物联网用例：新的互联网连接解决方​​案增加了PCB设计的复杂性

连接到物联网（IoT），移动物联网（MIoT）和工业物联网（IIoT）的技术应用程序已变得司空见惯。

运动员（从业余爱好者到专业人士不等）都戴着腕带传感器，该腕带传感器可将心率，体温和步速与云中的数据进行连接并进行比较。通过使用智能头盔，智能背心和智能眼镜在各种环境中工作，这些头盔不断从各个员工那里收集健康，位置，环境和生产力数据。

在另一个示例中，连接到实时资产运营的智能传感器与在线预测分析相结合，以监视工厂中的关键资产，并提早发现可能导致停运的问题。预测性维护传感器可检测到振动，应变和频率的增加。如果这些读数超出了既定的基准，则在IIoT中运行的分析与企业资源计划（ERP）系统之间的相互作用将导致通知流向维护团队。该通知还包括有关保持系统运行所需的维护类型和维护时间的建议。

但是，革命并不止于此。想想智能家居，数字工厂……和智能城市。

创新与复杂融合

这些和其他与IoT / IIoT / MIoT连接的设备应用程序通过设备层，连接性或边缘层以及云或数据中心和应用程序层运行。

低功率传感器和执行器通过无线网络连接到网关。网关依次传达传感器和执行器通过广域网连接到云的动作。广泛的连接性选择允许在机器语言之间进行来回通信，并进行高级语言的发送和接收。

设备和应用程序之间的数据获取和传输涉及复杂的交互，不同的频率带宽，各种网络拓扑以及电子组件技术，如下所示：

PCB设计从基础开始

借助微处理器，智能传感器，DDR存储设备和闪存的所有创新和使用，我们回到困扰PCB设计的基本问题。设备之间的所有操作和通信必须有效地进行，且在不同的数据速率下必须没有干扰，串扰，损耗，延迟，阻抗失配或波动。模拟/混合信号（AMS）的复杂性要求进行仿真和分析，以确保设计符合性能要求。

物联网/ IIoT / MIoT解决方案的另一个关键点涉及天线设计。设计PCB时，在选择与所需外形尺寸匹配的天线时，可能需要考虑方向，增益和方向性。例如，用于实现智能家居产品无线连接的Z-Wave网格网络拓扑可以支持数百个设备。在另一个影响天线和电路设计的示例中，Sigfox使用超窄带（UNB）无线电技术进行无线电消息交换。

由于IoT / IIoT / MIoT设备以多种模式运行，因此噪声成为更大的因素。让我们停一会儿，考虑一下在预测性维护环境中传感器和执行器如何与网关通信。设备之间的发送和接收会短暂发生，而空闲电流和待机状态的持续时间会更长。在不同的工作状态下，通过输出电源轨发出的电磁干扰会降低正常电路操作所需的精度。除EMI外，我们还必须考虑温度对以多种模式工作的设备的影响。

当您通读连接层中的技术列表时，大多数指的是低能耗。在解决与信号完整性相关的基本问题时，我们还需要认识到低功耗和电源完整性对我们设计的重要性。在网络方面看似通用的操作，例如建立适当的网络参数和协议，由于所需的能耗限制而变得更加成问题。此外，我们在设计中内置的电源公差变得更加严格和精确。

刚性-Flex PCB和高密度互连可提供良好的解决方案

在考虑所连接的PCB设计的性能时，对有效外形的需求可能需要使用刚挠性PCB。通过使用刚柔结合法，您可以消除造成损耗，控制阻抗并改善电路整体信号完整性的连接器和连接电缆。刚挠式PCB的重量更轻，部件的空间更大。

但是，当您将PCB设计概念转移到刚挠环境时，您必须保持从刚硬到挠性再到刚硬的过渡。电路的柔性部分可以互连电路。多层刚柔PCB还可以在设计中包含更多电路，但也会影响布线设计。弯曲柔性电路时产生的材料应力可能会改变您的走线路线，走线宽度和表面安装元件的方法。用于在双面柔性电路上分布应力的一种方法涉及交错的走线和垂直于任何弯曲线的走线。

高密度互连（HDI）还有助于节省与IoT连接的产品的空间和重量。使用HDI，电气路径变得更短，层数减少，组件的放置变得更加拥挤。密集的走线路由可产生更好的信号完整性，并加快信号处理速度。

较短的电气路径减少或消除了寄生电容和电感问题。此外，组件放置，布线和组件连接变得更加容易。但是，HDI还需要更加注意保持一致的走线，最小的线宽和精确的布局。

物联网解决方案：团队合作和SPICE仿真

构建IoT，IIoT或MIoT解决方案所涉及的一切都需要团队合作。设计团队的成员必须共同努力，确定设计约束并将设计从概念转变为测试。您决定构建测试设计和可制造性兼容板的决定可以节省时间和金钱。团队合作还涉及与制造商和制造商紧密合作，以确定外形尺寸如何满足消费者或工业需求。

在物联网设备的整个设计和生产过程中及早使用SPICE工具，将使您能够仔细地调节设计的生产和可用性。

在有限的外形尺寸，高速运行的限制以及通过多个OEM因素管理输出会破坏IoT设计的情况下，使用适当的SPICE工具将能够最大程度地减少这些问题。适当的电路分析可通过利用高级抽象和模型来获取准确的数据，为设备所需的参数开发个性化模型以及进行精确的混合信号仿真，从而为设备的功能提供安全性。

对于大多数消费类电子产品，您还需要关注可制造性和产品良率。值得庆幸的是，SPICE仿真将能够根据所需的制造良率和可靠性标准来调整设计期望和公差。这个因素将确保您的设计轻松而富有魅力地脱离原理图并进入想要的听众手中。