De term IoT, of Internet of Things, verwijst naar een infrastructuur die bestaat uit verschillende elektronische apparaten die met het internet zijn verbonden. Slimme apparaten, die op afstand kunnen worden bediend door middel van speciale apps, vormen slechts een klein deel van het IoT-netwerk. De mogelijkheid om slimme sensoren en traditionele elektronische apparaten met elkaar te verbinden heeft een aanzienlijke impact gehad op verschillende toepassingsgebieden, zoals de industrie, de landbouw, de biomedische sector, het vervoer en de consumentenelektronica. De belangrijkste vereiste waaraan elk IoT-apparaat moet voldoen is zonder meer connectiviteit, die tot stand wordt gebracht via draadloze technologieën zoals Bluetooth, Wi-Fi en het mobiele netwerk. Als gevolg hiervan ondergaat de ontwikkeling van de hardware die IoT-functionaliteit kan ondersteunen een subtiele maar doelgerichte verandering: connectiviteit, afstandsbediening en hoge energie-efficiëntie zijn eisen waaraan elk IoT-apparaat moet voldoen.
PCB-ontwerp
Het ontwerp van een IoT-apparaat vereist een goede evaluatie en de juiste selectie van drie sleutelfactoren: sensoren, draadloze connectiviteit en energiebeheer. De printplaat, die de door deze componenten geboden functionaliteit moet kunnen ondersteunen, vereist een andere ontwerpbenadering dan de conventionele. De belangrijkste aspecten die van invloed zijn op het ontwerp van een IoT-printplaat zijn de volgende:
- grootte: vergelijkbaar met wat er gebeurt in slimme draagbare apparaten, zijn IoT-apparaten zeer klein in omvang en vereisen daarom geminiaturiseerde componenten. De modernste sensoren, die hoofdzakelijk met MEMS-technologie worden vervaardigd, bieden een kleine voetafdruk, lage kosten en hoge betrouwbaarheid. In figuur 1 zien we de geassembleerde printplaat van een moderne slimme thermostaat: let op de hoge integratie van de componenten en de juiste scheiding tussen digitale (MCU en dataprocessor) en analoge gebieden (Wi-Fi-interface en RF-front-end);
- lay-out: de beperkte ruimte die beschikbaar is voor de routing van de sporen vereist meestal de keuze van meerlaagse printplaten, met zeer strikte beperkingen ten aanzien van de elektromagnetische compatibiliteit (EMC). Bovendien vereist de hoge dichtheid van componenten op de printplaat een HDI-ontwerpaanpak (High Density Interconnect), wat leidt tot een verkleining van de aansluitpinnen en een toename van het aantal vias;
- de integriteit van het signaal dat van de sensoren komt, moet onder alle bedrijfsomstandigheden worden gewaarborgd, waarbij elke mogelijke koppeling of interferentie met stroomkabels en met de draadloze interfacesignalen moet worden geëlimineerd;
- materialen: de snelle verspreiding van de IoT-technologie heeft het gebruik van innovatieve materialen zoals flexibele printplaten bevorderd. Het ontwerp van een flexibele printplaat vereist een zorgvuldige afweging van de mechanische structuur van het materiaal en beïnvloedt de positionering van de componenten. Flexibele printplaten zijn ideaal voor wearables, omdat in een kleinere ruimte meer componenten kunnen worden toegevoegd. In vergelijking met de traditionele starre oplossing vereenvoudigen flexibele printplaten de bedrading en bieden zij extra stevigheid in aanwezigheid van niet-verwaarloosbare mechanische spanningen;
- energiebeheer: dit aspect is essentieel om de levensduur te verlengen van de batterijen die IoT-apparaten van stroom voorzien. Naast de juiste selectie van geïntegreerde vermogensbeheercircuits (PMIC's) moet de ontwerper ervoor zorgen dat elk functioneel blok van de schakeling binnen het toegewezen vermogensbudget valt. Het is van essentieel belang dat het stroomverbruik wordt geraamd in elke toestand en bedrijfstoestand van het apparaat, rekening houdend met het feit dat draadloze zendontvangers aanzienlijke absorptiepieken kunnen vertonen tijdens de overgang van de uit- naar de aan-toestand. Het stroomverbruik in de diepe slaapstand is eveneens zeer belangrijk, aangezien deze parameter bepalend is voor de levensduur van de batterij;
- beveiliging: een systeem dat toegang heeft tot een gedeeld netwerk is van nature onderhevig aan mogelijke aanvallen die de veiligheid in gevaar kunnen brengen. Dit aspect speelt een fundamentele rol in IoT-apparaten voor de detectie en meting van metrische grootheden (water-, gas- en elektriciteitsmeters) en in elektromedische apparaten, waar gevoelige gegevens worden verwerkt. Algemeen wordt aangenomen dat het bijwerken van de beveiliging via software niet langer zal volstaan en dat het daarom noodzakelijk is beveiligingsmechanismen op hardwareniveau te implementeren. Cryptografische motoren, die thans op vele goedkope microcontrollers beschikbaar zijn, bieden extra informatiebescherming dankzij de snelle implementatie van encryptie-algoritmen zoals AES, DES en SHA;
- Thermisch beheer: IoT-apparaten zijn klein, werken op batterijen en zitten meestal in een slot-vrije behuizing, waardoor er strenge eisen worden gesteld aan het thermisch beheer. De printplaat moet zo worden ontworpen dat er geen hotspots ontstaan (gebieden waar de temperatuur hoger is dan ongeveer 150 °C) door de juiste geometrie van de printbanen (breedte en hoogte) te kiezen, thermische via's met koperplating te gebruiken en koperen vlakken in te voegen voor een betere warmteafvoer. Aangezien de voor aarding beschikbare ruimte in deze toestellen over het algemeen zeer beperkt is, moet ervoor worden gezorgd dat er voldoende aarding is voor warmteafvoer en RF-connectiviteit. In sommige gevallen kan het nuttig zijn een simulatie van de thermische luchtstroom uit te voeren, met behulp van 2D/3D-modellen die met ECAD- en MCAD-tools zijn geïmplementeerd.
Figuur 1: de printplaat van een slimme thermostaat (bron: Google)
Draadloze connectiviteit, kenmerkend voor elk IoT-apparaat, impliceert het verkrijgen van de nodige certificaties met betrekking tot het RF-gedeelte. De meest voorkomende certificeringen zijn FCC (in de Verenigde Staten), IC (in Canada) en CE (in Europa). Daarnaast moeten ontwerpers rekening houden met normen met betrekking tot opzettelijk en onopzettelijk uitgezonden straling en vereisten voor aanvullende certificeringen, zoals PTCRB en WEEE. Certificering wordt vergemakkelijkt door het gebruik van vooraf gecertificeerde RF-modules, die rechtstreeks in het apparaat kunnen worden geïntegreerd, waardoor dure certificeringsprocedures worden vermeden.
De grote vraag naar IoT-oplossingen heeft geleid tot een versnelling in de ontwikkeling van ontwerptools voor printplaten met AMS-signalen (Analoog/Gemengd Signaal), op basis van specifieke modellen, simulaties en circuitanalyse. Simulatie is de fase waarin de integriteit van de verbindingen wordt gevalideerd. Geschikte softwaretools simuleren het schema van de schakeling, rekening houdend met verschillende parameters zoals werkingspunt, tijdsdomein, frequentiedomein, Monte Carlo-analyse, gevoeligheid en worst-case scenario's. Bij draagbare apparaten moet worden voldaan aan speciale eisen zoals grootte, stroomverbruik en oplaadtijd.
Printplaatfabricage
Een van de geheimen van een succesvolle printplaat is altijd vanaf het allereerste begin rekening te houden met de montage- en fabricagefasen. Een voorbeeld hiervan is de markt voor wearables: de zeer kleine ruimte die beschikbaar is voor de assemblage heeft de behoefte doen ontstaan aan flexibele printplaten die kunnen buigen en plooien zonder te breken of de functionaliteit van het toestel in het gedrang te brengen. Ook industriële apparaten en apparatuur voor assemblage en materiaalbehandeling moeten bestand zijn tegen schokken, trillingen en andere extreme bedrijfsomstandigheden. Naast flexibele printplaten is een andere technische oplossing die de fabricage van een IoT-printplaat kan vereenvoudigen, de toepassing van System-in-Package (SiP)-technologie. System-in-Packages maken het mogelijk steeds complexere analoge, digitale en RF-systemen op één chip te integreren, met vormfactoren die sterk lijken op die van traditionele single-chipoplossingen. Figuur 2 toont een uiterst compacte SiP-oplossing voor de implementatie van een Sigfox-knooppunt met up-link- en down-linkfunctionaliteiten. SiP-componenten vereenvoudigen het printplaatontwerp en de fabricage aanzienlijk, wat ook voordelen heeft voor de kosten. De SiP-module in figuur 2 is gecertificeerd, heeft een geïntegreerde antenne en behoeft geen externe componenten.
Figuur 2: Een SiP-module (bron: ON Semiconductor)
IoT-apparaten moeten een constante connectiviteit kunnen onderhouden met het netwerk en met andere knooppunten die daartoe behoren. In industriële toepassingen (IIoT en Industrie 4.0) is 24/7 werking heel gebruikelijk en daarom is een beschikbaarheid van 100% ongelooflijk belangrijk. Het handhaven van adequate en constante voedingsniveaus op printplaatniveau is van cruciaal belang voor het behoud van operationele capaciteit en connectiviteit. Dit is ook essentieel om de levensduur van batterijen in draagbare apparaten te verlengen en om de efficiëntie op faciliteitsniveau te waarborgen. In elke fase van de ontwikkeling van een IoT-apparaat, te beginnen bij het printplaatontwerp, is het noodzakelijk om de maakbaarheid van het product te verifiëren. Een tool zoals de DFT (Design for Test) is bijvoorbeeld nuttig om de testbaarheid van de printplaat te verifiëren en eventuele fabricagefouten op voorhand te identificeren. Evenzo kunnen met DFMA-analyse (Design for Manufacturing and Assembly) problemen in het printplaatontwerp worden opgespoord die kunnen worden gecorrigeerd voordat het product in productie wordt genomen.
Voor veel klassen van IoT-apparaten impliceert veiligheid ook dat maatregelen worden genomen om printplaatvervalsing te voorkomen, een belangrijk aspect, vooral bij metrologietoepassingen. Met de groeiende vraag naar oplossingen om IoT-toepassingen te ondersteunen, veranderen printplaatfabrikanten de manier waarop ze hun printplaten ontwerpen en valideren. Een veelgebruikte methode is de toevoeging van gecodeerde identifiers (ID's) op elke fysieke laag van de printplaat. Elke ID is cryptografisch verbonden met die van de andere lagen, wat betekent dat het bijna onmogelijk is om deze succesvol te kopiëren. Deze techniek is veel gesofisticeerder en veiliger dan de standaardmethode, waarbij een eenvoudige barcode-ID op de bovenkant van de printplaat wordt gedrukt.
