Optimalizácia SMT montáže senzorov internetu vecí na zníženie spotreby energie.

Senzory sú jednou z hlavných súčastí zariadení internetu vecí (IoT) a ich výkon priamo ovplyvňuje celkovú spotrebu energie a výdrž batérie zariadenia. Keďže zariadenia internetu vecí sú čoraz menšie, inteligentnejšie a energeticky úspornejšie, optimalizácia montážneho procesu SMT pri výrobe PCBA pre internet vecí je čoraz dôležitejšia. Optimalizáciou montážneho procesu SMT, výberu materiálov a konštrukčných stratégií je možné účinne znížiť spotrebu energie snímačov, predĺžiť životnosť batérie zariadenia a zlepšiť celkovú energetickú účinnosť. 

Najskôr sa venujme výzvam, ktoré predstavuje zníženie spotreby energie snímačov internetu vecí. Za zmienku stoja tri hlavné výzvy. Prvou výzvou je vysoká integrácia a zložitosť. Snímače internetu vecí zvyčajne integrujú viacero funkcií, ako je teplota, vlhkosť, detekcia pohybu atď. a ich návrh PCBA musí zohľadňovať spracovanie signálu, komunikačné moduly a správu napájania. Procesy montáže SMT s vysokou hustotou môžu zvýšiť šum obvodov, čo môže ovplyvniť presnosť snímača a spotrebu energie; Druhou výzvou je obmedzenie napájania z batérie. Väčšina zariadení internetu vecí sa spolieha na napájanie z batérie, najmä okrajové výpočtové uzly a bezdrôtové siete senzorov. Optimalizácia spotreby energie priamo ovplyvňuje životnosť batérie zariadenia a náklady na údržbu; Treťou výzvou je požiadavka na prispôsobenie sa prostrediu. Snímače internetu vecí sú často nasadené v zložitých prostrediach, ako sú priemyselné areály a vonkajšie prostredie, a musia zostať stabilné v extrémnych teplotných alebo vlhkostných podmienkach, čo kladie vyššie nároky na konštrukciu s nízkou spotrebou energie.

Po druhé, poďme diskutovať o stratégiách optimalizácie spotreby energie počas výroby SMT. Existuje päť stratégií, ktoré stoja za zmienku. Prvou stratégiou je výber komponentov s nízkou spotrebou energie a výber technológie balenia. Dôvodom je, že pre čipy IC a senzorov s nízkou spotrebou energie sa uprednostňujú mikrokontroléry s nízkou spotrebou energie, senzorové čipy, ako sú senzory MEMS, a komunikačné moduly, ako sú LoRa a Bluetooth low energy. Napríklad MCU radu ARM Cortex-M má statický prúd len 1μA, čo výrazne znižuje spotrebu energie v pohotovostnom režime. Ďalším dôvodom je, že pre miniaturizáciu technológie balenia, technológia montáže čipov SMT podporuje ultramalé balenia, ako sú rezistory a kondenzátory 0402 a 0201, čím sa znižuje plocha PCB a dĺžka vedenia, znižuje sa parazitná indukčnosť a odpor, a tým sa znižujú energetické straty. Miniatúrne balíky môžu navyše znížiť tepelný odpor obalových materiálov a zlepšiť účinnosť odvodu tepla; druhou stratégiou je optimalizácia rozloženia a smerovania PCB. Dôvodom je, že pre návrh zón a izoláciu napájania sa odporúča fyzicky izolovať moduly s vysokým výkonom, ako sú napríklad RF komunikačné moduly, od modulov s nízkym výkonom, ako sú napríklad obvody na získavanie údajov zo senzorov, a napájať ich prostredníctvom nezávislých napájacích domén, aby sa zabránilo vzájomnému rušeniu. Napríklad v plošných spojoch senzorov IoT navrhnite regulátory LDO samostatne pre obvody úpravy signálu senzorov, aby ste znížili dynamickú spotrebu energie. Ďalším dôvodom je, že pre diferenciálne signály a impedančné prispôsobenie sa zvyčajne používa návrh diferenciálneho zapojenia pre vysokofrekvenčné signálové vedenia, ako sú zbernice I²C a SPI, aby sa znížilo elektromagnetické rušenie a odraz signálu, čím sa zníži dodatočná spotreba energie spôsobená opakovaným prenosom.

Optimalizované impedančné prispôsobenie zároveň znižuje straty energie pri prenose signálu; treťou stratégiou je prijatie inteligentných riešení riadenia napájania. Dôvodom je, že pre dynamické riadenie frekvencie napätia je logicky optimálnejšie dynamicky upravovať napätie a frekvenciu na základe pracovného zaťaženia snímača. Napríklad, keď je senzor nečinný, MCU sa môže automaticky prepnúť do režimu nízkej spotreby, čím sa zachová napájanie len pre nevyhnutné periférie. Ďalším dôvodom je, že pri návrhu zberu a ukladania energie sa často zaraďujú do kategórie fotovoltaických a piezoelektrických materiálov. Môžu sa kombinovať s miniatúrnymi superkondenzátormi na zabezpečenie pomocného napájania pre snímače. Napríklad niektoré zariadenia na monitorovanie životného prostredia využívajú solárne panely na napájanie snímačov, čím sa výrazne znižuje spotreba hlavnej batérie; Štvrtou stratégiou je prijatie presného riadenia procesu montáže čipov SMT. Dôvodom je, že pri tlači spájkovacej pasty a optimalizácii spájkovania pretavením môžeme zabezpečiť kvalitu spájkovacieho spoja a znížiť dodatočnú spotrebu energie spôsobenú zlým kontaktom. Napríklad v plošných spojoch senzorov internetu vecí môže použitie dusíkového pretavovania spájkovaním zlepšiť spoľahlivosť spájkovacieho spoja a znížiť stratu odporu počas dlhodobej prevádzky. Ďalším dôvodom je, že na automatizovanú kontrolu a prevenciu chýb umožňuje používanie technológií AOI a SPI v procese montáže SMT monitorovať kvalitu spájkovaných spojov v reálnom čase, čím sa predchádza abnormálnej spotrebe energie spôsobenej studenými spájkovanými spojmi alebo skratmi. Napríklad inteligentný domáci senzor znížil mieru chybovosti spájkovania na 0,1% prostredníctvom kontroly AOI, čím sa znížila dodatočná spotreba energie spôsobená prepracovaním;

Piatou stratégiou je ekologický dizajn materiálov a obalov. Dôvodom je, že substrát s nízkou dielektrickou konštantou pomáha znižovať straty média pri prenose vysokofrekvenčného signálu, a tým znižuje aj spotrebu energie. Ďalším dôvodom je, že v prípade tepelne vodivých materiálov a návrhu rozptylu tepla môžeme pridať tepelný silikón alebo kovové tienenie okolo modulu snímača, aby sme znížili dodatočnú spotrebu energie spôsobenú zvýšením teploty čipu prostredníctvom účinného rozptylu tepla. 

Po tretie, porozprávajme sa o niektorých budúcich perspektívach vývoja technológie SMT a zariadení internetu vecí. Po prvé, optimalizácia procesov SMT riadená umelou inteligenciou môže využívať komplexné algoritmy na analýzu údajov o umiestnení SMT, ako sú kvalita spájkovaných spojov a teplotné krivky. A potom v reálnom čase upravovať parametre procesu s cieľom minimalizovať spotrebu energie. Strojové učenie sa napríklad používa na predpovedanie pravdepodobnosti chýb spájkovacieho spoja a na optimalizáciu teplotnej krivky spájkovania pretavením vopred; Po druhé, flexibilné dosky plošných spojov, obaly nepravidelného tvaru a spracovanie PCBA senzorov IoT môžu potenciálne prijať flexibilné substráty a obaly nepravidelného tvaru, čím sa ďalej zníži plytvanie materiálom a spotreba energie. Napríklad flexibilné dosky plošných spojov môžu znížiť dĺžku káblov a znížiť straty pri prenose signálu; po tretie, energeticky sebestačné zariadenia IoT v kombinácii s mikro modulmi na zber energie namontovanými na SMT môžu dosiahnuť prevádzku s "nulovou spotrebou energie", čím sa úplne vyrieši problém výmeny batérií. 

Záverom možno konštatovať, že návrh senzorov internetu vecí s nízkou spotrebou energie vo veľkej miere závisí od dôkladnej optimalizácie montážnych procesov SMT. Výberom komponentov s nízkou spotrebou energie, optimalizáciou rozloženia DPS, implementáciou inteligentných riešení riadenia spotreby a zvýšením kvality montáže SMT je možné výrazne znížiť spotrebu energie zariadenia, predĺžiť životnosť batérie a splniť požiadavky na spoľahlivosť v zložitých prostrediach. S pokrokom v oblasti inovácií materiálov a inteligentných výrobných technológií sa bude energetická účinnosť snímačov internetu vecí naďalej zlepšovať, čo poskytne pevný základ pre udržateľný rozvoj v oblastiach, ako sú inteligentné mestá, priemyselný internet a zdravotníctvo.