IoT용 PCB 설계: FCC 인증 및 테스트 계획 방법

제가 처음으로 사물 인터넷(IoT) 제품을 작업했을 때, 저는 차고에서 두 명이 시작한 단계를 갓 벗어난 스타트업에서 일했습니다. 저는 실제로 세 번째 직원이었습니다. 우리 모두는 똑똑하고 열정적이었으며, 우리의 설계 개념 증명에 완전히 집중했습니다. 새로운 사람으로서, 저는 우리 제품을 완성하고, 필요한 장비 인증이나 승인을 받고, 시장에 출시하는 계획이 이미 있을 것이라고 가정했습니다. 스포일러 경고--저는 완전히 틀렸습니다. 우리는 아무리 놀라운 IoT 제품이라도 인증을 받고 시장에 출시할 수 없다면 아무도 그 가치를 인정하지 않을 것이라는 교훈을 어려운 방식으로 배웠습니다.

IoT가 어디에나 있었거나 곧 그럴 것이라는 것을 알고 있었습니다. 스마트워치나 피트니스 트래커를 착용하거나, 세탁실의 버튼으로 세제를 주문하고, 저녁 식사가 준비되었다는 문자를 슬로우쿠커로부터 받을 수 있습니다. 이러한 장비를 손끝에서 조작할 수 있다는 것은 놀라운 일입니다! IoT가 우리 일상 생활에서 어디에나 존재함에 따라, 어떤 인증도 쉽게 얻을 수 있을 것이라고 생각했습니다.

이 모든 IoT 장치들은 MU-TH-ER나, 에일리언 팬이 아니라면 "클라우드"라고 부르는 것에 정보를 전송할 수 있어야 합니다. 모든 라디오 주파수(RF) 전송은 Federal Communications Commission (FCC)에 의해 규제되어, 어떤 장치도 서로의 승인된 주파수를 침범하거나 안전하지 않은 전력 수준에서 방송하지 않도록 보장합니다.

제품에 RF 모듈만 추가하는 경우, 제품이 제대로 테스트되고 인증되지 않으면 엄청난 벌금을 부과받을 수 있습니다. 이러한 벌금은 종종 위반의 날마다 송신기당 발생하므로, 이미 시스템을 배포한 경우 비용이 빠르게 증가합니다.

우리는 벌금을 내지 않았지만, 장비 인증과 관련하여 다른 많은 문제를 겪었습니다. 제품이 출시되거나 설계되기 전에 인증을 위한 계획의 중요성을 절대 과소평가하지 마십시오. 인증은 비용이 많이 들고 시간이 오래 걸립니다. 첫날부터 인증을 위해 설계하고 인증 테스트를 통과하지 못해 재설계해야 하는 상황을 피하고 싶다는 것을 확신합니다.

어떤 종류의 테스트와 인증이 필요한가요?

모듈 선택은 귀하의 애플리케이션 요구 사항에 따라 달라지며, 광범위한 과정이 될 수 있습니다. AT&T의 모듈 과 같은 여러 온라인 비교 도구를 사용하여 귀하에게 가장 적합한 것이 무엇인지 파악하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 결국 귀하는 두 가지 범주 중 하나의 모듈을 선택하게 될 것입니다.

전체 EMC 준수 테스트 및 등록

모든 장치는 FCC 규칙 및 요구 사항에 의해 설정된 한계를 초과하는 전자기 방출을 생성하지 않는지 확인하기 위해 다양한 테스트를 거쳐야 합니다. 이는 디지털 장치를 인증하고 등록하기 위한 서류 작업을 수반합니다. 모든 수신기 설계는 완전히 인증 받아야 하지만, 모듈 인증을 통해 송신기에 대한 절차를 간소화할 수 있을 것입니다.

모듈 인증

일부 모듈은 기본적으로 "사전 인증"되어 있으며, 이미 FCC 인증 과정의 가장 광범위한 부분을 거쳤습니다. 여전히 의도하지 않은 방출에 대해 완성된 시스템을 테스트해야 하지만, 대부분의 테스트는 이미 완료되었습니다. IoT 설계에 처음으로 도전하는 경우 이 방법을 추천합니다.

그렇다면, 이것이 내 설계에 어떤 영향을 미치나요?

RF 설계에는 접지, 잡음 감소, 임피던스 매칭과 같은 다양한 종류의 블랙 매직이 들어갑니다. 또한, 시스템의 많은 요소들이 의도치 않게 안테나가 되어 설계 사양을 벗어나 송수신할 수 있습니다.

이는 설계의 작은 변경이 RF 방출 주파수를 변경하거나, 스퓨리어스 방출을 일으키거나, 출력 전력을 변경하거나, 예상치 못한 곳에서 시스템이 출력을 생성하게 할 수 있음을 의미합니다. 이 모든 것을 합치면 인증 테스트에 실패하게 됩니다.

이러한 문제를 없애기 위해 PCB를 설계할 때 몇 가지를 염두에 두어야 합니다.

• 트레이스 길이 최소화
• 고속 구성 요소를 서로 가까이 배치하세요, 특히 혼합 신호 설계에서는 더욱 그렇습니다
• 좋은 접지 방법
• 을 사용하세요. 고감도 입력은 별도의 라우팅 레이어가 필요할 수도 있습니다
• 바이패스 캐패시터를 사용하여 DC 구성 요소 주변의 노이즈를 줄이세요

스마트한 구성 요소 선택은 레이아웃만큼 중요합니다

처음 설계에서는 우리보다 작은 회사(아마도 우리보다 작은)에서 제공한 상용 센서를 사용했습니다. 그 회사는 판매량을 늘릴 기회에 매우 기뻐했습니다. 여러 가지 이유로 그들은 센서를 인증하지 않았습니다. 이것은 우리가 제어 보드에 연결했을 때 재미있는 놀라움을 안겨주었습니다. 사전 검사(명백한 문제를 확인하기 위한 비공식적이고 저렴한 테스트)에서 기술자가 말했습니다. "와. 저것들 정말 시끄럽네요. 제가 본 것 중 최악이에요." 그 말은 그가 제품을 테스트한 12년의 경험을 가진 사람의 말이었기에 무게가 있었습니다. 당시에는 세상의 끝처럼 느껴졌습니다.

이 시나리오를 피하기 위해서는, 구성 요소에 대해 사전에 약간의 조사를 하는 것이 좋습니다. 이렇게 하면 차폐 솔루션을 찾거나 하드웨어를 변경하려고 애쓰는 상황을 피할 수 있습니다. PCB를 넘어서 전체 시스템에서 문제가 되는 구성 요소를 제거하려고 노력하는 것을 잊지 마십시오.

• 단 하나의 결함 있는 구성 요소가 전체 디지털 장치와의 해로운 간섭이 될 수 있습니다. 장거리 트레이스를 가진 센서와 같이 시스템 전체에 문제를 전파할 수 있는 구성 요소를 포함하고 있는지 확인하십시오.
• 외부 구성 요소에 연결되는 전선과 케이블도 주의하십시오. 이들은 작은 전자기 방사의 혼돈이 될 수 있습니다.
• 시스템의 모든 단일 발진기는 문제의 가능한 원천입니다. 다른 성공적인 디자인에 포함된 구성 요소를 선택하고 가능한 경우 차폐하여 우리가 테스트에서 본 MHz의 비명을 피하십시오.
• 모듈 인증을 사용하는 경우, 원래 인증에서 승인된 안테나와 함께만 모듈을 사용할 수 있으며, 그렇지 않으면 처음부터 다시 시작해야 합니다.

마지막으로, 테스트는 입력, 출력 또는 전원 공급 장치를 연결하거나 분리해야 할 수도 있습니다. 커넥터가 분리될 때 보드에 부정적인 영향을 미치지 않고 견딜 수 있는지 확인하십시오!

인증은 혼란스러운 과정일 수 있으므로, 미리 계획을 세우고 나중에 발생할 수 있는 문제를 최소화하는 것이 중요합니다. 다행히도 도움이 되는 도구들이 있습니다.

전문 PCB 설계 소프트웨어는 Altium Vault^®와 함께 사용하여 이전 설계에서 성공적으로 사용된 구성 요소를 식별하거나 인증을 쉽게 통과할 수 있는 특정 요구 사항을 충족하는 구성 요소를 찾는 데 도움을 줍니다. 일부 RF 모듈은 이미 포함되어 있습니다. (동일한 회사인 Linx Technologies는 인증에 대한 좋은 개요도 제공합니다.)

성공적인 설계를 완료하면, 그 설계에서 모듈을 재사용하여 다음 IoT 제품의 설계와 인증을 더 쉽게 만들 수 있습니다. 더 스마트하게 설계하기 시작할 준비가 되셨다면, Altium Designer 대표에게 연락하여 어떻게 도움을 줄 수 있는지 알아보세요!