简介：无所不在的 IoT

设计具有 IoT 功能的电子产品已不再是例外情况，而已成为行业规则。 IoT 技术不仅开创了众多全新的电子设备产品类别，还促使创新者重新思考消费者与传统低技术含量产品的互动方式。从设计者到初创公司及更大规模的企业，从健康跟踪手表（图 1）到恒温器（图 2），发明具有 IoT 功能的新技术设备和借助IoT 功能彻底改造现有产品带来了似乎无穷无尽的商机。

图 1： IoT 可穿戴设备                                                        图 2：支持 IoT 功能的恒温器
 

想像一下您正在办公室里，有人按下了已连接到您家中 WiFi 网络、支持 IoT 功能的视频门铃。您的智能手机将会收到门铃按响的通知，并立即显示造访者的实时视频。接下来，想像一下您可以直接与造访者对话，告诉他们您现在很忙，让他们将包裹放在门口，整个过程都不会泄漏您本人是否正在家中。您无需想像这种技术，它实际上已在使用。

 

由支持 IoT 功能的设备构成的生态系统正在以前所未有的速度飞速发展，从而在真实世界的物体、系统和人与旨在连接用户、其他设备甚至制造商的产品之间建立起纽带。您可以坐在舒适的沙发里，无需挪动半步，就能使用语音命令开关电灯或为电灯调光。通过使用简单、直观的移动应用来控制 IoT 设备，您可以与智能可穿戴设备、门锁、恒温器、您选择的娱乐设备以及其他更多产品通信。

 

对消费者而言， IoT 设备看起来时尚而又简单，但它们实际包含一组截然不同的元器件、物理接口和 PCB，以及在设计和 Layout 上具有独特挑战的软硬结合板电路。

 

确保 IoT 产品不会失效或出现与可靠性、制造或装配问题相关的意外延误和成本，这一点非常关键。现代IoT 设计需要具有先进功能的 PCB设计环境，包括布线前和布线后仿真、 Layout 约束管理、验证及其他更多功能。

 

本文介绍在 IoT PCB设计中必须考虑的七个设计方面。
 

1 – IoT 设计域（图 3）

图 3： IoT 设计领域
 

模拟 (A) 和数字 (D) —— 模拟到数字转换器在 IoT 设计中被用于处理、存储几乎任何数字形式的模拟信号，或将其传送至微处理器。这类转换器通常被称为“A-到-D” (A/D)、“D-到-A” (D/A) 和 ADC（模拟到数字）转换器。 ADC 是一种混合信号器件，用于提供以数字方式表示输入电压或电流电平的输出。模拟信号的主要优势在于能够提供无限数量的表示，而数字信号只能提供有限数量的可能表示。通过从模拟域转换到数字域，我们可以使用电子设备与我们身边的模拟世界交互。

 

MEMS（微电子机械系统） —— MEMS 是当今许多 IoT 设计中司空见惯的小型传感器和执行器。 MEMS 传感器负责从其周边收集信息，与此同时，执行器负责执行给定的命令。从用于检测步数的健身跟踪器，到感应您倾斜手机和旋转屏幕的智能手机感应功能， MEMS 都是 IoT 设计中的关键组件。RF（射频） —— 无线电模块通过 WiFi、 Bluetooth® 或自定义协议将 IoT 设备连接到云。在无线连接中，必须考虑多个因素，包括应用需求、技术约束和不同的软硬件集成要求。了解 IoT 产品的功耗、范围、连接和吞吐量对于满足各个器件的无线技术要求都很关键。

 

2 – IoT 设备的外形和配合

IoT 设计可能非常复杂；因此，产品的软件、网络元素和 PCB 都需要制作样机。许多大众消费类设计（尤其是人机界面 IoT 设备）的驱动要求是外形参数。如果健身跟踪器不够轻、不够舒适甚至不够时尚，或者智能手表体积过大， IoT 门锁无法装入大门并保证美观，产品就不可能畅销市场。

IoT 设备通常采用两种开发方法之一。第一种方法是使用概念验证样机来探索、设计和开发产品。样机经过验证后，可通过研究设备能否以易于消费者使用的外形参数进行封装，以及能否满足市场需求和消费者的价格点要求，对市场需求进行量化。

第二种开发流程在成熟的公司内更加常见。它以物理设计要求作为起点。例如，对于 IoT 可穿戴设备而言，尺寸和重量决定了最终的产品形状和总体外观及体验。换言之，如果产品的物理尺寸不符合人体工学，或无法吸引消费者，产品就绝不可能畅销。
 

3 – IoT 设计元器件

设计 IoT 设备的一个重要步骤是研究和选择所有需要的元器件。就功能和成本而言，模拟／混合信号 IC、D/A-A/D 转换器、传感器、执行器、 MEMS 和无线电模块（图 4）等零件选择都至关重要。 IoT 产品往往包含小型化元器件，包括 LED、显示器、摄像头、麦克风和扬声器。此外，常见的物理接口元器件还包括按钮、开关、触摸传感器和充电口等。

IoT 设备甚至可能包含磁簧传感器、指纹检测器、力感应电阻器 (FSR) 和柔性传感器。人机界面设备 (HID)（例如内含有线或无线充电电池的智能手机和紧凑型可穿戴设备）的功耗低，效率高，而其他长期以来科技含量较低的支持 IoT 功能的设备（例如门铃和恒温器）则使用现有的电线供电。

图 4： IoT 设计中的典型元器件（示例： Nest® 恒温器）

 

4 – 在原理图中输入 IoT 设计意图
选择 IoT 元器件并完成符号库的创建后，下一步是在原理图中定义元器件之间的连接。为提高设计效率和生产率，创建原理图应包括用于采购元器件和控制成本的元器件管理功能。从原理图设计环境（图 5）直接访问模拟／混合信号电路分析及布线前信号完整性分析，对于确保满足设计的信号完整性和物理特征要求至关重要。

图 5：完全集成的原理图输入设计环境

 

5 – 解决 IoT 设计中的仿真、验证、电源和存储器问题

IoT 设计包含模拟／混合信号 (AMS)。在设计阶段通过对混合技术电路进行基于模型的 AMS 设计、仿真和分析，实现高性能的 AMS 电路（图 6）。

从直流工作点、时域和频域分析到参数扫描、灵敏度、蒙特卡洛和最坏情况研究， AMS 电路的行为验证、情境探索和元器件优化对于确保 IoT 设计的设计意图、性能和可靠性都至关重要。

IoT 设计尤其独特的一点在于，它们通常在多种模式下工作，例如待机、发送／接收、主动感应、充电等模式。因此，必须指定和验证每种模式以及模式到模式的功能验证。例如，验证内置的 A/D 转换器在指定的温度范围内能否正确工作需要进行晶体管级别的仿真。针对 IoT 设计执行布线前仿真并规划布线后验证，对于确保产品满足其所有功能要求非常关键。

 

当今许多最流行的 IoT 设备都是紧凑型可穿戴设备。它们体积小，重量轻，而且能效必须极高。必须调整不同模式下的功耗，以延长电池寿命，而这反过来也会缩短两次充电间隔的时间。为了预防由于关键供电网络上的电压损耗导致的产品故障或失效，在 Layout 期间分析电源完整性非常重要。意外或无法预测的电路行为也可能是由功率输送问题所致。为确保输送到 IC 的功率洁净而且高效，务必在产品创建流程的早期找出并解决电流密度过高的区域。

图 6： AMS 仿真和分析环境

 

IoT 产品使用连接到 DRAM 和闪存存储器的现代微处理器。为充分考虑板级影响，例如有损传输线、反射、阻抗变化、过孔影响、 ISI、串扰和时序延迟等，有必要对您的存储器接口进行详细的仿真，以提供全面的剖析。

图 7：高级约束管理

 

能够精确地约束存储器连接并进行布线，对于缩短 DDR 型设计的设计时间和调试周期至关重要。借助PCB Layout 功能，包括高级约束管理（图 7）和高级 DDR 布线（图 8）功能，设计人员可以快速、精确地完成高速、高带宽走线的布线过程。

 

6 – PCB LAYOUT

IoT 设计，尤其对于可穿戴设备等消费电子产品而言，决定性因素往往是在 3D 机械 CAD工具内设计的预定义、市场化外形参数。在布置走线或进行平面覆铜之前能够以 3D 方式查看外壳中的电路板，对于确保设计符合产品的所有物理要求至关重要。除了 PCB外形以外，还必须考虑其他因素，包括产品的使用环境和柔性。下面来了解一下其中一些因素：

图 8：基于约束的交互式布线
 

1. 元器件贴装 —— 完成 IoT 原理图设计并将电路板外形（包括固定的物理接口元器件位置、安装孔、挖空图形等）导入到 Layout 环境后，元器件的贴装应该非常快速、轻松。原理图与 Layout 之间的双向交互显示很有帮助。这一功能可以 2D 或 3D 方式贴装元器件，同时确保贴装符合设计约束，不仅缩短了设计时间，还避免发生违规。
 

2. 约束管理 —— 由于元器件经常被称为 PCB设计的构造块，因此可以将这些构造块之间的连接视为“灰浆”。通过在整个设计流程中使用集成的约束管理来传播预定义的电气约束，您可以控制网络类和组，定义管脚对，以及执行更多操作。层次化规则嵌套约束旨在提高布线控制的效率，确保布线符合高速性能规则，并支持您针对匹配的长度、差分对、最大／最小长度及更多条件定义高速规则。

 

3. 2D/3D Layout —— 在设计具有严格外形参数约束和复杂的装配程序的 IoT 产品时，如果能够在详细的 3D 物理 Layout 环境中进行 Layout 并探索设计，将会带来巨大的优势。在贴装和动态设计规则检查 (DRC) 期间，利用逼真的 3D 可视化功能，可以确保设计即正确的 Layout。利用精确的元器件 STEP模型可以查看最终产品，从而确保配合度及间距符合产品规格要求。此外，将 IoT 产品的机械外壳导入 3D 视图的功能为设计人员提供了逼真的总装视图，以确保配合度和避免冲突。

 

4. IoT 设计中的软硬结合板电路： 柔性 PCB 和软硬结合板 PCB（图 9）

当前广泛应用于所有类型的电子产品， IoT 设计也不例外。

通过 3D 验证可确保弯角位于正确的位置，并且元器件不会对折叠产生干扰。管理柔性弯角、柔性层上的零件贴装、柔性布线和平面形状填充等等，对于这类设计而言尤其关键。在早期以及整个设计阶段显现包含软硬结合板的IoT 设计的功能，可以预防代价巨大的重新设计。而且，将软硬结合板设计以 3D 实体模型的方式导出到 MCAD 的功能，有利于在 ECAD 和 MCAD 领域之间开展高效的双向协作，确保避免制造 (DFM) 和装配 (DFMA) 问题。

图 9： 3D 和 2D 软硬结合板设计环境

 

5. 测试 IoT 设计： IoT 产品是低功耗产品，并且需要能够快速适应新型技术的测试平台。无线 IoT 产品的四项关键测试参数包括：范围、电池寿命、互操作性和响应时间。例如，使用 Bluetooth® 技术的设备与使用 Wi-Fi 技术的设备相比范围更小。对于电池供电的 IoT 设备，有必要测量设备在现实场景中的功耗，以确保其在多种模式下都能保持足够的电池寿命。

 

7 – IoT 设计的制造和装配

在整个产品设计流程中，都应考虑如何确保 IoT 设备采用可制造性和可装配性设计。例如， DFT（可测试性设计）可以从裸板的角度提供设计的可测试性，以识别短路和其他制造缺陷。类似地，执行 DFMA（可制造性和可装配性设计）分析可以识别阻焊细丝以及由于阻焊层暴露的意外覆铜等问题，以便能够在加工前予以纠正。

从大型电子设备制造商到设计者，创建 IoT 设计可能都是一个非常复杂的过程，不论是在短时间的样机运行还是在批量生产中，任何成本节省都关乎最终利润或预算的平衡。使用支持 DFMA 分析、拼板和 ODB++精益制造数据交换流程等制造功能的 Layout 工具，可通过识别可能导致延迟和代价高昂的改版的问题，来帮助避免增加成本或降低良率。

 

总结

当前 IoT 设备设计在越来越多的行业中得到使用，包括消费电子、汽车、医疗、工业、军用行业等等。因此，针对信号和功率要求以及电源完整性的考量必须成为 IoT 产品设计和分析方法的一部分。 IoT 设备在过去十年里的爆炸式增长以及新产品和现有产品中支持 IoT 功能的设备的预期增长，促使上市时间、快速样机制作以及面向批量生产的设计对产品的成败产生决定性的作用。

 

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