Thiết kế PCB cho IoT: Lập kế hoạch cho Chứng nhận và Kiểm tra FCC

Khi tôi làm việc trên sản phẩm internet vạn vật (IoT) đầu tiên của mình, tôi ở trong một startup vừa qua giai đoạn hai anh chàng trong garage. Tôi thực sự là nhân viên thứ ba. Chúng tôi đều thông minh, nhiệt huyết và hoàn toàn tập trung vào việc chứng minh ý tưởng thiết kế của mình. Là người mới, tôi giả định rằng đã có một kế hoạch cho việc hoàn thiện sản phẩm của chúng tôi, lấy bất kỳ chứng nhận hoặc phê duyệt thiết bị nào, và đưa nó ra thị trường. Cảnh báo trước--tôi hoàn toàn sai lầm. Chúng tôi đã học được một cách khó khăn rằng không quan trọng sản phẩm IoT của bạn tuyệt vời như thế nào, không ai sẽ đánh giá cao nó nếu bạn không thể chứng nhận và đưa nó ra thị trường.

Tôi biết IoT có mặt ở khắp mọi nơi, hoặc sẽ sớm trở nên như vậy. Bạn có thể đeo đồng hồ thông minh hoặc vòng đeo sức khỏe, đặt hàng nước giặt từ một nút trong phòng giặt, và có nồi cơm điện nhắn tin cho bạn biết bữa tối đã sẵn sàng. Việc có những thiết bị này ngay tại đầu ngón tay thật tuyệt vời! Với IoT trở nên phổ biến trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, tôi cho rằng việc đạt được bất kỳ chứng chỉ nào cũng sẽ rất đơn giản.

Tất cả các thiết bị IoT này đều phụ thuộc vào khả năng truyền đạt thông tin trở lại MU-TH-ER, hoặc bất cứ thứ gì bạn gọi là “đám mây” nếu bạn không phải là fan của Alien. Tất cả sự truyền đạt tần số vô tuyến (RF) này được quản lý bởi Ủy ban Truyền thông Liên bang (FCC), để đảm bảo rằng bất kỳ thiết bị nào không xâm phạm vào các tần số được phê duyệt của nhau hoặc phát sóng ở mức công suất không an toàn.

Nếu bạn chỉ thêm mô-đun RF vào sản phẩm của mình, điều này có thể dẫn đến những khoản phạt lớn nếu sản phẩm của bạn không được kiểm tra và chứng nhận đúng cách. Những khoản phạt này thường tính theo mỗi bộ phát mỗi ngày vi phạm, vì vậy chi phí có thể tăng nhanh chóng nếu bạn đã triển khai một hệ thống.

Mặc dù chúng tôi không bị phạt, nhưng chúng tôi đã gặp phải nhiều vấn đề khác liên quan đến việc chứng nhận thiết bị của mình. Đừng xem nhẹ tầm quan trọng của việc lên kế hoạch trước cho việc chứng nhận trước khi sản phẩm của bạn được ra mắt, hoặc thậm chí là được thiết kế. Việc chứng nhận tốn kém và mất thời gian. Tôi đảm bảo với bạn, bạn sẽ muốn thiết kế cho nó ngay từ ngày đầu tiên và tránh việc phải làm lại vì bạn không vượt qua được bài kiểm tra chứng nhận.

Bạn cần loại kiểm tra và chứng nhận nào?

Việc chọn một mô-đun phụ thuộc vào yêu cầu ứng dụng của bạn, và có thể là một quá trình rộng lớn. Có một số công cụ so sánh trực tuyến để giúp bạn xác định cái nào phù hợp nhất với bạn, như Module của AT&T. Bạn sẽ kết thúc với một mô-đun trong một trong hai danh mục.

Kiểm tra và Đăng ký Tuân thủ EMC Đầy đủ

Mọi thiết bị sẽ cần một loạt các bài kiểm tra để đảm bảo rằng chúng không phát ra bất kỳ bức xạ điện từ nào vượt quá giới hạn do bất kỳ quy tắc và yêu cầu nào của FCC đặt ra. Điều này được theo sau bằng việc làm giấy tờ để chứng nhận và đăng ký thiết bị số của bạn. Tất cả các thiết kế bộ thu sẽ cần phải được chứng nhận đầy đủ, nhưng bạn có thể đơn giản hóa mọi thứ cho các bộ phát của mình với một chứng nhận mô-đun.

Chứng nhận Mô-đun

Một số mô-đun cơ bản là "đã được chứng nhận trước" và đã trải qua phần lớn quá trình chứng nhận FCC. Bạn vẫn cần phải kiểm tra hệ thống hoàn chỉnh của mình về phát thải không chủ ý, nhưng phần lớn các bài kiểm tra đã được thực hiện. Tôi khuyên bạn nên áp dụng cách tiếp cận này cho lần đầu tiên tham gia vào thiết kế IoT.

Vậy, điều này ảnh hưởng như thế nào đến thiết kế của tôi?

Có nhiều phương pháp phức tạp khác nhau được áp dụng vào bất kỳ thiết kế RF nào, như đất, giảm nhiễu, và khớp trở kháng. Cũng có khả năng nhiều thành phần của hệ thống bạn không chủ ý trở thành ăng-ten, phát sóng hoặc nhận sóng ngoài thông số thiết kế của bạn.

Điều này có nghĩa là những thay đổi nhỏ trong thiết kế có thể thay đổi tần số phát sóng RF, gây ra phát thải không mong muốn, thay đổi công suất đầu ra, và khiến hệ thống của bạn sản xuất ra tín hiệu ở những nơi bạn không bao giờ mong đợi. Tổng hợp tất cả lại và bạn sẽ nhận được một kết quả kiểm tra chứng nhận thất bại.

Để loại bỏ những vấn đề đó, có một số điều cần ghi nhớ khi bạn đang thiết kế PCB của mình.

• Giảm thiểu chiều dài mạch in
• Giữ các linh kiện tốc độ cao gần nhau, đặc biệt là trong các thiết kế tín hiệu hỗn hợp
• Sử dụng các phương pháp nối đất tốt
• Cách ly các đầu vào của bạn. Các đầu vào có độ nhạy cao thậm chí có thể yêu cầu một lớp định tuyến riêng biệt
• Sử dụng tụ bypass để giảm nhiễu xung quanh các thành phần DC

Việc lựa chọn linh kiện thông minh cũng quan trọng như bố cục của bạn

Thiết kế đầu tiên của chúng tôi sử dụng cảm biến thương mại từ một công ty nhỏ (có lẽ nhỏ hơn cả công ty chúng tôi) và rất vui mừng với cơ hội tăng doanh số bán hàng. Vì nhiều lý do, họ chưa bao giờ chứng nhận cảm biến của mình. Điều này tạo nên một bất ngờ thú vị khi chúng tôi kết nối chúng với bảng điều khiển của mình trong một lần kiểm tra sơ bộ (một thử nghiệm không chính thức giá rẻ để kiểm tra các vấn đề rõ ràng). Kỹ thuật viên nói: “Wow. Những thứ này đang kêu lên ầm ĩ. Đây là điều tệ nhất mà tôi từng thấy.” Những lời này có trọng lượng lớn vì anh ta đã có 12 năm kinh nghiệm thử nghiệm sản phẩm. Lúc đó, nó giống như ngày tận thế.

Để tránh tình huống này, hãy nghiên cứu một chút về các linh kiện của bạn ngay từ đầu. Điều này sẽ giúp bạn tránh việc phải tìm kiếm giải pháp chắn nhiễu hoặc thay đổi phần cứng của bạn. Hãy nhớ nhìn xa hơn PCB của bạn và cố gắng loại bỏ các linh kiện gây rắc rối trong toàn bộ hệ thống.

• Một linh kiện hỏng có thể gây nhiễu hại cho toàn bộ thiết bị số của bạn. Kiểm tra xem bạn có đang sử dụng bất kỳ linh kiện nào, chẳng hạn như cảm biến có dây dài, có thể truyền nhiễu đến toàn bộ hệ thống không.
• Chú ý đến các dây cáp kết nối với các linh kiện ngoài vì chúng có thể trở thành những bộ phát xạ điện từ nhỏ gây ra sự hỗn loạn.
• Mỗi bộ dao động trong hệ thống của bạn đều có thể là một nguồn gây rắc rối. Chọn các linh kiện đã được sử dụng trong các thiết kế thành công khác và che chắn chúng bất cứ khi nào có thể để tránh những tiếng hét MHz mà chúng tôi đã thấy trong thử nghiệm của mình.
• Nếu bạn đang sử dụng chứng nhận mô-đun, bạn chỉ có thể sử dụng mô-đun với các ăng-ten đã được phê duyệt trong chứng nhận ban đầu hoặc bạn sẽ phải bắt đầu lại từ đầu.

Cuối cùng, thử nghiệm có thể yêu cầu bạn kết nối và ngắt kết nối các đầu vào, đầu ra hoặc nguồn cấp điện. Hãy đảm bảo rằng các đầu nối của bạn có thể chịu được việc ngắt kết nối mà không gây ảnh hưởng xấu đến bảng mạch của bạn!

Chứng nhận có thể là một quá trình phức tạp, vì vậy việc lập kế hoạch trước và giảm thiểu các vấn đề về sau là rất quan trọng. May mắn thay, có những công cụ có thể giúp đỡ.

Phần mềm thiết kế PCB chuyên nghiệp sử dụng cùng với Altium Vault^® giúp bạn xác định các linh kiện đã được sử dụng thành công trong các thiết kế trước đó hoặc đáp ứng các yêu cầu cụ thể của bạn để vượt qua chứng nhận một cách dễ dàng. Một số mô-đun RF đã được bao gồm. (Cùng một công ty, Linx Technologies, cũng cung cấp một tổng quan tốt về quy trình chứng nhận.)

Khi bạn có một thiết kế thành công, bạn có thể tái sử dụng các mô-đun từ thiết kế đó cho sản phẩm IoT tiếp theo của bạn để làm cho cả việc thiết kế và chứng nhận trở nên dễ dàng hơn. Nếu bạn đã sẵn sàng bắt đầu thiết kế thông minh hơn, hãy liên hệ với một đại diện Altium Designer để xem họ có thể giúp bạn như thế nào!