Projetando PCBs para IoT: Como Planejar para a Certificação e Testes da FCC

Quando trabalhei no meu primeiro produto de internet das coisas (IoT), eu estava em uma startup que acabava de passar da fase dos dois caras na garagem. Eu era literalmente o terceiro empregado. Todos nós éramos inteligentes, entusiasmados e totalmente focados na prova de conceito do nosso design. Como o recém-chegado, eu assumi que havia um plano em vigor para finalizar nosso produto, obter quaisquer certificações ou aprovações de equipamentos e colocá-lo no mercado. Alerta de spoiler--Eu estava completamente errado. Aprendemos da maneira mais difícil que, não importa quão incrível seja o seu produto de IoT, ninguém vai apreciá-lo se você não conseguir certificá-lo e colocá-lo no mercado.

Eu sabia que o IoT estava em todo lugar, ou que estaria. Você poderia usar smartwatches ou monitores de atividade física, pedir detergente por um botão na lavanderia e ter sua panela elétrica avisando por mensagem que o jantar está pronto. Ter esse equipamento ao seu alcance é fenomenal! Com o IoT sendo onipresente em nosso dia a dia, eu assumi que obter qualquer certificação seria trivial.

Todos esses dispositivos IoT dependem da capacidade de transmitir suas informações de volta para MU-TH-ER, ou o que quer que você chame de “a nuvem” se você não é fã de Alien. Toda essa transmissão de frequência de rádio (RF) é regulada pela Comissão Federal de Comunicações (FCC), para garantir que qualquer dispositivo não esteja invadindo as frequências aprovadas de outros ou transmitindo em níveis de potência inseguros.

Se você apenas adicionar módulos RF aos seus produtos, isso pode levar a multas enormes se seus produtos não forem devidamente testados e certificados. Essas multas são frequentemente por transmissor por dia de violação, então os custos aumentam rapidamente se você já implantou um sistema.

Embora não tenhamos sido multados, tivemos muitos outros problemas com a certificação do nosso equipamento. Não subestime a importância de planejar com antecedência a certificação antes do lançamento do seu produto, ou mesmo antes de desenhá-lo. A certificação é cara e consome muito tempo. Garanto-lhe, você vai querer projetar pensando nisso desde o primeiro dia e evitar uma revisão porque você não passou nos testes de certificação.

Que tipo de testes e certificação eu preciso?

Selecionar um módulo depende dos requisitos da sua aplicação e pode ser um processo extenso. Existem várias ferramentas de comparação online para ajudá-lo a identificar o que funcionará melhor para você, como Módulo da AT&T. Você acabará com um módulo em uma de duas categorias.

Testes de Conformidade Total com EMC e Registro

Qualquer dispositivo exigirá uma série de testes para garantir que não esteja produzindo nenhuma emissão eletromagnética que exceda os limites estabelecidos por qualquer regra e requisito da FCC. Isso é seguido de documentação para certificar e registrar seu dispositivo digital. Todos os designs de receptores precisarão ser totalmente certificados, mas você pode ser capaz de simplificar as coisas para seus transmissores com uma certificação modular.

Certificação Modular

Alguns módulos são basicamente "pré-certificados" e já passaram pela parte mais extensa do processo de certificação da FCC. Você ainda precisa fazer com que seu sistema completo seja testado para emissões não intencionais, mas a maior parte dos testes já foi realizada. Eu recomendo essa abordagem para uma primeira incursão no design de IoT.

Ok, mas como isso afeta meu design?

Existem várias formas de magia negra que entram em qualquer design de RF, como aterramento, redução de ruído e casamento de impedância. Também é possível que muitos elementos do seu sistema se tornem antenas não intencionais, transmitindo ou recebendo fora das suas especificações de design.

Isso significa que pequenas alterações em um design podem alterar a frequência de emissão de RF, causar emissões espúrias, mudar a potência de saída e fazer com que seu sistema produza saídas em lugares que você nunca esperou. Some tudo isso e você terá um teste de certificação falho.

Para eliminar esses problemas, há várias coisas a ter em mente enquanto você está projetando sua PCB.

• Minimize o comprimento das trilhas
• Mantenha componentes de alta velocidade próximos uns dos outros, especialmente em designs de sinal misto
• Utilize boas práticas de aterramento
• Isole suas entradas. Entradas de alta sensibilidade podem até requerer uma camada de roteamento separada
• Use capacitores de desacoplamento para reduzir ruídos em torno de componentes DC

A seleção inteligente de componentes é tão importante quanto o seu layout

Nosso primeiro design utilizou sensores comerciais de uma pequena empresa (provavelmente menor que a nossa) que ficou entusiasmada com a chance de aumentar suas vendas. Por várias razões, eles nunca certificaram seus sensores. Isso resultou em uma surpresa interessante quando os conectamos à nossa placa de controle em um pré-exame (um teste barato e não oficial onde verificam-se problemas óbvios). O técnico disse, “Nossa. Essas coisas estão gritando. Isso é o pior que eu já vi.” Essas palavras tiveram peso, já que ele tinha 12 anos de experiência testando produtos. Naquele momento, parecia o fim do mundo.

Para evitar esse cenário, faça uma pequena pesquisa antecipadamente sobre seus componentes. Isso vai evitar que você fique correndo atrás de soluções de blindagem ou tendo que alterar seu hardware. Lembre-se de olhar além da sua PCB e tentar eliminar componentes problemáticos em todo o sistema.

• Um único componente defeituoso pode ser uma interferência prejudicial para todo o seu dispositivo digital. Verifique se você está incluindo componentes, como sensores com longos traços, que podem propagar problemas para o sistema como um todo.
• Cuidado com fios e cabos conectando a componentes externos, pois eles podem se tornar pequenos radiadores eletromagnéticos de caos.
• Cada oscilador em seu sistema é uma possível fonte de problemas. Escolha componentes que foram incluídos em outros designs de sucesso e blindá-los sempre que possível para evitar os gritos de MHz que vimos em nosso teste.
• Se você está usando uma certificação modular, você só pode usar o módulo com antenas que foram aprovadas na certificação original ou terá que começar do zero.

Finalmente, os testes podem exigir que você conecte e desconecte quaisquer entradas, saídas ou fontes de alimentação. Certifique-se de que seus conectores possam sobreviver ao desplugar sem quaisquer efeitos adversos na sua placa!

A certificação pode ser um processo confuso, por isso é importante planejar com antecedência e minimizar seus problemas futuros. Felizmente, existem ferramentas que podem ajudar.

Software Profissional de Design de PCB usado em conjunto com Altium Vault^® ajuda você a identificar componentes que foram usados com sucesso em projetos anteriores, ou que atendem aos seus requisitos específicos para passar na certificação facilmente. Alguns módulos de RF já estão incluídos. (A mesma empresa, Linx Technologies, também oferece uma boa visão geral sobre certificação.)

Uma vez que você tenha um design bem-sucedido, você pode reutilizar módulos desse design para seu próximo produto IoT para tornar tanto o design quanto a certificação mais fáceis. Se você está pronto para começar a projetar de maneira mais inteligente, entre em contato com um representante do Altium Designer para ver como eles podem ajudar!