Um novo mundo de dispositivos inteligentes apresenta maiores desafios de design
Os dispositivos eletrônicos estão cada vez mais conectados ao mundo por meio de uma ou mais tecnologias sem fio e são comumente chamados de dispositivos inteligentes. Celulares, computadores, televisores, videogames, relógios, aspiradores de pó e máquinas de café são apenas alguns dos muitos exemplos. Até 2025, estima-se que mais de 75 bilhões de dispositivos estarão conectados à medida que a demanda acelera.
A integração de várias tecnologias sem fio em dispositivos inteligentes de IoT apresenta desafios únicos para os fabricantes, dados os requisitos ambientais, como a necessidade de ser à prova d’água e suportar altas temperaturas, choques e vibrações. Projetos complexos e robustos, miniaturização, bateria de longa duração e alto desempenho são fatores críticos que permitem que esses dispositivos forneçam conectividade confiável e contínua.
Este artigo investiga os desafios relacionados à miniaturização e oferece considerações de projeto para superá-los com foco no projeto da antena, conectores PCB e componentes associados.
- 75B+ Dispositivos conectados até 2025
- 79,4 ZB Dados gerados por IoT dispositivos até 2025 (1 ZB = 1 trilhão de GB)
- 82% De todos os protocolos de Internet o tráfego será de vídeo
A interação dos componentes do dispositivo IoT inteligente
Considerações sobre a miniaturização do projeto da antena
Vários fatores podem afetar o desempenho geral da antena, incluindo dimensões do plano de aterramento, distância dos componentes próximos, posição da antena, layout da placa de circuito impresso e seleção de componentes. Tecnologias de ponta, como estruturação direta a laser (LDS) e tecnologia de antena de metamaterial, também estão fornecendo soluções inovadoras para liberar espaço em dispositivos inteligentes
Tamanho do Plano de Aterramento e Seleção da Antena
O tamanho do plano de aterramento é geralmente determinado pelo tamanho do dispositivo. Para antenas monopolo ou baseadas em monopolo, o tamanho do plano de aterramento é fundamental para um bom desempenho da antena. Deve ter pelo menos λ/4 de tamanho, onde λ é o comprimento de onda da banda de frequência mais baixa da antena monopolo. Para bandas de frequência celular mais baixas (698-960 MHz), o λ/4 seria em torno de 107 mm. Um plano de aterramento desse tamanho não seria adequado e possível para a maioria dos dispositivos IoT inteligentes devido ao seu pequeno formato. Portanto, uma consideração de projeto pode ser feita para evitar antenas baseadas em monopolo, que dependem do plano de aterramento para um bom desempenho. Outras antenas, como dipolo, podem ser usadas para superar o problema do tamanho do plano de aterramento. Ocasionalmente é possível estender o plano de aterramento verticalmente se a altura do dispositivo permitir. Essa técnica possibilita ter um plano de aterramento grande o suficiente para antenas monopolo para bandas de frequência mais altas, como 2,4 GHz ou 5 GHz.
Distância para componentes próximos
A maioria das folhas de dados de antenas recomenda uma zona de limpeza na antena para oferecer um desempenho ideal, pois todos os componentes em dispositivos inteligentes podem ter um impacto no desempenho da antena. Alguns componentes, como bateria, tela e bobina de carregamento, podem dessintonizar a antena. Os componentes do dispositivo de montagem em superfície (SMD) próximos à antena na placa de circuito impresso (PCB) podem dessintonizar e diminuir a eficiência da antena. No entanto, às vezes, não é possível seguir as orientações fornecidas pelo fabricante da antena. Nesses casos, um projeto de antena personalizado que mitiga o impacto de componentes próximos pode ser necessário para obter o desempenho ideal da antena em um determinado ambiente.
Posição da antena
A posição é crítica para o desempenho da antena em dispositivos pequenos. Conforme discutido acima, em pequenos dispositivos IoT inteligentes, geralmente não é possível respeitar os requisitos de zona de limpeza para a antena. Uma solução poderia ser escolher uma antena com um cabo de um determinado comprimento para ser montada na carcaça do dispositivo longe da PCB. Outra opção seria imprimir a antena no lado interno ou externo da carcaça, criando espaço livre adicional ao redor da antena e diminuindo o impacto de outros componentes. Com antenas impressas, é muito importante certificar-se de que o material da carcaça não afete os parâmetros da antena e não tenha perdas nas faixas de frequência de operação desejadas.
Layout de PCB e seleção de componentes
É fundamental ter um plano de aterramento de radiofrequência (RF) “limpo” sem nenhum roteamento de sinal no plano de aterramento da antena. As linhas de dados de alta velocidade devem ser mantidas afastadas das linhas de RF. A escolha dos componentes montados na placa de circuito impresso também é muito importante na miniaturização. Ao selecionar componentes e conectores menores, é possível criar mais espaço livre para a antena e maior distância física e elétrica de outros componentes. Isso ajuda a fornecer maior isolamento e menor acoplamento mútuo.
Estruturação Direta a Laser (LDS)
O LDS é uma tecnologia de última geração usada para criar dispositivos de interconexão moldados (MIDs) e pode economizar espaço valioso em sua aplicação integrando funcionalidade de alta frequência, mecânica e elétrica em um componente. A estruturação a laser permite a capacidade de design/roteamento tridimensional (3D), versus a capacidade limitada de duas dimensões (2D) em uma PCB ou outros substratos comuns. O LDS também permite um melhor desempenho da antena, pois as antenas podem ser colocadas no projeto onde elas têm mais espaço para melhor largura de banda e eficiência. O uso da tecnologia LDS não se limita a antenas, mas também pode ser usado para componentes eletromecânicos, blindagem e outros em uma variedade de aplicações.
Tecnologia de Antena Metamaterial
As antenas MetaSpan da TE Connectivity (TE) usam a tecnologia de antena de metamaterial, tornando a antena diferente dos designs padrão. As antenas MetaSpan da TE são intrinsecamente projetadas com acoplamento capacitivo e carga indutiva e oferecem variados benefícios, incluindo:
- Largura de banda e eficiência de banda baixa aprimoradas
- Tamanho reduzido da antena
- Correspondência intrínseca
- Melhor estabilidade em comparação com a carga do corpo
- Correntes confinadas na estrutura ou perto dela para evitar o acoplamento com componentes de RF adjacentes ou outras antenas
Combinando os pontos fortes da tecnologia de antena LDS e MetaSpan
- Capacidade de chapar tridimensionalmente de forma seletiva e repetitiva
- Economia de espaço
- Capacidade de produzir traços finos (0,15 mm)
- Melhor desempenho da antena
- Economia de custos aplicada
- Tempo de comercialização mais rápido
- Flexibilidade para mudanças de padrão durante a produção
- Ferramental mais simples/rápido/baixo custo
Considerações de Miniaturização de Componentes e Conectores de PCB
À medida que avançamos para um mundo de dispositivos portáteis, vestíveis e sem fio, as tecnologias que alimentam esses eletrônicos devem ter maior proficiência em embalagens menores. Isso criou uma tendência de rápida expansão de miniaturização no mercado.
Drivers de miniaturização e fatores-chave
Um dos principais impulsionadores da miniaturização é a diminuição contínua do tamanho do PCB em aplicativos de IoT. Dado o espaço reduzido da placa, os engenheiros exigem produtos com um formato compacto. Quanto menores forem os conectores, mais caberão em um espaço reduzido, aumentando assim a utilidade da placa.
A folga do PCB também é um fator determinante. Não apenas os PCBs são menores, mas cada vez mais há um maior número por aplicação e estes precisam ser embalados em uma cavidade que pode ter um formato único ou muito fino. A protuberância do conector de uma placa torna-se então uma consideração importante, tornando os conectores de baixo perfil uma melhor opção.
Adotando uma abordagem holística para a seleção de conectores e componentes
Uma ampla variedade de conectores está disponível para aplicações miniaturizadas e suporta funções importantes, como transferência de dados, entrada/saída (E/S), alimentação e exibição. A seleção adequada do conector com uma abordagem holística para a integração do dispositivo no início da fase de projeto é fundamental para atender aos requisitos de espaço, peso e desempenho, além de ajudar a reduzir as alterações em estágio avançado que prejudicam a velocidade de lançamento no mercado. Abaixo estão apenas alguns dos muitos conectores e componentes que contribuem para a miniaturização.
Conectores Flex
Conectores de circuito impresso flexível (FPC)
Os conectores FPC são altamente adequados para aplicações miniaturizadas e se conectam a placas PCB flexíveis com traços gravados quimicamente que podem conduzir corrente. Eles vêm em perfis baixos (1 mm de altura) e passos muito estreitos (0,25 mm /0,3 mm), embora 0,5 mm seja o mais comum no mercado e usado principalmente para telas de LCD, que tiveram maior incorporação em dispositivos inteligentes. Os conectores FPC permitem orientação de cabo flexível, opções de roteamento mais criativas e designs de PCB personalizados.
Conectores de placa a placa e placa a FPC de passo pequeno
Os conectores placa a placa e placa a FPC são soluções de interconexão otimizadas para dispositivos eletrônicos menores e mais finos. As características desses tipos de conectores incluem uma linha central menor, corpo mais estreito e altura de acoplamento mais baixa.
Conectores placa a placa
Conectores de “Altura Livre”
Os conectores de altura livre são conectores de campo de pino aberto de duas peças projetadas para uso em aplicações de empilhamento paralelo ou estilo mezanino de placa a placa. Esses conectores são oferecidos em várias combinações de altura de plugue e receptáculo, proporcionando flexibilidade de projeto com a capacidade de variar o espaçamento entre placas paralelas; passo de 0,5 mm–1,25 mm; altura de empilhamento de 1,5 a 20 mm e de 20 a 440 posições.
Conectores placa a placa compressivos (BTB)
Os conectores BTB compressivos de uma peça da TE permitem conexões a uma placa secundária banhada a ouro por compressão dos contatos. Este conector é projetado para transmissão de energia e sinal em aplicações de formato miniaturizado. Proporciona ao projetista um baixo custo, maior confiabilidade e alta flexibilidade de projeto, além de ser escalável em uma variedade de posições, altura e inclinação.
Conectores Fio a Placa
Conectores Micro Super Low Profile (SLP)
Projetado com pequenos dispositivos em mente, o Micro SLP é um conector fio-a-placa de 0,8 mm no topo da linha central. Este conector de baixo perfil oferece uma altura de acoplamento de 1,4 mm e pode suportar correntes de até 1 amp. Ele também possui uma trava exclusiva para fornecer uma conexão de acoplamento de alta confiabilidade e um design de contato que fornece ao operador da montagem um clique tátil para ajudar a evitar o acoplamento incorreto, tornando a conexão de acoplamento desta série resistente a quedas e choques.
Conectores AMP finos
O conector AMP Slim é um conector de fio-a-placa com contato de cima para baixo de 1,2 mm na linha central. Este conector é outra opção de baixo perfil disponível com uma altura de acoplamento de 1,4 mm e tamanhos de posição que variam de 2 a 6. Os conectores AMP Slim podem suportar correntes de até 2 amperes.
Interconexões de alto desempenho (HPI)
Os conectores HPI podem ser usados onde o sinal ou a baixa potência precisam ser roteados através de um dispositivo e são uma ótima solução para conectar itens auxiliares como ventilador, motor, sensor, interruptor, etc. Este produto oferece linhas centrais que variam de 1 mm a 2,5 mm e opções de montagem de conector vertical e horizontal (ângulo reto) para versatilidade. Outro recurso importante inclui uma opção de travamento para garantir a retenção segura do acoplamento, o que é crítico em aplicações que exigem alta confiabilidade ou têm altas vibrações. A tecnologia Square-peg permite a compatibilidade com produtos padrão do setor para que possam ser usados em qualquer ponto do ciclo de projeto do cliente como uma alternativa próxima ou, em alguns casos, como substituto imediato.
Conectores AMP CT, AMP Mini CT e AMP Micro CT
Os conectores de terminação comum (CT) TE (AMP CT, AMP Mini CT e AMP Micro CT) e conjuntos de cabos fornecem uma solução econômica de roteamento de fios para necessidades de energia ou sinal. Esses produtos também oferecem uma ampla variedade de conectores e acessórios disponíveis em uma variedade de tamanhos e tipos para atender a aplicações tradicionais e emergentes. Os conectores AMP CT estão disponíveis com passos que variam de 1,2 mm a 2 mm e podem suportar correntes de até 4 amperes em determinadas configurações. Com um longo histórico de desempenho comprovado e alguns dos custos aplicados mais baixos do setor, os conectores AMP CT são uma ótima opção para qualquer necessidade de fio a placa.
Fig. 9: PCB mostrando vários conectores e posicionamentos AMP CT
Conectores de E/S
Conectores Modulares
Os conectores modulares são projetados para fazer conexões de E/S seguras e confiáveis e incluem uma variedade de designações, configurações, tamanhos e recursos benéficos para atender a diversos requisitos de projeto. Os conectores jack registrados (RJ) blindados e não blindados oferecem uma construção de peça única com contatos pré-carregados, proporcionando uma solução rápida de instalar e com economia de espaço.
RJ ponto cinco com uma linha central de 7 mm ocupa metade do espaço de um link ethernet RJ45 tradicional, enquanto a série MRJ21 oferece economia de espaço com 1,5 a 3 vezes a densidade de porta dos conectores modulares empilhados (RJ45) e 3 vezes a densidade de porta do RJ21. A série MJ de baixo perfil oferece uma altura de conector inferior a 10 mm e a série MJ offset reduz a altura acima da placa em cerca de 1/3
Fig. 10: Conectores modulares RJ ponto cinco (direita) e MRJ21 (esquerda)
Conectores USB Tipo C
A próxima geração para aplicações USB atuais e futuros são os conectores USB Tipo C, projetados para um padrão do setor que fornece um formato elegante, fino e compacto para dispositivos portáteis e pequenos eletrodomésticos, mas robusto o suficiente para aplicações industriais. Esses conectores apresentam uma interface de acoplamento reversível e um receptáculo projetado para aceitar um plugue em qualquer direção, permitindo um acoplamento fácil e confiável. Eles também suportam uma variedade de protocolos diferentes e, com o uso de adaptadores, são compatíveis com HDMI, VGA, DisplayPort e outros tipos de conexões de uma única porta USB tipo C. Um design distinto de EMI na parte traseira do invólucro do receptáculo ajuda a eliminar vazamentos indesejados de EMI, oferecendo recursos aprimorados de retenção da placa. As opções à prova d’água e respingos também podem oferecer desempenho e confiabilidade aprimorados em ambientes difíceis.
Fig. 11: Conector USB Tipo-C IPX8 à prova d’água da TE
Aterramento
Contatos de mola
Contatos de mola (também conhecidos como dedos de blindagem, molas de aterramento ou contatos de aterramento universais) são conectores internos montáveis em superfície de contato único com várias funções em um PCB. À medida que as aplicações se tornam mais compactas e miniaturizadas, os contatos de mola oferecem a melhor escolha para aterramento, alimentação de antena e blindagem contra interferência eletromagnética (EMI), devido ao seu tamanho reduzido e escalabilidade. Mais importante ainda, isso permite um dedo de mola de tamanho escalável que pode utilizar o mesmo espaço, minimizando assim a necessidade de um redesenho da placa.
Resumo
À medida que a demanda por dispositivos inteligentes menores aumenta, também aumenta a necessidade de componentes ainda mais miniaturizados que funcionem de maneira confiável e em harmonia com outros componentes do dispositivo. Aproximar-se da fase de projeto com uma visão holística do impacto de todos os componentes, incluindo antenas e conectores de PCB, é uma etapa crítica para evitar problemas de desempenho imprevistos que podem resultar em alterações de projeto em estágio avançado, despesas mais altas e atraso no tempo de lançamento no mercado. Consultar antecipadamente e com frequência o fabricante da antena e do conector da placa de circuito impresso é essencial para identificar o padrão certo ou os componentes de engenharia personalizados para seus requisitos de aplicação exclusivos.
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* Texto originalmente publicado em: link, Escrito por Irfan Yousaf, TE Antenna Solutions Expert e David Currie, TE Product Manager at TE Connectivity.
