Проектирование печатных плат для IoT: Как подготовиться к сертификации и тестированию FCC

Когда я работал над своим первым продуктом в области интернета вещей (IoT), я был в стартапе, который только что вышел из стадии "двое парней в гараже". Я буквально был третьим сотрудником. Мы все были умны, полны энтузиазма и полностью сосредоточены на доказательстве концепции нашего дизайна. Будучи новичком, я предполагал, что у нас есть план по завершению нашего продукта, получению необходимых сертификаций или одобрений и выходу на рынок. Спойлер – я был абсолютно не прав. Мы узнали об этом тяжелым путем: неважно, насколько потрясающим является ваш продукт IoT, никто не оценит его, если вы не сможете его сертифицировать и вывести на рынок.

Я знал, что IoT есть везде, или скоро будет. Вы могли носить умные часы или фитнес-трекеры, заказывать моющее средство с помощью кнопки в прачечной и получать сообщение от вашего мультиварки, что ужин готов. Иметь такое оборудование под рукой - это феноменально! Учитывая, что IoT проник в нашу повседневную жизнь, я предполагал, что получение любой сертификации будет тривиальным.

Все эти устройства IoT зависят от возможности передавать свою информацию обратно в MU-TH-ER, или как вы называете "облако", если вы не фанат "Чужого". Вся эта радиочастотная (RF) передача регулируется Федеральной комиссией по связи (FCC), чтобы гарантировать, что любое устройство не нарушает утвержденные частоты друг друга или не передает сигнал на опасных уровнях мощности.

Если вы добавляете только RF модули в свои продукты, это может привести к огромным штрафам, если ваши продукты не протестированы и не сертифицированы должным образом. Эти штрафы часто начисляются за каждый передатчик за каждый день нарушения, поэтому расходы быстро нарастают, если вы уже развернули систему.

Хотя нас и не оштрафовали, у нас было множество других проблем с сертификацией нашего оборудования. Не недооценивайте важность заблаговременного планирования сертификации до запуска вашего продукта или даже до его разработки. Сертификация обходится дорого и занимает много времени. Уверяю вас, вы захотите спроектировать его с учетом этого с первого дня, чтобы избежать повторного проектирования из-за того, что вы не прошли сертификационное тестирование.

Какие виды тестирования и сертификации мне нужны?

Выбор модуля зависит от требований вашего приложения и может быть обширным процессом. Существует несколько онлайн-инструментов сравнения, которые помогут вам определить, что будет лучше всего для вас, например, Модуль AT&T. В итоге вы получите модуль одного из двух типов.

Полное тестирование на соответствие EMC и регистрация

Любое устройство потребует ряда тестов, чтобы убедиться, что оно не излучает электромагнитные помехи, превышающие установленные любым правилом и требованием FCC. За этим следует оформление документов для сертификации и регистрации вашего цифрового устройства. Все конструкции приемников должны быть полностью сертифицированы, но вы можете упростить процесс для ваших передатчиков, используя модульную сертификацию.

Модульная сертификация

Некоторые модули по сути являются «предварительно сертифицированными» и уже прошли наиболее обширную часть процесса сертификации FCC. Вам все еще нужно протестировать вашу готовую систему на непреднамеренные излучения, но большая часть тестирования уже выполнена. Я рекомендую этот подход для первого знакомства с проектированием IoT.

Хорошо, но как это повлияет на мой дизайн?

В любой конструкции РЧ есть различные аспекты черной магии, такие как заземление, снижение шума и согласование импедансов. Также возможно, что многие элементы вашей системы могут непреднамеренно стать антеннами, передающими или принимающими сигналы вне ваших технических характеристик.

Это означает, что небольшие изменения в конструкции могут сдвинуть частоту РЧ излучения, вызвать спурийные излучения, изменить выходную мощность и заставить вашу систему выдавать сигналы там, где вы этого не ожидали. Все это в сумме может привести к провалу при сертификационном тестировании.

Чтобы избежать этих проблем, есть несколько моментов, которые следует учитывать при проектировании вашей печатной платы.

• Минимизируйте длину трасс
• Размещайте компоненты с высокой скоростью работы близко друг к другу, особенно в смешанных сигнальных схемах
• Используйте хорошие практики заземления
• Изолируйте ваши входы. Входы с высокой чувствительностью могут даже требовать отдельного слоя трассировки
• Используйте байпасные конденсаторы для уменьшения шумов вокруг компонентов постоянного тока

Умный выбор компонентов так же важен, как и ваша компоновка

В нашем первом проекте мы использовали коммерческие датчики от небольшой компании (вероятно, меньше нашей), которая была в восторге от возможности увеличить свои продажи. По разным причинам они никогда не сертифицировали свои датчики. Это стало веселым сюрпризом, когда мы подключили их к нашей управляющей плате на предварительной проверке (дешевый, неофициальный тест, где проверяют на наличие очевидных проблем). Техник сказал: «Вау. Эти штуки просто кричат. Это худшее, что я когда-либо видел». Эти слова имели вес, так как у него было 12 лет опыта тестирования продукции. В тот момент это казалось концом света.

Чтобы избежать этой ситуации, немного изучите заранее ваши компоненты. Это избавит вас от необходимости искать решения для экранирования или изменения вашего оборудования. Помните, что нужно смотреть не только на вашу печатную плату, но и пытаться устранить проблемные компоненты во всей системе.

• Один неисправный компонент может стать источником вредных помех для всего вашего цифрового устройства. Проверьте, не включаете ли вы компоненты, такие как датчики с длинными трассами, которые могут распространять проблемы на всю систему.
• Остерегайтесь проводов и кабелей, соединяющих с внешними компонентами, так как они могут стать маленькими электромагнитными излучателями хаоса.
• Каждый осциллятор в вашей системе является возможным источником проблем. Выбирайте компоненты, которые были использованы в других успешных проектах, и по возможности экранируйте их, чтобы избежать МГц криков, которые мы видели в нашем тесте.
• Если вы используете модульную сертификацию, вы можете использовать модуль только с антеннами, которые были одобрены в оригинальной сертификации, иначе вам придется начать с нуля.

Наконец, тестирование может потребовать от вас подключения и отключения любых входов, выходов или источников питания. Убедитесь, что ваши разъемы могут выдержать отключение без каких-либо негативных последствий для вашей платы!

Сертификация может быть запутанным процессом, поэтому важно заранее спланировать и минимизировать возможные проблемы на пути. К счастью, существуют инструменты, которые могут помочь.

Профессиональное программное обеспечение для проектирования печатных плат в сочетании с Altium Vault^® помогает вам определить компоненты, которые были успешно использованы в предыдущих проектах, или которые соответствуют вашим конкретным требованиям для легкого прохождения сертификации. Некоторые модули RF уже включены. (Та же компания, Linx Technologies, также предлагает хороший обзор сертификации.)

Как только у вас получится успешный дизайн, вы можете повторно использовать модули из этого проекта для вашего следующего продукта IoT, чтобы упростить как дизайн, так и сертификацию. Если вы готовы начать проектировать умнее, свяжитесь с представителем Altium Designer, чтобы узнать, как они могут помочь!