Projektowanie PCB dla IoT: Jak planować certyfikację i testy FCC

Kiedy pracowałem nad moim pierwszym produktem z zakresu Internetu rzeczy (IoT), byłem w startupie, który właśnie wyszedł z fazy dwóch facetów w garażu. Dosłownie byłem trzecim pracownikiem. Wszyscy byliśmy mądrzy, pełni entuzjazmu i całkowicie skupieni na dowodzie koncepcji naszego projektu. Jako nowy członek zespołu zakładałem, że istnieje plan na finalizację naszego produktu, uzyskanie wszelkich certyfikatów lub zatwierdzeń sprzętowych i wprowadzenie go na rynek. Spoiler – byłam kompletnie w błędzie. Nauczyliśmy się na własnej skórze, że bez względu na to, jak niesamowity jest twój produkt IoT, nikt go nie doceni, jeśli nie uda ci się go certyfikować i wprowadzić na rynek.

Wiedziałem, że IoT jest wszędzie, albo będzie. Można nosić smartwatche lub opaski fitness, zamawiać detergent przyciskiem w pralni i otrzymywać wiadomość tekstową od wolnowaru, że obiad jest gotowy. Posiadanie tego sprzętu w zasięgu ręki jest fenomenalne! Ponieważ IoT jest wszechobecne w naszym codziennym życiu, zakładałem, że zdobycie jakiejkolwiek certyfikacji będzie trywialne.

Wszystkie te urządzenia IoT zależą od możliwości przesyłania swoich informacji z powrotem do MU-TH-ER, czy jakkolwiek nazywasz „chmurę”, jeśli nie jesteś fanem filmu "Obcy". Cała ta transmisja na częstotliwości radiowej (RF) jest regulowana przez Federalną Komisję Łączności (FCC), aby zapewnić, że żadne urządzenie nie narusza zatwierdzonych częstotliwości innych urządzeń ani nie nadaje na niebezpiecznych poziomach mocy.

Jeśli dodasz tylko moduły RF do swoich produktów, może to prowadzić do ogromnych kar, jeśli twoje produkty nie są odpowiednio testowane i certyfikowane. Te kary są często naliczane za każdy nadajnik za każdy dzień naruszenia, więc koszty szybko rosną, jeśli już wdrożyłeś system.

Chociaż nie zostaliśmy ukarani grzywną, mieliśmy mnóstwo innych problemów z certyfikacją naszego sprzętu. Nie należy lekceważyć znaczenia planowania certyfikacji przed wprowadzeniem produktu na rynek, a nawet przed jego zaprojektowaniem. Certyfikacja jest kosztowna i czasochłonna. Zapewniam cię, że chcesz zaprojektować produkt z myślą o niej od pierwszego dnia, aby uniknąć konieczności ponownego projektowania, ponieważ nie przeszedłeś testów certyfikacyjnych.

Jakiego rodzaju testów i certyfikacji potrzebuję?

Wybór modułu zależy od wymagań twojej aplikacji i może być obszernym procesem. Istnieje kilka narzędzi porównawczych online, które pomogą ci zidentyfikować, co będzie dla ciebie najlepsze, jak Moduł AT&T . Skończysz z modułem w jednej z dwóch kategorii.

Pełne testowanie zgodności EMC i rejestracja

Każde urządzenie będzie wymagało szeregu testów, aby upewnić się, że nie emituje ono emisji elektromagnetycznej przekraczającej limity ustalone przez jakiekolwiek przepisy i wymagania FCC. Następnie należy dopełnić formalności, aby certyfikować i rejestrować twoje urządzenie cyfrowe. Wszystkie projekty odbiorników będą musiały być w pełni certyfikowane, ale możesz być w stanie uprościć sprawy dla swoich nadajników, uzyskując certyfikację modułową.

Certyfikacja modułowa

Niektóre moduły są w zasadzie „wstępnie certyfikowane” i przeszły już przez najbardziej obszerną część procesu certyfikacji FCC. Nadal musisz przetestować swój ukończony system pod kątem niezamierzonych emisji, ale większość testów jest już wykonana. Polecam to podejście na pierwsze wejście w projektowanie IoT.

Dobrze, ale jak to wpływa na mój projekt?

Istnieje wiele różnych czarnych magii, które wchodzą w skład każdego projektu RF, takich jak uziemienie, redukcja szumów i dopasowanie impedancji. Możliwe jest również, że wiele elementów twojego systemu niezamierzenie stanie się antenami, transmitując lub odbierając poza twoimi specyfikacjami projektowymi.

Oznacza to, że małe zmiany w projekcie mogą przesunąć częstotliwość emisji RF, powodować emisje przypadkowe, zmieniać moc wyjściową i sprawiać, że twój system produkuje wyjścia w miejscach, których nigdy byś się nie spodziewał. Zsumuj to wszystko, a otrzymasz niezaliczone testy certyfikacyjne.

Aby wyeliminować te problemy, istnieje kilka rzeczy, które warto mieć na uwadze podczas projektowania twojej PCB.

• Zminimalizuj długość ścieżek
• Zachowaj bliskość komponentów wysokiej prędkości, szczególnie w projektach sygnałów mieszanych
• Stosuj dobre praktyki uziemienia
• Izoluj swoje wejścia. Wejścia o wysokiej czułości mogą nawet wymagać oddzielnej warstwy trasowania
• Używaj kondensatorów przeciwzakłóceniowych, aby zmniejszyć szum wokół komponentów DC

Mądry dobór komponentów jest tak samo ważny jak układ

Nasz pierwszy projekt wykorzystywał komercyjne czujniki od małej firmy (prawdopodobnie mniejszej niż nasza), która była zachwycona szansą zwiększenia swoich sprzedaży. Z różnych powodów nigdy nie certyfikowali swoich czujników. To sprawiło, że mieliśmy niezłą niespodziankę, gdy podłączyliśmy je do naszej płyty sterującej na preskanie (tani, nieoficjalny test, gdzie sprawdzają oczywiste problemy). Technik powiedział: „Wow. Te rzeczy wręcz krzyczą. To najgorsze, co kiedykolwiek widziałem”. Te słowa miały wagę, ponieważ miał 12 lat doświadczenia w testowaniu produktów. W tamtym momencie wydawało się to jak koniec świata.

Aby uniknąć tego scenariusza, zrób trochę badań na początku dotyczących twoich komponentów. To ochroni cię przed koniecznością szukania rozwiązań ekranujących lub zmiany sprzętu. Pamiętaj, aby patrzeć poza swoją PCB i starać się eliminować problematyczne komponenty w całym systemie.

• Pojedynczy wadliwy komponent może być szkodliwym zakłóceniem dla całego twojego urządzenia cyfrowego. Sprawdź, czy nie włączasz do projektu komponentów, takich jak czujniki z długimi ścieżkami, które mogą propagować problemy na cały system.
• Uważaj na przewody i kable łączące z zewnętrznymi komponentami, ponieważ mogą stać się małymi elektromagnetycznymi radiatorami chaosu.
• Każdy pojedynczy oscylator w twoim systemie jest potencjalnym źródłem problemów. Wybieraj komponenty, które były używane w innych udanych projektach, i ekranuj je, kiedy to możliwe, aby uniknąć krzyków MHz, które widzieliśmy w naszym teście.
• Jeśli używasz certyfikacji modułowej, możesz używać modułu tylko z antenami, które zostały zatwierdzone w oryginalnej certyfikacji, w przeciwnym razie będziesz musiał zacząć od początku.

Wreszcie, testowanie może wymagać od ciebie podłączania i odłączania jakichkolwiek wejść, wyjść lub zasilania. Upewnij się, że twoje złącza mogą przetrwać odłączanie bez żadnych negatywnych skutków dla twojej płytki!

Certyfikacja może być procesem mylącym, dlatego ważne jest, aby planować z wyprzedzeniem i minimalizować problemy na dalszym etapie. Na szczęście istnieją narzędzia, które mogą pomóc.

Profesjonalne oprogramowanie do projektowania PCB używane w połączeniu z Altium Vault^® pomaga zidentyfikować komponenty, które zostały pomyślnie użyte w poprzednich projektach, lub które spełniają konkretne wymagania, aby łatwo przejść certyfikację. Niektóre moduły RF są już uwzględnione. (Ta sama firma, Linx Technologies, oferuje również ładny przegląd certyfikacji.)

Po uzyskaniu udanego projektu, możesz ponownie użyć modułów z tego projektu dla twojego kolejnego produktu IoT, aby ułatwić zarówno projektowanie, jak i certyfikację. Jeśli jesteś gotowy, aby zacząć projektować w sposób bardziej przemyślany, skontaktuj się z przedstawicielem Altium Designer, aby zobaczyć, jak mogą pomóc!