物联网和小型嵌入式系统的 PCB 设计提示 如有需要PCB和芯片欢迎回到首页 电联黄云艳
在当今互联互通的世界里，物联网 (IoT) 已成为我们生活中不可或缺的一部分。从智能家居到可穿戴设备，物联网设备不断革新各个行业。然而，设计有效的物联网和小型嵌入式系统需要仔细考虑并注重细节。
物联网 (IoT) 和小型应用的印刷电路板 (PCB) 具有与传统 PCB 不同的几个特点。这些特点是专门为满足物联网和小型嵌入式系统中常见的紧凑、低功耗和互连设备的特定要求而定制的。
在本文中，我们将探讨一些重要的设计提示，以帮助您充分发挥这些连接设备的潜力。
组件选择
应仅选择节能、紧凑且与目标通信协议兼容的组件。
与组件选择直接相关的是环境适应性。用于物联网和小规模应用的 PCB 旨在承受各种环境条件。这包括考虑温度变化、湿度以及设备在不同操作环境中可能遇到的其他因素。
所选 PCB 材料应能承受各种环境条件。例如，使用导热性好的材料有助于在不同温度条件下散热。
PCB 设计师必须仔细规划元件的放置，以最大限度地利用空间并确保高效的布线。可以采用元件堆叠、多层 PCB 和 3D 建模等技术来优化空间利用。
尺寸紧凑
物联网和小型嵌入式系统的趋势是设备更小、更紧凑。PCB 设计师专注于在不影响功能的情况下减少电路板的整体占用空间。在这种情况下，高密度互连 (HDI) 技术提供了很大的帮助，该技术可以提高元件密度和更精细的布线，从而能够创建更小、功能更丰富的 PCB。因此，这些应用的 PCB 应采用紧凑的外形设计，有效利用空间来容纳必要的元件，同时保持最小的整体尺寸。
多层 PCB 通常是不错的选择，因为它们可以容纳所需的组件和布线，而不会牺牲紧凑性。多层可以高效地路由高速信号，最大限度地减少信号衰减并确保信号完整性。接地层和电源层有助于实现更稳定、更抗噪的 PCB 设计。多层设计有助于控制电磁场，降低 EMI 风险，这对于设备性能和符合监管标准都至关重要。
物联网设备通常需要尺寸较小的组件，以适应有限的可用空间。表面贴装技术 (SMT) 组件因其体积小且易于集成而广受使用。除了组件之外，还应选择尺寸较小的连接器，以尽量减小设备的整体尺寸。
HDI 技术可实现更高的布线密度、更小的过孔（图 1）和更细的走线。它使 PCB 设计师能够实现紧凑的设计，而不会牺牲功能或性能。此外，柔性 PCB 还具有顺应不规则形状或适合狭小空间的优势。它们可以弯曲、折叠或扭曲，以适应物联网设备的尺寸要求。
图 1：通孔优化了走线的布线并改善了散热
低功耗设计
高效的电源管理对于物联网和小型嵌入式系统至关重要。这些设备通常由电池供电，这意味着优化功耗对于延长电池寿命至关重要。PCB 布局包括仔细的电源规划，以最大限度地降低活动和待机模式下的功耗。这涉及战略性地放置电源平面、优化走线布线和利用低功耗组件。
此外，物联网设备通常会在低功耗睡眠模式下花费大量时间。PCB 的设计旨在有效支持这些模式，并采用电源门控技术完全断开非活动组件的电源。物联网 PCB 的设计应支持低功耗组件、优化的电源分配和睡眠模式，以最大限度地提高能源效率。
电压调节器应尽可能优化，以提高效率，因为这也可以减少散热量。应优先选择静态电流较低的元件。
无线连接
无线连接对于许多物联网应用至关重要。应特别注意天线设计，以确保根据应用的范围、数据速率和功率要求，为所选的无线通信标准（例如 Wi-Fi、蓝牙、Zigbee、LoRA 等）提供最佳性能。
天线可以集成到 PCB 设计中（图 2），也可以作为独立组件添加。此外，为了防止信号干扰，PCB 的设计采用了适当的 RF 布局技术。传输线和信号路径经过精心控制，以保持信号完整性并防止串扰。
图 2：嵌入 PCB 的天线（来源：英飞凌）
热管理
物联网设备，尤其是那些带有嵌入式处理器的设备，会产生不可忽略的热量。物联网 PCB 设计中的热管理至关重要，原因有几个。它可以确保电子元件的使用寿命，保持稳定的性能，并通过防止过热来提高能源效率。有效的热管理还可以避免由于热应力而导致的机械故障，增强设备在不同环境下的可靠性和耐用性，并防止在高温下性能下降。通过降低与过热相关的风险，可以解决安全问题，尤其是电池供电设备的安全问题。遵守行业法规和标准对于产品认证和市场接受至关重要。总之，适当的热管理对于优化物联网设备的性能、寿命和安全性至关重要。
设计人员应实施稳健有效的热管理策略，以防止过热。这包括正确放置散热器、散热孔和考虑气流。
支持多种传感器
物联网设备通常包含各种传感器来收集数据。小型应用的 PCB 集成了各种传感器的专用接口，例如温度传感器、加速度计或环境传感器。可以集成信号调理电路以确保准确的传感器数据采集。
此外，物联网设备通常需要混合使用模拟和数字信号。PCB 的设计旨在处理这些信号类型之间的接口，同时最大限度地减少噪音和干扰。
PCB 设计师必须考虑天线的设计和放置，以确保最佳的无线连接。天线类型、尺寸、方向和接地平面放置等因素都会影响无线通信的性能（图 3）。
图 3：带芯片天线的 Cypress EZ BLE 10 毫米 × 10 毫米模块（来源：英飞凌）
无线通信中使用的高频信号易受噪声和干扰。PCB 设计人员需要通过最小化信号线的长度、减少串扰和采用适当的接地技术来仔细管理信号完整性。
支持能量收集
一些物联网设备利用能量收集技术从环境中提取能量。PCB 可能包括用于太阳能电池或压电设备等能量收集方法的接口。这些接口旨在高效捕获和存储收集到的能量。PCB 旨在支持和优化这些能量收集方法，使设备能够以最少的外部电源运行。
传感器在 PCB 上的物理位置对于准确获取数据至关重要。PCB 设计人员应将传感器放置在噪音和干扰最小的位置，同时确保它们能够有效捕获目标数据。
为了保持信号完整性并降低噪声，必须将 PCB 上的模拟和数字元件及走线分开。这种分离有助于防止数字噪声影响模拟传感器读数的准确性。
通过将能量收集技术融入物联网 PCB，设备可以长时间运行而无需人工干预或频繁更换电池。这在偏远或难以到达的地方尤其有价值，可增强物联网设备的可持续性和自主性。
成本考虑因素
成本效益是物联网和小规模应用中的一个重要考虑因素。PCB 采用成本效益高的组件和制造工艺设计，不会影响性能或可靠性。
PCB 设计师会根据成本效益仔细选择组件，而不会影响质量或性能。这包括考虑有源和无源组件以及所涉及的制造工艺。
模块化
模块化设计采用标准化连接器，可轻松集成其他模块或传感器。这有助于实现可扩展性和适应不同用例。应鼓励使用标准化通信接口（例如 I2C 或 SPI），因为它可以轻松集成第三方模块或进行升级，而无需进行大量返工。
物联网设备设计中的模块化方法有利于实现可扩展性和未来升级。这反过来又允许更轻松地集成附加功能或更换组件，而无需重新设计整个系统。
模块化还可以简化制造过程，因为标准化模块可以批量生产且易于组装。总体而言，模块化可以增强适应性、简化维护并支持经济高效地开发物联网设备。
电磁兼容性 (EMC)
电磁兼容性 (EMC) 在物联网 PCB 设计中至关重要，因为它可确保设备能够相互干扰或不受外部电磁源影响地运行。适当的 EMC 设计可最大限度地降低信号干扰和电磁辐射的风险，促进物联网设备的可靠通信和功能。
这涉及使用适当的接地技术、屏蔽和滤波组件来降低干扰风险并确保在各种环境中可靠运行。
面向制造设计 (DFM)
PCB 设计时充分考虑了 DFM 原则，以最大程度降低生产成本。设计选择考虑了组装、测试和批量生产的简易性，以满足大规模部署的需求。
PCB 通常设计为拼板，即在一块较大的面板上制造多块电路板。这可以提高生产效率并降低成本。
向制造商提供清晰的装配指南，指定组件的位置、方向和焊接配置文件，以确保装配过程中的质量一致。
结论
设计用于物联网和小型嵌入式系统的 PCB 需要采取一种综合方法，考虑电源效率、无线连接、信号完整性、热管理和其他各种因素。通过遵循这些提示和最佳实践，工程师可以开发出可靠、高效的 PCB，以满足物联网应用和小型嵌入式系统的特定要求。随着技术的不断发展，紧跟 PCB 设计的最新进展对于在快速发展的物联网领域创造尖端和有竞争力的解决方案至关重要