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物联网之PCBA模组研发全过程

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发表时间:2018-05-04 10:14作者:admin


深圳市仁德电子科技有限公司是一家以电子产品研发、设计和加工为主的国家高新技术企业。仁德公司具有丰富的产品研发设计和加工经验,凭借先进雄厚的技术实力、专业化加工生产、领先的SMT设备、高效的企业管理平台,承接各种消费电子产品的研发、加工(OEM、ODM、EMS)等项目。

线路板.jpg

PCBA模组的研发主要涉及硬件设计、软件设计两方面;所谓谋而后动,模组动手设计之前。需要从这几个方面去考量,方案选型、原理图及layout设计、PCB板子及PCBA加工打样、指标调试与参数测试; 其中,方案选型为重中之重。

一、方案选型

核心是满足功能、供货生产容易、价格匹配。

1、需求分析

功能考量:wifi使用的组网方式,一对一,还是一对多。终端产品取一对一,用在网关、路由上则是一对多。

在传输速率上,分流量类,控制类,如果模块应用在智能家电控制方面的,选择偏控制类的芯片,比如ESP8266即可;如果用在路由器这样的产品,就要选择流量类芯片,比如MTK的7620。

在功能接口方面,PCBA模组开发商考虑更多的可能就是芯片的接口数量,功能支持等,比如GPIO功能口、SPI flash扩展口、I2C接口;其实这个很好理解,比如RTL8710这款物联网WiFi芯片,它的GPIO多达二十多个,支持多的输入输出设备,或是更多的外部连接或控制。

同样在接口功能方面的考虑也是不能忽视的,比如这款芯片其有的接口在无工作状态下可自动将功耗降低到最低状态,待进入工作状态时可自动从睡眠模式唤醒,这样可大大降低产品的功耗。另外,在应用功能方面,PCBA模组开发商根据需要选择透传类,还是非透传类的芯片方案。

2、优劣分析

除对芯片方案的市场需求进行分析外,PCBA模组开发商还需要考虑芯片的性价比与稳定性,以及原厂及供货渠道。一款好的产品就算各个方面都过硬,但是价格脱离市场高的离谱,那么绝对是没有人敢选择的。当然也不能单单只看价格,俗话说便宜没好货是非常有道理的。如果两款芯片方案优势差异比较明显,但是优势占优的芯片方案即使价格高一点也阻挡不了大家选择的。说到芯片方案的稳定性,这个尤为关键。倘若是一款功耗高易引起发热而造成死机的芯片,你如何让产品开发商、消费者选择呢。当然发热和PCBA散热可能是造成不稳定众多因素中的一种,如芯片厂商对软件代码的优化不到位,同样会引起上述问题。

不同厂商或者不同品牌提供的芯片方案,可能是各有千秋,甚至是千差万别。在芯片行业,大家似乎有一种共识,欧美芯片方案优先选择,接着是日韩,再者就是台湾,最后才选择大陆芯片方案,当然这是在芯片方案价格差异不大的前提之下。当然这样笼统的说是不太科学,但是参照意义还是有的。最后, 再好的芯片方案,供货渠道不稳定,或者经常出现PCBA短缺,对于PCBA模组开发商同样是非常致命的。

二、原理图设计

PCBA模组开发商选择好芯片方案后,就要进行PCBA模组开发设计。PCBA模组研发设计最先做的工作就是,设计原理图。

1、稳定性:开发商需要根据芯片厂商提供的芯片资料,按照规格要求设计出稳定性高的PCBA原理图。

2、成本优势: 原理图有多种设计方案,但是不能忽视对PCBA加工成本考量。如两层PCB设计,四层PCB设计都可以使用,四层PCB也更优,但是价格就更贵。当然这只是成本考虑的一个方面而已。

3、兼容设计:原理图设计时的电磁兼容设计考虑,就是要考虑PCBA模组在各种电磁环境中仍能够协调、有效地进行工作。目的就是确保PCBA模组既能抑制各种外来的干扰,使PCBA模组在特定的电磁环境中能够正常工作,同时又能减少PCBA模组本身对其它电子设备的电磁干扰。电磁兼容设计考虑,涉及到整个模块的稳定性和性能。

4、PCBA量产难易程度:原理图设计还要考虑日后是否方便PCBA加工,好的PCBA加工也就意味着PCBA加工费用少。如果设计的原理图致使实际PCBA加工的良品率低的话,同样会造成成本增加。

三、绘制PCB板

上部分的原理图设计,与画PCB板一块,被统称为PCB Layout。两者都是相辅相成的,原理图设计的就是要在画PCB板上得到体现,原理图要考虑的画PCB板时同样需要考虑,并且画PCB板还需要考虑的更多。比如,射频考量、稳定性考量,结构考量,甚至画PCB板还需要考虑到板子的美观度。因为从板子的画法上就可以看出PCBA模组厂商到底是不是专业。

当然根据PCB Layout设计方案设所涉及的PCB选型,电阻、电容类型和数量等各项物料情况,都会在BOM(Bill of Material)物料清单体现,同样PCB、SMT贴片生产等也按此表单来确定物料。

四、PCB打样

PCB(Printed Circuit Board)称为”印刷电路板”,由环氧玻璃树脂材料制成,有不同信号层数,而芯片等贴片元件就贴在PCB上。PCB加工厂商选择:对于PCB打样,PCBA模组厂商如果寻找外部厂商,通常需要考虑这些厂商是否有模组PCB打样经验,厂商的设备是否满足需要,厂商管理是否过硬等等。

五、PCBA打样

PCBA(Printed Cirruit Board +Assembly,)也就是说PCB空板经过SMT上件,再经过DIP插件的整个制程,简称PCBA,可能理解其为成品线路板。

六、调试

对于PCBA模组的调试,主要在于硬件电路调试和软件调试。一般Wi-Fi产品的射频部分由几大部分组成,蓝色的虚线框内统一看成是功率放大器部分。无线收发器(Radio Transceiver)一般是一个设计的核心器件之一,除了与射频电路的关系比较密切以外,一般还会与CPU有关,这里我们只关注其与射频电路相关的一些内容。发送信号时,收发器本身会直接输出小功率的微弱的射频信号,送至功率放大器(Power Amplifier,PA)进行功率放大,然后通过收发切换器(Transmit/Receive Switch)经由天线(Antenna)辐射至空间。

接收信号时,天线会感应到空间中的电磁信号,通过切换器之后送至低噪声放大器(Low Noise Amplifier,LNA)进行放大,这样放大后的信号就可以直接送给收发器进行处理,进行解调。PCBA硬件调试主要涉及射频电路、功能电路调试。射频调试包括发送和接收两个大的方面,其中发送又包括了发送功率、相位误差调试等,接收包括灵敏度、接收电平等。而功能电路调试更多的涉及到具体的某项硬件功能模块的电路调试。

射频参数的调试,发射TX方面主要为功率Power、误差向量幅度EVM、以及频偏Freq;在接收RX方面主要是接收灵敏度Sensitivity,这些参数影响着WiFi数据信号传输是否稳定;需要专门的仪器来测试。另外,软件调试主要在于PCBA模组稳定性、功能的完整性调试。一般而言,只是单一,或者部分功能进行的具体调测,下一步则需要进行更全面的测试

七、测试

所谓电子电路的测试,是以达到电路设计指标为目的而进行的一系列的测量、判断、调整、再测量的反复进行过程。

1、功能测试:根据PCBA模块支持的特性、操作描述和用户方案,测试该模块的特性和可操作行为以确定其是否满足设计需求。

2、性能测试:主要涉及测试模块各个功能电路,以及信号的传输距离等还其他参数。

3、稳定性测试:对涉及模块的实际传输速率、实际功耗、吞吐量 、无线连接等稳定性方面测试。

4、老化测试: 就是对PCBA模组寿命和在使用过程中能达到最佳效果而进行的一项测试。因系统长时间的处于工作状态,在其工作时对各器件进行负荷运转,只要在这些条件下能保证设备的性能稳定,那么在正常环境下工作模组的使用寿命就会更久。

5、认证测试:某些产品必须经相关国家指定的认证机构认证合格,取得相关证书并加施认证标志后,方能出厂、进口、销售和在经营服务场所使用,尤其是通信类产品,而国际比较普及的认证如FCC(美国)、CE(欧洲)、RoHS(欧洲)等。

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