine Überhitzung zu verhindern. Dazu gehören die richtige Platzierung von Kühlkörpern, thermische Durchkontaktierungen und Überlegungen zum Luftstrom.

Unterstützung für mehrere Sensoren

IoT‑Geräte enthalten oft verschiedene Sensoren zur Datenerfassung. Leiterplatten für kleine Anwendungen integrieren dedizierte Schnittstellen für verschiedene Sensoren wie Temperatursensoren, Beschleunigungsmesser oder Umgebungssensoren. Signalkonditionierungskreise können integriert werden, um eine genaue Erfassung der Sensordaten zu gewährleisten.

Darüber hinaus benötigen IoT‑Geräte häufig eine Mischung aus analogen und digitalen Signalen. Leiterplatten sind so konzipiert, dass sie die Schnittstelle zwischen diesen Signaltypen verarbeiten und gleichzeitig Rauschen und Interferenzen minimieren.

Leiterplattenentwickler müssen das Design und die Platzierung von Antennen berücksichtigen, um eine optimale drahtlose Konnektivität zu gewährleisten. Faktoren wie Antennentyp, Größe, Ausrichtung und Platzierung der Erdebene können sich auf die Leistung der drahtlosen Kommunikation auswirken (Abbildung 3).

Abbildung 3: Das „Cypress EZ BLE 10 mm × 10 mm“-Modul mit Chipantenne (Quelle: Infineon)

Hochfrequenzsignale, die in der drahtlosen Kommunikation verwendet werden, sind anfällig für Rauschen und Interferenzen. Leiterplattendesigner müssen die Signalintegrität sorgfältig verwalten, indem sie die Länge der Signalspuren minimieren, Nebensprech reduzieren und geeignete Erdungsmethoden anwenden.

Unterstützung der Energiegewinnung

Einige IoT‑Geräte nutzen Techniken zur Energiegewinnung, um Energie aus der Umwelt zu gewinnen. Leiterplatten können Schnittstellen für Energiegewinnungsmethoden wie Solarzellen oder piezoelektrische Geräte enthalten. Diese Schnittstellen wurden entwickelt, um die gewonnene Energie effizient zu erfassen und zu speichern. Leiterplatten unterstützen und optimieren diese Energiegewinnungsmethoden, sodass Geräte minimalen externen Stromquellen betrieben werden können.

Die physische Platzierung von Sensoren auf der Leiterplatte ist für eine genaue Datenerfassung von entscheidender Bedeutung. Leiterplattendesigner sollten Sensoren an Orten positionieren, an denen Rauschen und Interferenzen minimiert werden, und gleichzeitig sicherstellen, dass sie die Zieldaten effektiv erfassen können.

Um die Signalintegrität aufrechtzuerhalten und Rauschen zu reduzieren, ist es wichtig, analoge und digitale Komponenten und Leiterbahnen auf der Leiterplatte zu trennen. Durch diese Trennung wird verhindert, dass digitales Rauschen die Genauigkeit der analogen Sensorwerte beeinträchtigt.

Durch die Integration der Energiegewinnung in IoT‑Leiterplatten können Geräte längere Zeiträume ohne manuelles Eingreifen oder häufigen Batteriewechsel betrieben werden. Dies ist besonders an entfernten oder schwer erreichbaren Standorten von Nutzen, wodurch die Nachhaltigkeit und Autonomie von IoT‑Geräten von IoT‑Geräten verbessert wird.

Kostenüberlegungen

Kosteneffizienz ist ein entscheidender Faktor bei IoT- und Kleinanwendungen. Leiterplatten werden mit kosteneffizienten Komponenten und Fertigungsprozessen ohne Abstriche bei Leistung oder Zuverlässigkeit entwickelt.

Leiterplattendesigner wählen Komponenten sorgfältig auf der Grundlage der Kosteneffizienz aus, ohne Kompromisse bei Qualität oder Leistung einzugehen. Dazu gehören sowohl aktive als auch passive Komponenten sowie die zugehörigen Fertigungsprozesse.

Modularität

Modulare Designs enthalten standardisierte Steckverbinder, um die einfache Integration zusätzlicher Module oder Sensoren zu ermöglichen. Dies erleichtert die Skalierbarkeit und Anpassungsfähigkeit für verschiedene Anwendungsfälle. Die Verwendung standardisierter Kommunikationsschnittstellen wie I2C oder SPI sollte gefördert werden, da sie die einfache Integration von Drittanbietermodulen oder Upgrades ohne erhebliche Nacharbeiten ermöglichen.

Ein modularer Ansatz beim Design von IoT‑Geräten erleichtert die Skalierbarkeit und zukünftige Upgrades. Dies wiederum ermöglicht eine einfachere Integration zusätzlicher Funktionen oder den Austausch von Komponenten, ohne das gesamte System neu zu konstruieren.

Die Modularität vereinfacht auch die Fertigung, da standardisierte Module in Serie produziert und einfach montiert werden können. Insgesamt verbessert die Modularität die Anpassungsfähigkeit, vereinfacht die Wartung und unterstützt die kostengünstige und effiziente Entwicklung von IoT‑Geräten.

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)

Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ist bei der Entwicklung von IoT‑Leiterplatten von entscheidender Bedeutung, da sie gewährleistet, dass Geräte ohne gegenseitige Interferenzen oder Beeinflussung durch externe elektromagnetische Quellen betrieben werden können. Ein ordnungsgemäßes EMV‑Design minimiert das Risiko von Signalstörungen und elektromagnetischen Emissionen und fördert so die zuverlässige Kommunikation und Funktionalität von IoT‑Geräten.

Dazu gehören die Verwendung geeigneter Erdungsverfahren, Abschirmung und Filterkomponenten, um das Risiko von Interferenzen zu verringern und einen zuverlässigen Betrieb in verschiedenen Umgebungen zu gewährleisten.

Design for Manufacturing (DFM)

Leiterplatten werden nach DFM‑Prinzipien entwickelt, um die Produktionskosten zu minimieren. Die Designoptionen berücksichtigen die einfache Montage, das Testen und die Massenproduktion, um die Anforderungen einer großen Implementierung zu erfüllen.

Leiterplatten sind oft für die Panelisierung konzipiert, bei der mehrere Kopien der Platine auf einem einzigen größeren Panel hergestellt werden. Dies verbessert die Produktionseffizienz und senkt die Kosten.

Hersteller erhalten klare Montagerichtlinien, welche die Platzierung, Ausrichtung und Lötprofile von Komponenten festlegen, um eine gleichbleibende Qualität während der Montage zu gewährleisten.

Fazit

Die Entwicklung von Leiterplatten für IoT- und kleine eingebettete Systeme erfordert einen ganzheitlichen Ansatz, der Energieeffizienz, drahtlose Konnektivität, Signalintegrität, Wärmemanagement und verschiedene andere Faktoren berücksichtigt. Durch die Einhaltung dieser Hinweise und bewährten Praktiken können Ingenieure zuverlässige und effiziente Leiterplatten entwickeln, welche die spezifischen Anforderungen von IoT‑Anwendungen und kleinen eingebetteten Systemen erfüllen. Angesichts der fortschreitenden technologischen Entwicklung ist es unerlässlich, über die neuesten Entwicklungen im Leiterplattendesign auf dem Laufenden zu bleiben, um in der sich schnell entwickeln IoT‑Landschaft innovative und wettbewerbsfähige Lösungen zu entwickeln.

19.04.2024