En nuestro actual mundo interconectado, el Internet de las cosas (IoT) se ha convertido en una parte fundamental de nuestras vidas. Desde los hogares inteligentes hasta los wearables, los dispositivos IoT siguen revolucionando diversos sectores. Sin embargo, el diseño de sistemas IoT e integrados a pequeña escala eficaces requiere una cuidadosa consideración y atención al detalle.
Las placas de circuito impreso (PCB) para el Internet de las cosas (IoT) y aplicaciones a pequeña escala poseen varias características que las distinguen de los PCB tradicionales. Estas características están diseñadas de manera personalizada para satisfacer los requisitos específicos de los dispositivos compactos, de bajo consumo e interconectados que suelen encontrarse en los sistemas integrados de IoT y a pequeña escala.
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En este artículo, exploraremos algunos consejos de diseño esenciales para ayudarle a liberar todo el potencial de estos dispositivos conectados.
Selección de componentes
Deben seleccionarse únicamente componentes que sean energéticamente eficientes, compactos y compatibles con los protocolos de comunicación previstos.
La resiliencia medioambiental está directamente relacionada con la selección de componentes. Los PCB para IoT y aplicaciones a pequeña escala están diseñados para resistir toda una serie de condiciones ambientales. Ello incluye consideraciones sobre variaciones de temperatura, humedad y otros factores que el dispositivo puede hallar en diferentes entornos operativos.
Los materiales de los PCB deben elegirse de modo que resistan toda una serie de condiciones ambientales. Por ejemplo, el uso de materiales con buena conductividad térmica ayuda a disipar el calor en condiciones de temperatura variables.
Los diseñadores de PCB deben planificar cuidadosamente la colocación de los componentes para maximizar el espacio y garantizar un enrutamiento eficiente de las trazas. Para optimizar el uso del espacio pueden emplearse técnicas como el apilamiento de componentes, los PCB multicapa y el modelado en 3D.
Tamaño compacto
La tendencia en IoT y sistemas integrados a pequeña escala vira hacia dispositivos más pequeños y compactos. Los diseñadores de PCB hacen hincapié en la reducción del tamaño total de la placa sin comprometer su funcionalidad. En este contexto, resulta de gran ayuda la tecnología de interconexión de alta densidad (HDI) que, al permitir una mayor densidad de componentes y un enrutamiento más fino de las trazas, posibilita la creación de PCB de menor tamaño y que incorporen más funcionalidades. Como resultado, los PCB para estas aplicaciones se diseñarán con un factor de forma compacto, utilizando el espacio de forma eficiente para alojar los componentes necesarios manteniendo el tamaño total al mínimo.
A menudo se opta por PCB multicapa, ya que pueden alojar los componentes y el enrutamiento requeridos sin sacrificar la compacidad. Las múltiples capas permiten un enrutamiento eficiente de las señales de alta velocidad, minimizando la degradación de la señal y garantizando su integridad. Los planos de tierra y alimentación contribuyen a un diseño de PCB más estable y resistente al ruido. El diseño multicapa ayuda a contener los campos electromagnéticos, reduciendo el riesgo de EMI, que es fundamental tanto para el rendimiento del dispositivo como para el cumplimiento de las normas reglamentarias.
Los dispositivos IoT suelen requerir componentes de tamaño reducido para que quepan en el limitado espacio disponible. Los componentes de tecnología de montaje superficial (SMT) se utilizan habitualmente debido a su pequeño factor de forma y su facilidad de integración. Además de los componentes, también deben elegirse conectores con un factor de forma pequeño para minimizar el tamaño total del dispositivo.
La tecnología HDI permite aumentar la densidad de enrutamiento, reducir el tamaño de las vías (figura 1) y trazas más finas. Permite a los diseñadores de PCB conseguir diseños compactos sin sacrificar la funcionalidad ni el rendimiento. Además, los PCB flexibles ofrecen la ventaja de adaptarse a formas irregulares o ajustarse a espacios reducidos. Se pueden doblar, plegar o retorcer para adaptarse a los requisitos de factor de forma de los dispositivos IoT.
Figura 1: Los orificios de las vías optimizan el enrutamiento de las trazas y mejoran la disipación térmica
Diseño de bajo consumo
La gestión eficiente de energía es fundamental para el IoT y los sistemas integrados a pequeña escala. Estos dispositivos suelen funcionar con baterías, lo que significa que la optimización del consumo energético es esencial para prolongar la vida útil de la batería. Los diseños de PCB incluyen una cuidadosa planificación energética para minimizar el consumo de energía durante los modos activo y de espera. Esto implica la colocación estratégica de los planos de alimentación, la optimización del enrutamiento de las trazas y el uso de componentes de bajo consumo.
Además, los dispositivos IoT suelen pasar mucho tiempo en modos de reposo de bajo consumo. Los PCB se diseñan para soportar estos modos de manera eficiente, con técnicas de corte de energía para desconectar por completo la alimentación de los componentes inactivos. Los PCB para IoT se diseñarán para que admitan componentes de bajo consumo, una distribución optimizada de la energía y modos de suspensión para maximizar la eficiencia energética.
Los reguladores de tensión se optimizarán para que sean el máximo de eficientes posible, ya que con ello también se reduce el calor a disipar. Se preferirán los componentes con baja corriente de reposo.
Conectividad inalámbrica
La conectividad inalámbrica es esencial para muchas aplicaciones IoT. Se prestará especial atención al diseño de la antena para garantizar un rendimiento óptimo para el estándar de comunicación inalámbrica elegido (p. ej., Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, LoRA u otros) en función del alcance, la velocidad de transmisión de datos y los requisitos de potencia de la aplicación.
Las antenas pueden integrarse en el diseño de la placa de circuito impreso (figura 2) o añadirse como componentes independientes. Además, para evitar interferencias en la señal, los PCB se diseñan con técnicas adecuadas de disposición de RF. Las líneas de transmisión y las rutas de señal se controlan cuidadosamente para mantener la integridad de la señal y evitar la diafonía.
Figura 2: Antena integrada en el PCB (fuente: Infineon)
Gestión térmica
Los dispositivos IoT, especialmente los que llevan procesadores integrados, pueden generar una cantidad de calor nada desdeñable. La gestión térmica en el diseño de PCB para IoT es crucial por varias razones. Garantiza la longevidad de los componentes electrónicos, mantiene un rendimiento estable y mejora la eficiencia energética al prevenir el sobrecalentamiento. Una gestión térmica efectiva también evita fallos mecánicos debidos al estrés térmico, aumenta la fiabilidad y durabilidad del dispositivo en diversos entornos y previene la degradación del rendimiento a temperaturas elevadas. Los problemas de seguridad, especialmente en dispositivos alimentados por baterías, se resuelven mitigando los riesgos asociados al sobrecalentamiento. El cumplimiento de los reglamentos y normas sectoriales es esencial para la certificación de los productos y su aceptación en el mercado. En resumen, una gestión térmica adecuada es fundamental para optimizar el rendimiento, la vida útil y la seguridad de los dispositivos IoT.
Los diseñadores deben aplicar una estrategia de gestión térmica sólida y eficaz con el fin de evitar el sobrecalentamiento. Esto incluye la colocación adecuada de disipadores de calor, vías térmicas y consideraciones sobre el flujo de aire.
Compatibilidad con múltiples sensores
Los dispositivos IoT suelen incluir varios sensores para recopilar datos. Los PCB para aplicaciones a pequeña escala integran interfaces específicas para varios sensores, como sensores de temperatura, acelerómetros o sensores ambientales. Pueden integrarse circuitos de acondicionamiento de señales para garantizar una adquisición precisa de los datos de los sensores.
Además, los dispositivos IoT a menudo requieren una mezcla de señales analógicas y digitales. Los PCB están diseñados para gestionar la interfaz entre estos tipos de señales, minimizando a la vez el ruido y las interferencias.
Los diseñadores de PCB deben tener en consideración el diseño y la ubicación de las antenas para garantizar una conectividad inalámbrica óptima. Factores como el tipo de antena, el tamaño, la orientación y la colocación del plano de tierra pueden afectar al rendimiento de la comunicación inalámbrica (figura 3).
Figura 3: El módulo Cypress EZ BLE de 10 mm × 10 mm con antena de chip (fuente: Infineon)
Las señales de alta frecuencia utilizadas en la comunicación inalámbrica son susceptibles al ruido y las interferencias. Los diseñadores de PCB deben gestionar cuidadosamente la integridad de la señal minimizando la longitud de las trazas de señal, reduciendo la diafonía y empleando técnicas adecuadas de conexión a tierra.
Compatibilidad con la captación de energía
Algunos dispositivos IoT aprovechan las técnicas de captación de energía para extraer energía del entorno. Los PCB pueden incluir interfaces para métodos de captación de energía como células solares o dispositivos piezoeléctricos. Estas interfaces están diseñadas para capturar y almacenar eficientemente la energía captada. Los PCB están diseñados para ser compatibles con estos métodos de captación de energía y optimizarlos, lo que permite a los dispositivos funcionar con un mínimo de fuentes de alimentación externas.
La ubicación física de los sensores en el PCB es crucial para la obtención de datos precisos. Los diseñadores de PCB deberían colocar los sensores en lugares que minimicen el ruido y las interferencias, garantizando al mismo tiempo que puedan capturar eficazmente los datos deseados.
Para mantener la integridad de la señal y reducir el ruido, es importante separar los componentes y trazas analógicos y digitales en el PCB. Esta separación ayuda a evitar que el ruido digital afecte a la precisión de las lecturas de los sensores analógicos.
Mediante la incorporación de la captación de energía a los PCB para IoT, los dispositivos pueden funcionar durante períodos prolongados sin necesidad de intervención manual ni de sustituciones frecuentes de la batería. Esto resulta especialmente útil en lugares remotos o de difícil acceso, ya que mejora la sostenibilidad y autonomía de los dispositivos IoT.
Consideraciones sobre costes
La rentabilidad es una consideración decisiva en las aplicaciones de IoT y a pequeña escala. Los PCB se diseñan con componentes y procesos de fabricación rentables sin comprometer el rendimiento ni la fiabilidad.
Los diseñadores de PCB seleccionan cuidadosamente los componentes en función de la rentabilidad sin comprometer la calidad ni el rendimiento. Para ello también hay que tener en cuenta los componentes activos y pasivos, así como los procesos de fabricación implicados.
Modularidad
Los diseños modulares incorporan conectores estandarizados para posibilitar una fácil integración de módulos o sensores adicionales. Esto facilita la escalabilidad y adaptabilidad a distintos escenarios de usos. Debería fomentarse el uso de interfaces de comunicación estandarizadas, como I2C o SPI, ya que permiten una fácil integración de módulos o actualizaciones de terceros sin que se requiera una remodelación significativa.
Un enfoque modular en el diseño de dispositivos IoT facilita la escalabilidad y las futuras actualizaciones. Esto, a su vez, permite una integración más sencilla de funciones adicionales o la sustitución de componentes sin tener que rediseñar todo el sistema.
La modularidad también agiliza la fabricación, ya que los módulos estandarizados pueden producirse en serie y ensamblarse fácilmente. En general, la modularidad mejora la adaptabilidad, simplifica el mantenimiento y favorece un desarrollo rentable y eficiente de los dispositivos IoT.
Compatibilidad electromagnética (EMC)
La compatibilidad electromagnética (EMC) es vital en el diseño de PCB para IoT porque garantiza que los dispositivos puedan funcionar sin interferir entre sí ni verse afectados por fuentes electromagnéticas externas. Un diseño de EMC adecuado minimiza el riesgo de interferencias de señal y emisiones electromagnéticas, promoviendo una comunicación y funcionalidad fiables de los dispositivos IoT.
Ello implica el uso de técnicas de conexión a tierra, blindaje y componentes de filtrado adecuados para reducir el riesgo de interferencias y garantizar un funcionamiento fiable en diversos entornos.
Diseño para fabricación (DFM)
Los PCB se diseñan teniendo en cuenta los principios de DFM para minimizar los costes de producción. Las opciones de diseño consideran la facilidad de montaje, las pruebas y la producción en masa para satisfacer las exigencias del despliegue a gran escala.
Los PCB suelen diseñarse para su panelización, donde se fabrican varias copias de la placa en un único panel de mayor tamaño. De este modo se mejora la eficiencia de la producción y se reducen los costes.
Los fabricantes reciben directrices de montaje claras que especifican la colocación de los componentes, la orientación y los perfiles de soldadura a fin de garantizar una calidad uniforme durante el montaje.
Conclusión
El diseño de PCB para IoT y sistemas integrados a pequeña escala exige un enfoque integral que tenga en consideración la eficiencia energética, la conectividad inalámbrica, la integridad de la señal, la gestión térmica y otros factores. Al seguir estos consejos y buenas prácticas, los ingenieros pueden desarrollar PCB impreso fiables y eficientes que satisfagan los requisitos específicos de las aplicaciones IoT y los sistemas integrados a pequeña escala. A la par con la evolución de la tecnología, es esencial mantenerse al día de los últimos avances en el diseño de PCB para crear soluciones vanguardistas y competitivas en el panorama en rápida expansión del IoT.
19.04.2024
