Kannettavan EMF-mittarin piirilevysuunnittelu: Signaalin eheys, asettelu ja piirilevyjen valmistus

Kannettava EMF-mittarin piirilevy on epätavallinen, koska valmistettavissa oleva elektroniikka voi tuottaa samanlaisia ​​kenttiä, joita laitteen on tarkoitus havaita. Hakkurisäätimet, MCU-kellot, näyttöväylät, USB, langattomat radiot ja suurvirtaiset LED- tai summerisilmukat voivat kaikki olla sisäisiä häiriölähteitä. Piirilevyn asettelu, tehoarkkitehtuuri ja mekaanisten anturien sijoittelu vaikuttavat siis suoraan mittauslaatuun.

Termi EMF-mittari kattaa myös useita eri laitteita. Yksi tuote voi mitata matalataajuista sähkökenttää, toinen magneettivuon tiheyttä ja kolmas radiotaajuista sähkömagneettista energiaa. Nämä mittaukset vaativat erilaisia ​​antureita, kaistanleveyksiä ja analogisia etuliitteitä. Valmistuksen tulisi säilyttää julkaistu arkkitehtuuri sen sijaan, että jokaista EMF-mittaria kohdeltaisiin geneerisenä anturilevynä.

Highleap Electronics voi tukea asiakkaiden omistamia suunnitelmia piirilevyjen valmistuksessa, komponenttien hankinnassa, SMT/THT-kokoonpanossa, tarkastuksissa, ohjelmoinnissa ja asiakkaan määrittelemissä toiminnallisissa testeissä. Alla olevat osiot keskittyvät valmistusvalintoihin, jotka auttavat suunnittelutiimiä siirtämään hiljaisen laitteen prototyypistä toistettavaksi piirilevyjen tuotannoksi.

Sähkökenttä-, magneettikenttä- ja radiotaajuusmittarit tarvitsevat erilaiset etupäät

Ensimmäinen suunnittelupäätös on mitattava suure. Sähkökenttäanturi voi priorisoida erittäin suurta tuloimpedanssia ja kontrolloitua kapasitanssia. Magneettikenttämittari voi käyttää mittauskelaa, Hall-kytkintä tai muuta magneettianturia. RF-mittari voi käyttää antennia tai kenttäanturia, jota seuraa laajakaistainen tai kaistarajoitettu ilmaisinketju. Vaikka käyttöliittymä näyttää samalta, piirilevyn vaatimukset voivat olla täysin erilaiset.

Merkityksellisen tarjouspyynnön tulisi siksi sisältää anturin/mittapään rajapinnan ja aiotun mittausalueen. Nämä tiedot kertovat valmistajalle, onko näennäisesti pieni osa itse asiassa tarkkuus-, vähävuotoinen vai radiotaajuuskriittinen komponentti ja tarvitseeko piirilevypino määritellyn impedanssin vai yksinkertaisesti hyvän matalataajuisen maadoituksen.

Digitaalinen osa on yleensä tavanomainen – mikrokontrolleri, näyttö, tiedonkeruu, USB, valinnainen Bluetooth ja akun hallinta – mutta se on sijoitettava mittausosan ympärille sen sijaan, että se sanelisi koko piirilevyn asettelua. Tämä prioriteettijärjestys on yksi tärkeimmistä eroista mittauslaitteen piirilevyn ja tavallisen kuluttajaohjaimen välillä.

Miten piirilevyn asettelu vaikuttaa EMF-mittarin mittaustarkkuuteen

Vaarallisin kohinalähde on usein itse tuotettu. Hakkurimuunnin voi luoda voimakkaita sähköisiä ja magneettisia lähikenttiä induktorinsa, kuumasilmukansa ja kytkentäsolmunsa ympärille. Mikrokontrollerin kello voi tuottaa harmonista energiaa, joka on paljon perustaajuutensa yläpuolella. Näyttöliittymät voivat kytkeä useita linjoja samanaikaisesti, ja BLE-lähetin lähettää tarkoituksella radiotaajuusenergiaa. Jos tunnistuselementti on riittävän lähellä, nämä lähteet voivat näkyä kelvollisena mittaussisältönä.

Aseta anturi mittauskohdasta ulospäin

Anturin sijainti tulee koordinoida kotelon kanssa ennen kuin piirilevyn muut osat reititetään tiiviisti. Insinöörien on kysyttävä, mitä anturin on tarkoitus nähdä ja mitkä sisäiset rakenteet ovat lähimpänä sitä: akku, kuparilevy, suojakotelo, näyttö, kaapeli, moottori, magneetit vai latauskäämi. Levyn reunassa oleva anturi voi vähentää digitaalisen elektroniikan kytkentää, mutta vain jos kotelo ja maadoituksen geometria tukevat tätä valintaa.

Pidä kohinaiset virtasilmukat kompakteina

Muuntimen virta ei seuraa kytkentäkaaviota; se seuraa fyysistä kuparin ja komponenttien sijoittelua. Suurten di/dt-silmukoiden tulisi olla kompakteja ja pitää poissa etupäästä. Summerin, värinämoottorin ja näytön taustavalon virrat tarvitsevat myös paluureitit, jotka eivät kulje matalan tason mittausreferenssin kautta. Sama periaate pätee USB-suojaus-/ESD-virtoihin ja akun lataustransientteihin.

Älä reititä nopeita digitaalisignaaleja herkkien analogisten solmujen alle

Jatkuva referenssitaso auttaa eristämään digitaalisten jälkien kenttiä, mutta nopean kellon sijoittamisesta suoraan suuri-impedanssisen vahvistintulon alle ei ole juurikaan hyötyä. Herkän reitityksen tulisi olla lyhyt, ja etäisyyden kytkentäsolmuista ja digitaaliväylistä tulisi olla harkittu. Monikerroksisilla piirilevyillä kerrosten määritys voi tarjota hyödyllistä eristystä, mutta sijoittelu on edelleen ensimmäinen puolustuslinja.

Vähäkohinaisen tehon suunnittelu: LDO vs. kytkentäsäädin

Kannettavien mittareiden on oltava sekä hiljaisia ​​että pitkän pariston käyttöiän omaavia, mikä luo todellisen kompromissin suunnittelussa. LDO voi tarjota suhteellisen hiljaisen kiskon ja yksinkertaisen asettelun, mutta se haihduttaa tulon ja lähdön välisen jännite-eron lämpönä. Hakkurisäädin on tehokkaampi laajalla paristojännitealueella, mutta se aiheuttaa kytkentätaajuuden, harmonisia yliaaltoja ja suurvirtasilmukoita, jotka voivat osua laitteen mittauskaistan sisälle tai lähelle sitä.

Oikea ratkaisu riippuu anturin kaistanleveydestä, akun kemiasta, virrankulutuksesta ja mittaustason pohjasta. Jos mittarin on tarkoitus havaita kenttiä muuntimen kytkentätaajuuden ympäristössä, muuntimen siirtäminen "hieman kauemmas" ei välttämättä riitä. Jotkut tuotteet voivat suorittaa meluisten alijärjestelmien käyttöjakson mittausvälin aikana; toiset eivät voi, koska näytön ja tiedonsiirron on pysyttävä toiminnassa. Siksi laiteohjelmiston toimintatilat ja piirilevyn virrankulutusarkkitehtuuri tulisi tarkastella yhdessä.

Valmistuksessa regulaattorien korvaaminen vaatii varovaisuutta. Kahden pinnillä yhteensopivilla muuntimilla voi olla erilaiset kytkentätaajuudet, hajaspektrikäyttäytyminen, kevyen kuormituksen tilat ja transienttiominaisuudet. Kustannusperusteinen vaihtoehto voi muuttaa mittarin sisäistä kohinaspektriä, vaikka lähtöjännite olisi sama.

Maadoitus, suojaus ja anturin etäisyys

Vähäkohinaista kytkentää kuvataan usein "erillisinä analogisina ja digitaalisina maadoina", mutta todellinen ongelma on virran paluu. Maatason jakaminen voi pakottaa digitaaliset signaalit ylittämään raon, mikä lisää silmukan pinta-alaa ja säteilyä. Jatkuva taso, jossa komponentit ja virtareitit on tarkoituksella jaettu, on usein ennustettavampi. Kun referenssisuunnittelussa määritellään jaettu tai tähtikytkentä, kyseinen rakenne tulisi säilyttää tarkasti eikä yleistää säännöksi kaikille mittareille.

Suojauksella tulisi olla mittaustarkoitus

Suoja voi vähentää kytkentää MCU:sta, näytöstä tai muuntimesta analogiseen etupäähän, mutta metalli muuttaa myös sähkökentän jakautumista, RF-impedanssia ja anturin vastetta. Koko anturin peittävä suoja voi estää mittauksen. Suunnittelijan tulee määrittää, onko suojan tarkoitus sisältää sisäinen emitteri, suojata vahvistinta, muodostaa paikallinen referenssi vai olla osa RF-rakennetta.

Etäisyys voi olla tehokkaampaa kuin monimutkaisuus

Lähikenttäkytkentä heikkenee nopeasti etäisyyden myötä. Monissa kannettavissa laitteissa anturin tai muuntimen siirtäminen pienellä mutta merkittävällä etäisyydellä voi vähentää häiriöitä tehokkaammin kuin monimutkaisten suodattimien lisääminen jälkikäteen. Siksi kotelon ja piirilevyn asettelun tulisi olla suunniteltu yhdessä. Jos piirilevy on jo mekaanisesti jäätynyt, piirilevytiimi menettää yhden tehokkaimmista kohinanvaimennustyökaluistaan.

Piirilevytoimittaja voi säilyttää julkaistun suojakehyksen, tiivisteiden liitoskohdat, kiinnitystarvikkeet ja komponenttien etäisyydet. Suojausta ei tule keksiä yleiseksi tuotantoratkaisuksi. Mikä tahansa suojakotelon muutos voi vaikuttaa uudelleensulatusprofiiliin, uudelleentyöstömahdollisuuksiin, antennin toimintaan ja lopulliseen kalibrointiin.

2-kerroksinen vs. 4-kerroksinen EMF-mittarin piirilevy ja pinoamispäätökset

Kaksikerroksinen piirilevy voi olla sopiva matalataajuiselle instrumentille, jossa on yksinkertainen analoginen ketju, vaatimaton digitaalinen toiminta ja riittävästi fyysistä tilaa virtareittien järjestämiseen. Neljä kerrosta helpottaa keskeytymättömän maatason ylläpitämistä, tehon jakamista ja näytön tai mikrokontrollerin reitittämistä katkaisematta analogista referenssiä. Monimutkaisemmat RF-mittarit saattavat vaatia lisäkerroksia tai kontrolloitua impedanssia niiden kaistanleveydestä ja arkkitehtuurista riippuen.

Kerrosten määrä ei siis ole laatutausta. Huonosti sijoitettu nelikerroksinen piirilevy voi säteillä enemmän kohinaa omaan anturiinsa kuin huolellisesti järjestetty kaksikerroksinen rakenne. Kerrosten lisäämisen syyn tulisi olla selvä: parempi referenssijuoksun jatkuvuus, reititystiheys, suojaus, nopean liitännän tarpeet tai mekaanisen koon pienentäminen.

Pinoaminen on vapautettava ennen impedanssin ilmoittamista

Jos instrumentissa on RF-johtimia, USB tai muu kontrolloidun impedanssin omaava liitäntä, asiakkaan tulee toimittaa tavoiteimpedanssi ja suunniteltu päällekkäisyys tai antaa valmistajan ehdottaa valmistettavissa olevaa vastinetta hyväksyttäväksi. Johdinten geometriaa ei voida viimeistellä erillään dielektrisestä paksuudesta ja kuparirakenteesta. Prototyyppien ja tuotantomallien tulee säilyttää hyväksytty sähköinen rakenne, ellei insinööri hyväksy muutosta.

Standardi FR-4 riittää moniin instrumentteihin, mutta korkeataajuisten RF-mittareiden materiaalivalinnat saattavat perustua häviöön ja dielektriseen stabiilisuuteen. Pelkkä tuotekategoria ei riitä oikeuttamaan erikoislaminaattia. Highleapin tulisi mainita julkaistu materiaalivaatimus sen sijaan, että se markkinoisi jokaista EMF-levyä RF-erikoisalustana.

Yleisiä piirilevyjen suunnittelu- ja valmistusvirheitä, jotka lisäävät EMF-mittarin kohinaa

1. Muuntimen tai laturin asettaminen anturin viereen

Tämä luo sekä sähkömagneettisen että lämpökytkennän. Ongelma voi olla erityisen näkyvä USB-latauksen aikana, koska tuote toimii eri virrankäyttötilassa kuin normaalissa akkutilassa.

2. Näyttö- tai muistikellojen reitittäminen analogisen vyöhykkeen kautta

Nopeat reunataajuudet luovat laajakaistaista energiaa. Jopa "matalataajuinen" SPI-kello sisältää harmonisia. Näiden väylien pitäminen pienikokoisina ja poissa korkeaimpedanssisista solmuista vähentää kytkentäriskiä.

3. Suurvirtaisten paluureittien salliminen jakaa mittausreferenssi

Tärinämoottori, summeri tai taustavalo voivat aiheuttaa maadoituksen heilumista. Piirilevyn tulisi tarjota paluurakenne, joka pitää nämä virrat poissa anturin ja AD-DC:n referenssireiteiltä.

4. Jokaisen vastaavan komponentin käsittely keskenään vaihdettavissa olevina

Vähäkohinaisilla operaatiovahvistimilla, tarkkuuspassiiveilla, referensseillä ja AD-DC-ajureilla on nimellisarvoja suurempia parametreja. Esijännite, 1/f-kohina, tulokapasitanssi, dielektrinen absorptio ja kytkentäkäyttäytyminen voivat vaikuttaa tarkkuusjärjestelmän etupäähän. Hankintavaihtoehtojen tulisi ottaa huomioon suunnittelun kriittiset parametrit.

5. Testityynyjen lisääminen ottamatta huomioon kapasitanssia ja mittausarvoa

Suuri mittausalue korkeaimpedanssisessa solmussa voi muuttaa piiriä ja muuttua antenniksi. Testausmahdollisuuden tulisi olla osa suunnittelua, eikä sitä tulisi lisätä automaattisesti tehdassäädöllä.

6. Langattoman yhteyden käyttö mittauksen aikana ilman validointia

Bluetooth voi olla hyödyllinen tiedonkeruussa, mutta se on myös tarkoituksellinen radiotaajuuslähetin. Tuotteen tulisi määritellä, sallitaanko radiotoiminta jatkuvasti, ajastetaanko se mittausten välille vai poistetaanko se käytöstä herkissä tiloissa. Valmistustestien tulisi käyttää samoja toimintatiloja kuin validoinnissa.

Kannettava EMF-mittari PCBA: Tarkkuusosat, kokoonpanon puhtaus ja tarkastus

Piirilevy voi sisältää hiljaisia ​​vahvistimia, analogia-digitaalimuuntimia, tarkkuusvastuksia/kondensaattoreita, anturiliittimiä, mikrokontrollereita, RF-moduulin, näyttöliittimen ja laturin. Sijoituksen laatu on tärkeää, mutta niin on myös se, mitä tapahtuu asennuksen jälkeen. Vuojäämät ja epäpuhtaudet voivat olla merkityksellisiä korkean impedanssin omaavien solmujen ympärillä, ja aggressiivinen puhdistus voi olla yhteensopimatonta joidenkin antureiden, kytkimien tai näyttöjen kanssa. Julkaistujen kokoonpanospesifikaatioiden tulisi määritellä hyväksyttävä prosessi.

AOI pystyy havaitsemaan napaisuuden, puuttuvat komponentit ja monet juotosvirheet. Röntgen on hyödyllinen vain silloin, kun piilotetut liitokset, kuten BGA- tai pohjaan kytketyt kotelot, ovat perusteltuja. Tarkkaa analogista suorituskykyä ei voida tarkastaa piirilevyyn suoraan; se on varmistettava sähköisesti asianmukaisella toimintatestillä.

Ohjaa analogista osaluetteloa

Tehtaan ostotiimin on tehtävä selkeä ero tavallisten passiivisten komponenttien ja mittauskriittisten komponenttien välillä. Osaluettelossa voidaan käyttää hyväksyttyjen vaihtoehtojen kenttiä tai älä korvaa -luetteloa. Tämä estää saatavuuden perusteella tehtävää korvaamista muuttamasta siirtymää, kohinaa, kaistanleveyttä tai radiotaajuuskäyttäytymistä. Se tekee myös kustannusten alentamiseen liittyvästä työstä selkeää: suunnittelu voi arvioida vaihtoehtoja kontrolloidun pilottituotannon aikana sen sijaan, että ne löydettäisiin vasta tuotantotietojen muutosten jälkeen.

Kiinnitys- ja kaapelisuunnittelu voivat vääristää testituloksia

Tuotantolaitteisto itsessään voi tuottaa kenttiä tai aiheuttaa maakohinaa. Pitkät, suojaamattomat mittausjohdot, vaihtelevien mittauspisteiden virransyöttö ja lähellä olevat tietokoneet voivat saada herkän mittarin näyttämään epävakaalta. Kultaisen yksikön vertailu, hallittu sähköinen injektointi ja määritelty mittalaitteiston asettelu voivat tehdä tuotannon seulonnan toistettavuudesta helpompaa.

Toiminnallinen testaus, kalibrointi ja jäljitettävyys

Tuotantotestien tulisi osoittaa piirilevyn toimivuus, kun taas kalibroinnin tulisi varmistaa mittausketjun tarkkuus sopivaa referenssiä vasten. Mittarin tyypistä riippuen kalibrointi voi sisältää tunnettuja sähkökenttiä, magneettikenttiä, radiotaajuustehotasoja tai sähkön injektointia etupäähän. Nämä asetukset ovat sovelluskohtaisia ​​ja OEM-valmistajan tulisi määritellä ne.

Tehtaan toimintatarkastukset voivat sisältää

• Virtakiskot, virrankulutus ja latauskäyttäytyminen.
• MCU-ohjelmointi, sarjanumeron ja laiteohjelmiston varmennus.
• ADC- ja anturikommunikaatio.
• Vahvistuksen/alueen vaihto tunnetun sähköisen ärsykkeen avulla.
• Näyttö, painikkeet, summeri ja lokitiedot.
• Bluetooth- tai USB-tiedonsiirto asiakkaan testausmenettelyn mukaisesti.

Jos kalibrointikertoimet tallennetaan yksikkökohtaisesti, ohjelmointiprosessin tulisi linkittää nämä arvot piirilevyn sarjanumeroon ja laitteistoversioon. Tästä tulee jäljitettävyysvaatimus eikä epävirallinen laboratoriovaihe. Tuotantoprosessin kuljettajan tulisi osoittaa, tapahtuuko kalibrointi paljaalla piirilevyllä, kootulla laitteella vai lopullisessa kotelointivaiheessa, koska suojaus ja kotelointigeometria voivat vaikuttaa mittaukseen.

Monialuemittarin testausstrategian tulisi myös tunnistaa, mitkä alueet testataan täysin ja mitkä seulotaan edustavien pisteiden avulla. Vastaus vaikuttaa laitteen monimutkaisuuteen, syklin kestoon ja tarjoukseen.

Prototyypistä tuotantoon: kustannukset, DFM ja toimittajan valinta

Prototyyppivaiheen tulisi altistaa laite tarkoituksella sen omille pahimmille sisäisille kohinatiloille. Mittaukset tehdään näytön ollessa aktiivisena ja passiivisena, laturin ollessa kytkettynä ja irrotettuna, radion lähetyksen aikana, summerin ollessa käytössä ja akun ollessa eri lataustiloissa. Näin määritetään, millä itse generoiduilla signaaleilla on merkitystä ennen kuin piirilevy ja kotelo jäädytetään.

Kustannusten vähentämisen tulisi keskittyä tarpeettoman monimutkaisuuden poistamiseen, testausajan lyhentämiseen ja osarakenteen vakauttamiseen. Neljäkerroksinen piirilevy voi olla taloudellisempi kuin hankala kaksikerroksinen asettelu, jos se välttää toistuvan EMC- tai kohinan virheenkorjauksen. Toisaalta erikoislaminaatteja, HDI-piirejä ja erittäin pieniä koteloita ei pitäisi lisätä, elleivät kaistanleveys tai mekaaniset rajoitukset sitä vaadi.

Mitä etsiä EMF-mittarin piirilevykokoonpanon valmistajalta

• DFM-prosessi, joka tunnistaa herkät analogiset ja RF-alueet sen sijaan, että sokkona tehtäisiin yleisiä muokkauksia.
• Tarkkuusanalogi-, ADC-, referenssi- ja RF-komponenttien hallittu syöttö.
• Julkaistuihin paketteihin sopiva hienojakoinen SMT-ominaisuus.
• Selkeät puhdistus- ja käsittelyohjeet korkeaimpedanssisille tai herkille alueille.
• Ohjelmointi ja asiakkaan määrittelemien toiminnallisten testien tuki.
• Revisiointi, osaluettelo ja testien hallinta, joka pysyy yhdenmukaisena prototyypistä uusintatuotantoon asti.

Tarjouspyyntöpaketti

Lähetä Gerber/ODB++, valmistuspiirustukset ja pinoamiskaavio, osaluettelo hyväksytyillä vaihtoehdoilla, poiminta- ja sijoitustiedot, kokoonpanopiirustukset, suojausohjeet, laiteohjelmisto-/ohjelmointitiedostot ja tuotantotestausspesifikaatio. Jos mittarissa on ulkoiset anturit tai kalibroidut kaapelit, ilmoita, kuuluvatko ne tehtaan testikokoonpanoon. Highleap Electronics voi sitten antaa tarjouksen piirilevyjen ja piirilevyasemien todellisesta valmistuslaajuudesta ottamatta vastuuta laitteen suunnittelusta tai muodollisesta kalibroinnista.

Luotettavin tuotantostrategia on periaatteessa yksinkertainen: säilyttää julkaistu anturigeometria, vähäkohinaiset komponentit, tehoarkkitehtuuri ja testausmenetelmä. Juuri tämä tekee onnistuneesta laboratorioprototyypistä toistettavan kannettavan EMF-mittarin piirilevykokoonpanon.

Usein Kysytyt Kysymykset

Valmistusvaatimukset tulee vahvistaa julkaistuja suunnittelutiedostoja, komponenttivalmistajien spesifikaatioita ja lopputuotteeseen sovellettavia validointi- tai sääntelyvaatimuksia vasten.