El término IoT, o Internet of Things (Internet de las Cosas), se refiere a una infraestructura que comprende diversos dispositivos electrónicos conectados a Internet. Los dispositivos inteligentes, controlables remotamente mediante apps específicas, representan solo una pequeña parte de la red IoT. La posibilidad de conectar entre sí sensores inteligentes y dispositivos electrónicos tradicionales ha tenido un impacto significativo en varios campos de aplicación, tales como la industria, la agricultura, la biomedicina, el transporte y la electrónica de consumo. El principal requisito que todo dispositivo IoT debe cumplir es definitivamente la conectividad, que se consigue mediante tecnologías inalámbricas como Bluetooth, Wi-Fi y red móvil. Como resultado, el desarrollo de hardware capaz de dar soporte a la funcionalidad IoT pasa por un cambio sutil pero específico: la conectividad, el control remoto y la alta eficiencia energética son requisitos que todo dispositivo IoT debe cumplir.
El diseño de un dispositivo IoT requiere una evaluación adecuada y la elección correcta de tres factores clave: sensores, conectividad inalámbrica y gestión energética. La placa de circuito impreso, que debe ser capaz de soportar la funcionalidad ofrecida por estos componentes, requiere un enfoque del diseño distinto al de las convencionales. Los aspectos principales que afectan al diseño de un PCB IoT son los siguientes:
Figura 1: El PCB de un termostato inteligente (fuente: Google).
La conectividad inalámbrica, común a todos los dispositivos IoT, implica la obtención de las certificaciones necesarias relativas a la parte RF. Las certificaciones más habituales son FCC (en los Estados Unidos), IC (en Canadá) y CE (en Europa). Asimismo, los diseñadores deben considerar estándares relacionados a radiación emitida de forma intencionada o no intencionada y los requisitos de certificaciones adicionales tales como PTCRB y WEEE. La obtención de la certificación se facilita mediante el uso de módulos RF precertificados, que pueden integrarse directamente al dispositivo, evitando costosos procesos de certificación.
La gran demanda de soluciones IoT ha llevado a una aceleración del desarrollo de herramientas de diseño para PCBs con señales AMS (Señales Analógicas/Mixtas), en base a modelos específicos, simulaciones y análisis de circuitos. La simulación es la fase en la que se valida la integridad de las conexiones. Herramientas de software adecuadas simulan el esquema del circuito, considerando diferentes parámetros como: punto de servicio, dominio temporal, dominio de frecuencia, análisis de Monte Carlo, sensibilidad y el peor de los escenarios. Para los dispositivos portátiles, deben cumplirse unos requisitos especiales, como el tamaño, el consumo energético y el tiempo de carga.
Uno de los secretos para crear un PCB de éxito es siempre considerar, desde el principio, las fases de montaje y fabricación. Un ejemplo lo encontramos en el mercado de portátiles: el espacio muy pequeño disponible para el montaje ha puesto de relieve la necesidad de PCBs flexibles que puedan flexionarse y doblarse sin romper o comprometer la funcionalidad del dispositivo. También, los dispositivos y equipos industriales para el montaje y manipulación de materiales deben soportar choques, vibraciones y otras condiciones operativas extremas. Además de los PCB flexibles, otra solución técnica que puede simplificar la fabricación de un PCB del IoT es la adopción de la tecnología System-in-Package (SiP). System-in-Packages permite integrar sistemas analógicos, digitales y RF cada vez más complejos en un único chip, con factores formales muy similares a los de las soluciones tradicionales de chip único. La Figura 2 muestra una solución SiP extremadamente compacta para la implementación de un nodo Sigfox con funcionalidades de enlace ascendente y descendente. Los componentes SiP simplifican mucho el diseño y la fabricación del PCB, reportando asimismo ventajas en términos de costes. El módulo SiP de la Figura 2 está certificado, tiene una antena integrada y no requiere componentes externos.
Figura 2: Módulo SiP (fuente: ON Semiconductor).
Los dispositivos IoT deben ser capaces de mantener una conectividad constante con la red y con otros nodos pertenecientes a esta. En aplicaciones industriales (IoT e Industria 4.0), la operación 24/7 es muy habitual y, por lo tanto, es increíblemente importante el 100% de disponibilidad. El mantenimiento de niveles de energía adecuados y constantes a nivel del PCB es crítico para mantener la capacidad operativa y la conectividad. Esto es también esencial para prolongar la vida de la batería en dispositivos portátiles y para garantizar la eficiencia en las instalaciones. En cada etapa del desarrollo de un dispositivo IoT, comenzando por el diseño del PCB, es necesario verificar la fabricabilidad del producto. Una herramienta como el DFT (Design for Test) es, por ejemplo, útil para verificar la comprobabilidad del PCB y para identificar cualquier defecto de fabricación de antemano. De la misma forma, el análisis DFMA (Design for Manufacturing and Assembly – Diseño para Fabricación y Ensamblaje) permite la identificación de problemas en el diseño del PCB que pueden corregirse antes de pasar a la producción.
Para muchas clases de dispositivos IoT, la seguridad implica también la adopción de medidas para evitar la falsificación de PCBs, un aspecto importante especialmente en aplicaciones de metrología. Con la creciente demanda de soluciones para apoyar las aplicaciones IoT, los fabricantes de PCBs están cambiando su forma de diseñar y validar sus placas de circuito impreso. Un método muy habitual consiste en añadir identificadores codificados (IDs) en cada capa física del PCB. Cada ID se vincula criptográficamente al de las demás capas, lo que significa que es casi imposible replicarlo con éxito. Esta técnica es mucho más sofisticada y segura que la estándar, basada en imprimir un simple ID de código de barras en la cara superior del PCB.