À l’ère de l’interconnexion, l’Internet des objets (IoT) s’est imposé comme un élément quotidien, des maisons connectées aux produits portables, transformant de nombreux secteurs. Toutefois, la conception des systèmes IoT et des systèmes embarqués miniaturisés et performants requiert une étude minutieuse et une attention particulière aux détails.
Les circuits imprimés destinés à l’IoT et aux petits dispositifs embarqués miniaturisés présentent des particularités qui les distinguent des circuits conventionnels. Ces caractéristiques sont adaptées aux besoins propres aux équipements de petite taille, basse consommation et interconnectés, typiques de l’IoT et des systèmes embarqués miniaturisés.
Dans cet article, nous vous proposons une série de conseils pour optimiser et exploiter pleinement les capacités de ces technologies connectées.
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Choix des composants
Il convient de privilégier les composants qui affichent une faible consommation énergétique, sont de taille réduite et sont compatibles avec les protocoles de communication visés.
La résilience aux conditions environnementales est directement liée au choix des composants. En effet, les cartes électroniques dédiées à l’IoT et aux systèmes miniaturisés sont élaborées pour faire face à divers scénarios environnementaux. Il est essentiel de prendre en compte les changements de température, l’humidité et d’autres contraintes susceptibles d’affecter l’appareil dans différents cadres d’utilisation.
Le matériau des circuits imprimés doit être sélectionné pour sa capacité à endurer toute une série de conditions ambiantes. Ainsi, opter pour des matériaux à haute conductivité thermique est avantageux pour la dissipation de la chaleur dans des environnements où la température fluctue.
Il convient de réfléchir méticuleusement à la disposition des composants afin d’optimiser l’espace disponible et de garantir un routage efficace des pistes. Des approches comme la superposition des composants, l’usage de cartes multicouches et la conception en 3D permettent une gestion plus astucieuse de l’espace.
Miniaturisation
Dans l’univers de l’IoT et des systèmes embarqués miniaturisés, la tendance est à la réduction des dimensions. Les concepteurs de circuits imprimés s’attachent à diminuer la taille de leurs cartes sans renoncer aux fonctionnalités. À cet égard, la technologie HDI (interconnexion à haute densité) est d’une aide précieuse, permettant de densifier les composants et d’affiner les pistes, ce qui permet de concevoir des circuits plus compacts, mais fonctionnellement riches. Ainsi, les cartes conçues pour ces applications doivent optimiser l’espace en intégrant les composants essentiels tout en conservant des dimensions réduites.
Les circuits multicouches s’avèrent souvent être la solution idéale, car ils permettent d’héberger plusieurs composants et circuits sans compromettre le gain de place. Les multicouches permettent un routage efficace des signaux haute vitesse, préservant leur intégrité et réduisant la détérioration du signal. Les plans de masse et d’alimentation stabilisent le circuit imprimé et le protègent des interférences, tandis que la structure multicouche permet de confiner les champs électromagnétiques, minimisant les risques d’interférences électromagnétiques, ce qui est essentiel pour le fonctionnement des dispositifs et le respect des normes réglementaires.
Dans le cas des dispositifs IoT, il est souvent nécessaire d’intégrer des composants miniaturisés compte tenu de l’espace restreint. Les composants conçus pour un montage en surface sont privilégiés en raison de leur faible encombrement et de leur facilité d’intégration. Les connecteurs doivent également être choisis en fonction de leur taille réduite de manière à limiter la taille de l’appareil final.
La technologie HDI conduit à une plus grande densité de pistes, au rétrécissement des via et à l’affinement des pistes. Son adoption est essentielle pour réaliser des circuits compacts sans faire de concession sur les fonctionnalités ni les performances. De plus, les circuits souples s’adaptent à des géométries non conventionnelles et se mettent en place dans des espaces confinés. Flexibles, ils peuvent épouser des courbes, se plier ou se tordre pour satisfaire aux exigences en matière de conception des dispositifs IoT.
Image 1 : l’optimisation des via améliore le routage des pistes et contribue à une meilleure dissipation thermique
Conception orientée basse consommation
La maîtrise de la consommation énergétique est un enjeu majeur pour les dispositifs IoT et les systèmes embarqués miniaturisés. Afin de maximiser l’autonomie des batteries, il est important d’optimiser la consommation d’énergie, tant en fonctionnement qu’en veille. La conception des circuits imprimés requiert donc une réflexion méticuleuse sur la gestion de l’alimentation, incluant le positionnement des plans d’alimentation, le routage précis des pistes et le choix de composants économes en énergie.
Les dispositifs IoT, en particulier, passent une grande partie de leur temps en veille, consommant très peu d’énergie. Pour gérer cet aspect en toute efficacité, les circuits imprimés sont élaborés pour prendre en charge ces modes économiques par le biais de méthodes telles que la coupure d’alimentation des composants inutilisés (power gating). La conception des circuits imprimés pour l’IoT doit donc assurer une gestion efficiente des composants sur le plan énergétique, une distribution énergétique optimale et des états de veille avancés afin d’optimiser les performances énergétiques.
L’efficacité des régulateurs de tension est également primordiale, ce qui contribue par ailleurs à diminuer la dissipation thermique. Il est recommandé de favoriser les composants ayant un faible courant de repos.
Connectivité sans fil
Dans le domaine de l’IoT, la connectivité sans fil est un enjeu majeur. Il est important de porter une attention particulière à la conception des antennes pour s’assurer du fonctionnement des technologies de communication envisagées : Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, LoRA, etc. Celles-ci doivent dépendre de la portée souhaitée, du débit de données nécessaire et des besoins énergétiques propres à chaque application.
Il est possible d’intégrer les antennes directement dans le circuit imprimé (image 2) ou de les ajouter comme éléments externes. Par ailleurs, pour éviter tout risque d’interférence, les circuits imprimés doivent être conçus en appliquant des techniques précises d’agencement RF. Pour conserver l’intégrité des signaux et éviter les phénomènes de diaphonie, les lignes de transmission et les parcours des signaux nécessitent une gestion rigoureuse.
Image 2 : Exemple d’antenne intégrée au circuit imprimé (Source : Infineon)
Gestion thermique
Dans le domaine de l’IoT, particulièrement pour les appareils munis de processeurs, la production de chaleur est considérable et ne doit pas être négligée. Lors de la création de circuits imprimés IoT, la gestion thermique est primordiale pour plusieurs raisons. Elle assure la durabilité des composants électroniques, stabilise les performances et optimise l’efficacité énergétique en évitant les surchauffes. Une gestion thermique réussie évite également les défaillances mécaniques causées par les contraintes thermiques, accroît la fiabilité et la longévité des appareils dans des conditions variées et préserve leurs performances en cas de forte chaleur. Elle écarte les problèmes de sécurité, notamment pour les appareils à batterie, en réduisant les risques de surchauffe. La conformité aux normes et règlements industriels est indispensable pour obtenir la certification des produits et leur acceptation par le marché. En somme, une gestion thermique adéquate est essentielle pour optimiser les performances, la durabilité et la sécurité des dispositifs IoT.
Il convient donc de mettre en œuvre des stratégies rigoureuses et efficaces pour contrôler la température, notamment un placement judicieux des dissipateurs thermiques, l’usage de via thermiques et la prise en compte de la circulation de l’air.
Prise en charge de plusieurs capteurs
Les dispositifs IoT comprennent fréquemment une gamme de capteurs recueillant diverses informations. Dans le cas des circuits imprimés conçus pour des applications miniaturisés, des interfaces spécifiques sont incorporées pour accueillir différents types de capteurs, tels que des capteurs de température, des accéléromètres ou des capteurs environnementaux. Des circuits spécialisés dans le conditionnement du signal sont également prévus pour assurer la fidélité de la capture des données issues des capteurs.
De surcroît, les dispositifs IoT doivent souvent traiter des signaux analogiques et numériques. Les circuits imprimés sont élaborés afin de faciliter la gestion de ces différents signaux tout en atténuant les nuisances sonores et les perturbations électromagnétiques.
Il convient en outre de prêter attention à la conception et au positionnement des antennes afin d’assurer une connectivité sans fil de qualité. Différents paramètres, comme le type d’antenne, ses dimensions, son orientation et l’emplacement du plan de masse influent fortement sur la qualité des communications sans fil (image 3).
Image 3 : module Cypress EZ BLE de dimensions 10 mm x 10 mm intégrant une antenne sur puce (Source : Infineon)
Les fréquences élevées utilisées dans les transmissions sans fil sont particulièrement vulnérables aux interférences. Il est impératif de gérer avec soin l’intégrité des signaux, en raccourcissant les pistes, en limitant les effets de diaphonie et en employant des méthodes adéquates de mise à la terre.
Capacité de récolte d’énergie
Certains dispositifs IoT récupèrent l’énergie dont ils ont besoin en la puisant dans leur environnement. Des interfaces spéciales peuvent être intégrées dans les circuits imprimés pour exploiter des moyens de récolte d’énergie tels que les panneaux solaires ou les convertisseurs piézoélectriques. Ces interfaces sont conçues pour capturer et accumuler l’énergie de façon efficace. Les circuits imprimés sont optimisés pour employer ces méthodes d’alimentation autonome, permettant aux appareils de réduire le plus possible leur dépendance aux sources d’énergie externes.
Pour une mesure exacte des données, il est essentiel de placer avec précision les capteurs sur le circuit de manière à diminuer les nuisances et les interférences, tout en s’assurant qu’ils enregistrent bien les informations recherchées.
Pour préserver l’intégrité des signaux et minimiser le bruit, il est important de séparer physiquement les composants et pistes analogiques des éléments numériques sur le circuit imprimé afin d’éviter que le bruit numérique vienne perturber la précision des données analogiques.
Dans les circuits imprimés IoT, la récolte d’énergie permet aux appareils de fonctionner plus longtemps, sans maintenance ni remplacement régulier de la batterie. Cette technique s’avère particulièrement avantageuse dans les zones retirées ou peu accessibles, améliorant la durabilité et l’autonomie des dispositifs IoT.
Considérations sur le coût
La balance entre coût et efficacité revêt une importance majeure, particulièrement pour les dispositifs IoT et les applications miniaturisées. Il est essentiel de concevoir des circuits imprimés en privilégiant des composants et des méthodes de production économiques, sans porter atteinte aux performances ou à la fiabilité.
Lors de la conception, il est important de choisir des composants offrant un excellent rapport qualité-prix, tout en préservant la qualité et les performances. Cette sélection méticuleuse concerne les éléments actifs et passifs, ainsi que les différentes étapes de production.
Conception modulaire
La conception modulaire, impliquant l’usage de connexions standardisées, facilite grandement l’ajout de nouveaux modules ou capteurs. Elle offre une souplesse et une adaptabilité aux différents scénarios d’utilisation envisagés. Les protocoles de communication standard, tels que I2C ou SPI, permettent d’intégrer des modules ou des mises à jour tiers sans exiger de restructuration majeure de l’ensemble.
La conception modulaire des appareils IoT facilite l’évolution et les mises à jour futures, permettant notamment de mettre en œuvre de nouvelles fonctionnalités ou de remplacer des composants défectueux sans nécessiter de refonte globale.
En outre, la modularité optimise le processus de fabrication : les modules standard peuvent être fabriqués en grande série et assemblés aisément. Elle favorise finalement l’adaptabilité, simplifie la maintenance et contribue à une évolution économique et efficace des dispositifs IoT.
Compatibilité électromagnétique (CEM)
La compatibilité électromagnétique (CEM) revêt une importance capitale dans la réalisation de circuits imprimés pour l’IoT, en assurant le fonctionnement sans interférences des dispositifs entre eux ou face à des perturbations électromagnétiques extérieures. Une conception soignée en matière de CEM permet de réduire considérablement les risques de perturbations des signaux et d’émissions nuisibles, garantissant ainsi les performances des dispositifs IoT ainsi que la fiabilité de leurs communications.
Cela nécessite l’emploi de stratégies efficaces de mise à la terre, de blindage et d’insertion de composants de filtrage adéquats pour atténuer le bruit et assurer un fonctionnement stable dans divers contextes.
Conception en vue de la fabrication (DFM)
Dans l’optique de minimiser les coûts de production, les circuits imprimés sont conçus selon les principes de la DFM, avec une attention particulière portée sur la facilité d’assemblage, de contrôle et de production en série, afin de satisfaire les impératifs d’une diffusion de masse.
Pour optimiser la fabrication et abaisser les coûts, les circuits imprimés sont fréquemment agencés par panneaux, regroupant ainsi plusieurs exemplaires d’un circuit sur un support unique de grande taille.
Pour assurer une qualité homogène au cours de l’assemblage, des instructions précises d’assemblage sont transmises aux fabricants, déterminant avec précision l’emplacement et la disposition des composants, ainsi que les profils de soudure nécessaires.
Conclusion
Pour concevoir des circuits imprimés adaptés à l’IoT et aux systèmes embarqués miniaturisés, il est impératif d’adopter une démarche complète en tenant compte de critères essentiels tels que l’efficacité énergétique, la connectivité sans fil, la préservation de l’intégrité des signaux et la dissipation de la chaleur. En suivant ces recommandations et pratiques exemplaires, les concepteurs peuvent créer des dispositifs à circuit imprimé fiables et performants, conformes aux nécessités précises de l’IoT et des systèmes embarqués miniaturisés. Avec l’évolution constante de la technologie, il demeure essentiel de se tenir informé des tendances actuelles en matière de conception de circuits imprimés afin de forger des solutions avant-gardistes et compétitives dans le domaine en croissance de l’IoT.
19.04.2024
