Wie Sie die FCC-Zertifizierung beim Design von PCBs für das IoT im Hinterkopf behalten

 Als ich an meinem ersten Produkt für das Internet der Dinge (IoT) arbeitete, war ich bei einem Start-Up mit zwei Leuten tätig, das sich noch in den Kinderschuhen befand. Ich war tatsächlich erst der dritte Mitarbeiter. Wir waren alle clever, ehrgeizig und vollkommen auf den Machbarkeitsnachweis unseres Designs konzentriert. Als Neuling ging ich davon aus, dass es einen Plan für den Abschluss unseres Produkts, die nötigen Zertifizierungen oder Zulassungen und die Markteinführung gab. Um die Pointe vorwegzunehmen – ich lag hier völlig falsch. Wir lernten auf die harte Tour, dass ein IoT-Produkt noch so beeindruckend sein kann – niemand wird es würdigen, wenn es nicht zertifiziert und auf den Markt gebracht werden kann.

Ich wusste, dass das IoT allgegenwärtig war oder es zumindest schon bald sein würde. Man konnte Smartwatches oder Fitness-Tracker tragen, Waschmittel mit einem Knopf an der Waschmaschine bestellen und sich vom Kochtopf benachrichtigen lassen, dass das Abendessen fertig war. Da das IoT in unserem Alltag so stark vertreten war, ging ich davon aus, dass die Sache mit den Zertifizierungen trivial sein würde.

All diese IoT-Geräte hängen davon ab, dass sie ihre Daten an MU-TH-UR übertragen können – oder wie Sie sonst die Cloud nennen, wenn Sie kein Alien-Fan sind. Diese Funkübertragungen werden in den USA von der Federal Communications Commission (FCC) reguliert, damit die Geräte sich nicht gegenseitig die zugelassenen Frequenzen stehlen oder mit unsicheren Leistungspegeln funken. Wenn Sie einfach so HF-Module in Ihren Produkten verbauen, riskieren Sie saftige Geldstrafen bei fehlenden Produkt-Prüfungen und -Zertifikaten. Diese Strafen werden oft pro Sender und Verstoßdauer in Tagen berechnet, sodass sich die Kosten schnell stark summieren, wenn Ihr System bereits im Einsatz ist.

Obwohl wir keine Geldstrafen zahlen mussten, hatten wir genug andere Probleme mit der Zertifizierung. Unterschätzen Sie nicht die Wichtigkeit der Vorausplanung für die Zertifizierung vor dem Produktstart oder sogar noch vor dem Design. Die Zertifizierung ist teuer und zeitraubend. Ich versichere Ihnen: Sie sollten sie von Anfang an im Design berücksichtigen und Respins vermeiden, weil Sie die Zertifizierungsprüfung nicht bestanden haben.

Jedes Bauteil auf Ihrem PCB kann die Leistungsfähigkeit der Platine und ihre Chance auf Bestehen der Zertifizierungsprüfung beeinflussen.

Welche Art von Tests und Zertifizierungen brauche ich?

Die Auswahl eines Moduls hängt von den Anforderungen Ihrer Anwendung ab und kann sich als ein aufwändiger Prozess erweisen. Es gibt mehrere Online-Vergleichstools, mit denen Sie die Lösung finden können, die für Sie am besten funktioniert (zum Beispiel die Modulbibliothek von AT&T). Schließlich läuft es immer auf ein Modul in einer von zwei Kategorien hinaus.

Volle EMV-Prüfung und -Registrierung

Die meisten Geräte erfordern eine Reihe von Tests, um zu gewährleisten, dass sie keine elektromagnetische Störgrößen erzeugen, die die FCC-Grenzwerte überschreiten. Anschließend folgt der Papierkram zur Zertifizierung und Registrierung Ihres Geräts. Empfänger-Designs müssen allesamt vollständig zertifiziert werden, aber bei Ihren Sendern können Sie sich mit einer modularen Zertifizierung vielleicht die Arbeit erleichtern.

Modulare Zertifizierung

Einige Module sind praktisch „vorzertifiziert“ und haben bereits den umfangreichsten Teil der FCC-Zertifizierung bestanden. Sie müssen Ihr fertiges System immer noch auf unerwünschte Emissionen prüfen lassen, aber der Großteil der Prüfungen ist bereits absolviert. Ich empfehle diese Methode, wenn Sie sich zum ersten Mal an ein IoT-Design wagen.

Nun gut, aber was bedeutet das für mein Design?

Es gibt verschiedene Varianten schwarzer Magie, die in einem RF-Design zusammengerührt werden, darunter Masseverbindung, Rauschreduktion und Impedanzanpassung. Außerdem können viele Bestandteile ungewollt zu Antennen werden, die außerhalb Ihrer Design-Spezifikationen senden und empfangen.

Das bedeutet, dass kleine Änderungen an einem Design die HF-Emissionsfrequenz verschieben, störende Emissionen erzeugen, die Ausgangsleistung verändern und bei Ihrem System Leistungsabgaben an Stellen verursachen können, die Sie nie vermutet hätten. All das zusammen kann dazu führen, dass die Zertifizierungsprüfung nicht bestanden wird.

Um diese Probleme zu lösen, müssen Sie ein paar Dinge im Hinterkopf behalten, während Sie Ihr PCB entwickeln.

• Leiterbahnlängen minimieren.
• Platzieren Sie die High-Speed-Bauteile dicht beieinander, insbesondere bei Mixed-Signal-Designs.
• Nutzen Sie bei der  bewährte Methoden für die Masseverbindung.
• Isolieren Sie Ihre Eingänge. Hochempfindliche Eingänge brauchen möglicherweise eine separate Routing-Lage.
• Mit Bypass-Kondensatoren können Sie das Rauschen in der Umgebung von DC-Bauteilen reduzieren.

Eine kluge Auswahl der Bauteile ist genauso wichtig wie Ihr Layout

In unserem ersten Design kamen kommerzielle Sensoren eines Kleinunternehmens (wahrscheinlich noch kleiner als wir) zum Einsatz, das sich über diese Chance zur Absatzsteigerung freute. Aus verschiedenen Gründen ließen sie ihre Sensoren nie zertifizieren. Das sorgte für eine schöne Überraschung, als wir sie bei einem Prescan (ein günstiger, inoffizieller Test zur Prüfung auf offenkundige Probleme) an unsere Steuerplatine anschlossen. Der Techniker sagte: „Wow, diese Dinger schreien geradezu. Das ist das Übelste, was ich je gesehen habe.“ Seine Worte hatten Gewicht, denn er verfügte über zwölf Jahre Erfahrung mit Produkttests. Zu diesem Zeitpunkt fühlte es sich wie das Ende der Welt an.

Selbstportrait, nachdem wir erkannten, dass die von uns verwendeten Sensoren nicht zertifiziert waren

Wenn Sie dieses Szenario vermeiden wollen, sollten Sie Ihre Bauteile unbedingt im Vorfeld recherchieren. So müssen Sie später nicht händeringend nach Abschirmlösungen suchen oder über den Austausch ihrer Hardware nachdenken. Schauen Sie auch über das PCB hinaus und versuchen Sie im gesamten System, störanfällige Bauteile rauszuwerfen.

• Ein einziges fehlerhaftes Bauteil kann Ihr gesamtes Gerät beeinträchtigen. Achten Sie auf Bauteile wie Sensoren mit langen Leiterbahnen, die Probleme auf das gesamte System ausweiten können.
• Hüten Sie sich vor Leitungen und Kabelverbindungen mit externen Bauteilen, da diese zu kleinen elektromagnetischen Chaos-Strahlern werden können.
• Jeder noch so kleine Oszillator in Ihrem System ist eine mögliche Fehlerquelle. Wählen Sie Bauteile, die bereits in anderen erfolgreichen Designs verbaut wurden, und schirmen Sie sie wann immer möglich ab, um die Megahertz-Schreie zu vermeiden, die wir in unserem Test festgestellt haben.
• Wenn Sie eine modulare Zertifizierung nutzen, können Sie das Modul nur mit den Antennen verwenden, die bei der Originalzertifizierung zugelassen wurden, oder Sie müssen wieder bei Null beginnen.

Schließlich sollten Sie bei den Tests alle Eingänge, Ausgänge und Stromversorgungen an‑ und abklemmen. Stellen Sie sicher, dass Ihre Steckverbinder das Abklemmen ohne nachteilige Auswirkungen Ihre Platine überstehen!

Wenn Sie für die FCC-Zertifizierung von Anfang an ordentlich planen, geht es gleich in Richtung „Happy“.

Die Zertifizierung kann ein verwirrender Prozess sein, also sollten Sie vorausplanen und Ihre Probleme im weiteren Verlauf minimieren. Zum Glück gibt es Tools, die Ihnen dabei helfen.

Professionelle PCB-Design-Software, die zusammen mit Altium Vault zum Einsatz kommt, hilft Ihnen bei der Suche nach Bauteilen, die bereits erfolgreich in Designs verwendet wurden oder die Ihre spezifischen Anforderungen erfüllen. So ist ein einfaches Bestehen der Zertifizierung garantiert. Einige HF-Module sind bereits enthalten. (Dasselbe Unternehmen, Linx Technologies, bietet auch einen schönen Überblick über die Zertifizierung.)

Sobald Sie ein Design erfolgreich durch die Prüfung gebracht haben, können Sie Module aus diesem Design für Ihr nächstes IoT-Produkt wiederverwenden, um sowohl die Entwicklung als auch die Zertifizierung zu vereinfachen. Wenn Sie bereit sind, cleverer zu entwickeln, kontaktieren Sie einen Altium-Vertreter und lassen Sie sich helfen!