Linee guida per la progettazione di PCB per IoT e sistemi embedded di piccole dimensioni

Nel mondo attuale, sempre più interconnesso, l'Internet of Things (IoT) è diventata parte integrante della nostra vita. Dalle case intelligenti agli indossabili, i dispositivi IoT stanno rivoluzionando diversi settori. Tuttavia, la progettazione di sistemi IoT e di sistemi embedded di piccole dimensioni richiede un'attenta considerazione e una cura dei dettagli durante la progettazione.

I circuiti stampati (PCB) per l'IoT e le applicazioni con footprint ridotto possiedono diverse caratteristiche che li distinguono dai PCB tradizionali. Queste proprietà hanno lo scopo di soddisfare i requisiti specifici dei dispositivi compatti, a basso assorbimento e interconnessi che contraddistinguono queste categorie di sistemi.

In questo articolo esploreremo alcune linee guida per la progettazione essenziali per aiutare i progettisti a sbloccare il pieno potenziale di questi dispositivi connessi.

Scelta dei componenti

La scelta si deve focalizzare sui componenti efficienti dal punto di vista energetico, compatti e compatibili con i protocolli di comunicazione previsti e gli standard applicabili.

Direttamente correlata alla selezione dei componenti è la resilienza ambientale. I PCB per applicazioni IoT e di piccole dimensioni devono essere progettati per resistere a una serie di condizioni ambientali, anche critiche. Ciò include considerazioni sulle variazioni di temperatura, sull'umidità e su altri fattori che il dispositivo può incontrare in diversi ambienti operativi.

I materiali del PCB devono essere scelti per resistere a una serie di condizioni ambientali differenti. Ad esempio, l'utilizzo di materiali con una buona conducibilità termica aiuta a dissipare il calore in condizioni di temperatura variabile.

I progettisti di PCB devono pianificare attentamente il posizionamento dei componenti per massimizzare l'utilizzo dello spazio e garantire un instradamento efficiente delle tracce. Per ottimizzare l'uso dello spazio si possono utilizzare tecniche come lo stacking dei componenti, i PCB multistrato e la modellazione 3D.

Dimensioni compatte

La tendenza dell'IoT e dei sistemi embedded è quella di realizzare di dispositivi più piccoli e compatti. I progettisti di PCB si devono concentrare sulla riduzione dell'ingombro complessivo della scheda senza compromettere la funzionalità. In questo contesto, un grande aiuto viene dalla tecnologia HDI (High-Density Interconnect) che, consentendo una maggiore densità di componenti e un instradamento più fine delle tracce, permette di creare PCB più piccoli e più ricchi di funzionalità. Di conseguenza, i circuiti stampati per queste applicazioni devono essere progettati con un fattore di forma compatto, utilizzando lo spazio in modo efficiente per ospitare i componenti necessari, mantenendo le dimensioni complessive minime.

I PCB multistrato rappresentano spesso una scelta obbligata, in quanto possono ospitare i componenti e il routing richiesti senza sacrificare la compattezza. I layer multipli consentono un instradamento efficiente dei segnali ad alta velocità, riducendo al minimo il degrado del segnale e garantendone l'integrità. I piani di terra e di alimentazione contribuiscono a rendere il progetto del PCB più stabile e resistente ai disturbi. Il design multistrato aiuta inoltre a contenere i campi elettromagnetici, riducendo il rischio di EMI, che è fondamentale sia per le prestazioni del dispositivo che per la conformità agli standard normativi.

I dispositivi IoT richiedono spesso componenti di dimensioni ridotte per essere inseriti nello spazio limitato a disposizione. I componenti SMT (Surface Mount Technology) sono comunemente utilizzati per il loro fattore di forma ridotto e la facilità di integrazione. Oltre ai componenti, anche i connettori devono essere scelti con un fattore di forma ridotto per ridurre al minimo le dimensioni complessive del dispositivo.

La tecnologia HDI consente una maggiore densità di routing, vias più piccoli (Figura 1) e tracce più sottili. Consente ai progettisti di PCB di realizzare progetti compatti senza sacrificare la funzionalità o le prestazioni. Inoltre, i PCB flessibili offrono il vantaggio di adattarsi a forme irregolari o di inserirsi in spazi ristretti. Possono essere piegati, piegati o attorcigliati per adattarsi ai requisiti di forma dei dispositivi IoT.

Figura 1: I fori di via ottimizzano l'instradamento delle tracce e migliorano la dissipazione del calore

Progettazione a basso assorbimento

Una gestione efficiente dell'alimentazione è fondamentale per l'IoT e i sistemi embedded di piccole dimensioni. Questi dispositivi sono spesso alimentati a batteria, il che significa che l'ottimizzazione del consumo energetico è essenziale per prolungare la durata della batteria. I layout dei circuiti stampati prevedono un'attenta pianificazione dell'alimentazione per ridurre al minimo il consumo di energia durante le modalità attive e di standby. Ciò comporta il posizionamento strategico dei piani di alimentazione, l'ottimizzazione del routing delle tracce e l'utilizzo di componenti a basso consumo.

Inoltre, i dispositivi IoT trascorrono spesso una quantità significativa di tempo in modalità sleep a basso consumo. I PCB devono essere progettati per supportare queste modalità in modo efficiente, con tecniche di power gating per scollegare completamente l'alimentazione dai componenti inattivi. I PCB IoT devono essere progettati per supportare componenti a basso consumo, distribuzione dell'alimentazione ottimizzata e modalità di sospensione per massimizzare l'efficienza energetica.

I regolatori di tensione devono essere ottimizzati per essere il più efficienti possibile, in modo da ridurre anche il calore da dissipare. Sono da preferire i componenti con bassa corrente di riposo.

Connettività wireless

La connettività wireless è essenziale per molte applicazioni IoT. Occorre prestare particolare attenzione alla progettazione dell'antenna per garantire prestazioni ottimali per lo standard di comunicazione wireless prescelto (ad esempio, Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, LoRA o altri) in base alla portata, alla velocità dei dati e ai requisiti di potenza dell'applicazione.

Le antenne possono essere integrate nel progetto del PCB (Figura 2) o aggiunte come componenti separati. Inoltre, per evitare interferenze di segnale, i PCB sono progettati con tecniche di layout RF adeguate. Le linee di trasmissione e i percorsi dei segnali sono attentamente controllati per mantenere l'integrità del segnale e prevenire la diafonia.

Figura 2: Antenna integrata nel PCB (Fonte: Infineon)

Gestione termica

I dispositivi IoT, soprattutto quelli con processori integrati, possono generare una quantità di calore non trascurabile. La gestione termica nella progettazione di PCB IoT è fondamentale per diversi motivi. Assicura la longevità dei componenti elettronici, mantiene stabili le prestazioni e migliora l'efficienza energetica prevenendo il surriscaldamento. Una gestione termica efficace evita anche i guasti meccanici dovuti allo stress termico, migliora l'affidabilità e la durata dei dispositivi in ambienti diversi e previene il degrado delle prestazioni a temperature elevate. I problemi di sicurezza, soprattutto nei dispositivi alimentati a batteria, vengono affrontati attenuando i rischi associati al surriscaldamento. La conformità alle normative e agli standard industriali è essenziale per la certificazione dei prodotti e l'accettazione da parte del mercato. In sintesi, una corretta gestione termica è fondamentale per ottimizzare le prestazioni, la durata e la sicurezza dei dispositivi IoT.

I progettisti devono implementare una strategia di gestione termica solida ed efficace per evitare il surriscaldamento. Ciò include il posizionamento corretto dei dissipatori di calore, delle canaline termiche e le considerazioni sul flusso d'aria.

Supporto per sensori multipli

I dispositivi IoT spesso includono vari sensori per raccogliere dati. I PCB per applicazioni di piccole dimensioni integrano interfacce dedicate per vari sensori, come sensori di temperatura, accelerometri o sensori ambientali. I circuiti di condizionamento del segnale possono essere integrati per garantire un'acquisizione accurata dei dati del sensore.

Inoltre, i dispositivi IoT spesso richiedono un mix di segnali analogici e digitali. I circuiti stampati sono progettati per gestire l'interfaccia tra questi tipi di segnali, riducendo al minimo i disturbi e le interferenze.

I progettisti di PCB devono considerare la progettazione e il posizionamento delle antenne per garantire una connettività wireless ottimale. Fattori come il tipo di antenna, le dimensioni, l'orientamento e il posizionamento del piano di massa possono influire sulle prestazioni della comunicazione wireless (Figura 3).

Figura 3: Il modulo Cypress EZ BLE (10 mm × 10) mm con antenna chip (Fonte: Infineon)

I segnali ad alta frequenza utilizzati nelle comunicazioni wireless sono soggetti a disturbi e interferenze. I progettisti di circuiti stampati devono gestire con attenzione l'integrità del segnale, riducendo al minimo la lunghezza delle tracce di segnale, riducendo il cross-talk e utilizzando tecniche di messa a terra adeguate.

Supporto per l’energy harvesting

Alcuni dispositivi IoT sfruttano le tecniche di energy harvesting per estrarre energia dall'ambiente. I PCB possono includere interfacce per i metodi di raccolta dell'energia, come le celle solari o i dispositivi piezoelettrici. Queste interfacce sono progettate per catturare e immagazzinare in modo efficiente l'energia raccolta. I PCB sono progettati per supportare e ottimizzare questi metodi di raccolta dell'energia, consentendo ai dispositivi di funzionare con fonti di alimentazione esterne minime.

Il posizionamento fisico dei sensori sul PCB è fondamentale per un'acquisizione accurata dei dati. I progettisti di circuiti stampati devono posizionare i sensori in modo da ridurre al minimo il rumore e le interferenze, assicurando al contempo che possano acquisire efficacemente i dati desiderati.

Per mantenere l'integrità del segnale e ridurre il rumore, è importante separare i componenti e le tracce analogiche e digitali sul PCB. Questa separazione aiuta a evitare che il rumore digitale influisca sulla precisione delle letture analogiche dei sensori.

Incorporando l'energy harvesting nei PCB IoT, i dispositivi possono funzionare per lunghi periodi senza interventi manuali o frequenti sostituzioni della batteria. Ciò è particolarmente utile in luoghi remoti o difficili da raggiungere, migliorando la sostenibilità e l'autonomia dei dispositivi IoT.

Considerazioni sui costi

L'economicità è una considerazione cruciale nelle applicazioni IoT e su piccola scala. I PCB sono progettati con componenti e processi produttivi efficienti dal punto di vista dei costi, senza compromettere le prestazioni o l'affidabilità.

I progettisti di PCB selezionano attentamente i componenti in base all'economicità, senza compromettere la qualità o le prestazioni. Questo include la considerazione dei componenti attivi e passivi e dei processi di produzione coinvolti.

Modularità

I progetti modulari incorporano connettori standardizzati per consentire una facile integrazione di moduli o sensori aggiuntivi. Ciò facilita la scalabilità e l'adattabilità a diversi casi d'uso. L'uso di interfacce di comunicazione standardizzate, come I²C o SPI, dovrebbe essere incoraggiato, in quanto consente una facile integrazione di moduli o aggiornamenti di terze parti senza richiedere una significativa rielaborazione.

Un approccio modulare nella progettazione dei dispositivi IoT facilita la scalabilità e gli aggiornamenti futuri. Questo, a sua volta, consente una più facile integrazione di funzionalità aggiuntive o la sostituzione di componenti senza dover riprogettare l'intero sistema.

La modularità semplifica anche la produzione, poiché i moduli standardizzati possono essere prodotti in serie e facilmente assemblati. In generale, la modularità migliora l'adattabilità, semplifica la manutenzione e favorisce uno sviluppo economico ed efficiente dei dispositivi IoT.

Compatibilità elettromagnetica (EMC)

La compatibilità elettromagnetica (EMC) è fondamentale nella progettazione dei PCB IoT perché garantisce che i dispositivi possano funzionare senza interferire tra loro o essere influenzati da fonti elettromagnetiche esterne. Una corretta progettazione EMC riduce al minimo il rischio di interferenze di segnale e di emissioni elettromagnetiche, favorendo una comunicazione e una funzionalità affidabili dei dispositivi IoT.

Ciò comporta l'utilizzo di tecniche di messa a terra, schermatura e componenti di filtraggio adeguati per ridurre il rischio di interferenze e garantire un funzionamento affidabile in vari ambienti.

Design for manufacturing (DFM)

I PCB sono progettati secondo i principi del DFM per ridurre al minimo i costi di produzione. Le scelte progettuali tengono conto della facilità di assemblaggio, dei test e della produzione di massa per soddisfare le esigenze di un'implementazione su larga scala.

I PCB sono spesso progettati per la pannellizzazione, in cui più copie della scheda sono prodotte su un unico pannello più grande. Questo migliora l'efficienza produttiva e riduce i costi.

Ai produttori vengono fornite chiare linee guida per l'assemblaggio, che specificano il posizionamento dei componenti, l'orientamento e i profili di saldatura per garantire una qualità costante durante l'assemblaggio.

Conclusioni

La progettazione di PCB per IoT e sistemi embedded di piccole dimensioni richiede un approccio olistico che tenga conto dell'efficienza energetica, della connettività wireless, dell'integrità del segnale, della gestione termica e di vari altri fattori. Attenendosi a questi suggerimenti e alle migliori pratiche, gli ingegneri possono sviluppare PCB affidabili ed efficienti che soddisfano i requisiti specifici delle applicazioni IoT e dei sistemi embedded su piccola scala. Poiché la tecnologia continua a evolversi, rimanere al passo con gli ultimi progressi nella progettazione di PCB è essenziale per creare soluzioni all'avanguardia e competitive nel panorama IoT in rapida espansione.

19.04.2024