เจาะลึกวิศวกรรมการออกแบบ BLE Logging Card บางเฉียบ 2.4 มม.
แกะกลไกการจัดสรรพื้นที่ความหนา 2.4 มม. ของ BLE Logging Card เผยความท้าทายในการวางแบตเตอรี่ CR2016 เสาอากาศ และเซนเซอร์ในพื้นที่จำกัด
ภาพประกอบจากคลังภาพสต็อก ไม่ใช่ภาพจากเหตุการณ์จริง
- ความหนาเป้าหมาย 2.4 มม. บังคับให้ต้องฝังแบตเตอรี่ลงในช่องเจาะบนแผง PCB แทนการวางซ้อน
- เสาอากาศและช่องใส่แบตเตอรี่ต้องอยู่คนละฝั่งเพื่อป้องกันการรบกวนคลื่นวิทยุ
- การจัดการความร้อนและร่องระบายความร้อนบนบอร์ดมีความสำคัญต่อความแม่นยำของเซนเซอร์มากกว่าสเปกชีต
- กระแสไฟรวมในโหมดสแตนด์บายอยู่ที่ประมาณ 2.85 ไมโครแอมป์ ก่อนเริ่มเก็บตัวอย่างหรือส่งสัญญาณ
การออกแบบการ์ดบันทึกข้อมูลแบบซีลปิดผนึก (Sealed Logging Card) เป็นความท้าทายเชิงกลศาสตร์และความหนาก่อนที่จะเป็นเรื่องของอิเล็กทรอนิกส์ ทุกระบบย่อยต้องพึ่งพาการตัดสินใจครั้งเดียวว่าจะแบ่งสรรปันส่วนความหนาระดับมิลลิเมตรอย่างไร หากตั้งเป้าความหนาไว้ที่ 2.4 มม. แล้ววางเซลล์แบตเตอรี่ซ้อนทับไว้บนบอร์ดแบบตรงไปตรงมา งบประมาณความหนาจะติดลบทันทีก่อนที่จะเริ่มประกอบเสร็จ
เมื่อคำนวณจากสเปกชีต แบตเตอรี่ CR2016 มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 20.0 มม. ความสูงสูงสุด 1.6 มม. และความจุ 90 มิลลิแอมป์ชั่วโมง ขณะที่รุ่นพี่อย่าง CR2032 มีความหนาถึง 3.2 มม. และความจุ 225 มิลลิแอมป์ชั่วโมง ทำให้การ์ดความหนา 2.4 มม. ไม่สามารถวางแบตเตอรี่แบบเหรียญทับบน PCB ได้ เนื่องจากความหนาของบอร์ดและผนังเปลือกทั้งสองด้านได้ใช้พื้นที่เกือบทั้งหมดไปแล้ว ทางออกคือการเจาะช่องทะลุแผง PCB เพื่อให้แบตเตอรี่ตกลงไปฝังอยู่ข้างใน ทำให้ความหนารวมกลายเป็นความสูงของแบตเตอรี่บวกกับผนังเปลือกสองด้าน
การจัดสรรพื้นที่ใหม่ทำให้ตัวเลขลงตัว โดยประกอบด้วยฟิล์ม 0.10 มม., เปลือกด้านบน 0.25 มม., แผ่นระนาบความหนา 1.60 มม. ที่ยึดบอร์ดและแบตเตอรี่เข้าด้วยกัน และเปลือกด้านล่าง 0.25 มม. ซึ่งจะได้ความหนารวม 2.20 มม. และเหลือพื้นที่ว่าง 0.20 มม. สำหรับขั้วแบตเตอรี่ ชั้นกาว ความหนา PCB ความคลาดเคลื่อนในการขึ้นรูป และการแอ่นตัวของเปลือกบาง โดยต้องถือว่าพื้นที่ 0.20 มม. นี้คือขีดจำกัดทั้งหมด ไม่ใช่ช่องว่างเผื่อเหลือเผื่อขาด
ภาพประกอบจากคลังภาพสต็อก ไม่ใช่ภาพจากเหตุการณ์จริง
ในส่วนของการป้องกันตามมาตรฐาน IEC 60529 ระบุการทดสอบการจุ่มน้ำในห้องปฏิบัติการระหว่าง 0.15 ถึง 1 เมตร แต่มาตรฐานนี้ไม่ได้ครอบคลุมถึงการกัดกร่อน ความชื้นจากการควบแน่น และบรรยากาศที่อาจเกิดการระเบิด เช่น การ์ดที่ถูกนำออกจากห้องเย็นอุณหภูมิ 4 องศาเซลเซียสไปยังท่าเรือที่มีความชื้นสูงจะต้องเผชิญกับการควบแน่นทุกวัน ซึ่งเป็นกรณีภาระที่มาตรฐานห้องปฏิบัติการไม่เคยครอบคลุม ส่งผลให้ต้องใช้การเชื่อมซีลอย่างต่อเนื่องและไร้รอยต่อ โดยไม่มีช่องใส่แบตเตอรี่ภายนอกหรือจุดทดสอบภายนอก การอ่านข้อมูลจึงต้องทำแบบไร้สายทั้งหมด
การออกแบบอุปกรณ์ไอโอที (IoT) ขนาดบางเฉียบมักเผชิญกับอุปสรรคทางกายภาพที่ซับซ้อนกว่าวงจรภายใน การบริหารจัดการพื้นที่ระดับไมครอนระหว่างชิ้นส่วนกลศาสตร์และอิเล็กทรอนิกส์แสดงให้เห็นว่า วิศวกรต้องยอมลดทอนบางฟังก์ชัน เช่น การเลือกใช้แพ็กเกจชิปแบบ CSP แทน QFN เพื่อแลกกับความหนาที่ลดลง ซึ่งสะท้อนว่าการตัดสินใจเลือกแพ็กเกจชิปแท้จริงแล้วคือการตัดสินใจเชิงกลศาสตร์ที่สวมป้ายอิเล็กทรอนิกส์
มีองค์ประกอบ 6 ส่วนที่ต้องแย่งชิงพื้นที่บนระนาบเดียวกัน ได้แก่ วิทยุ SoC, เซนเซอร์วัดอุณหภูมิ, เซนเซอร์วัดแสง, หน่วยความจำแบบ Non-volatile, ช่องใส่แบตเตอรี่ และพื้นที่ว่างสำหรับเสาอากาศ (Antenna keep-out) โดยช่องใส่แบตเตอรี่และเสาอากาศจะต้องอยู่คนละขอบสั้นเพื่อไม่ให้ไปรบกวนกลางแผงบอร์ด ตามคำแนะนำของ Nordic ที่ระบุว่าเสาอากาศโมโนโพล 2.4 GHz จำเป็นต้องมีพื้นที่ว่างรอบกราวด์อย่างน้อย 5 มม. เนื่องจากเหรียญแบตเตอรี่ที่เป็นโลหะจะทำให้จูนความถี่ผิดเพี้ยนหากเข้ามาใกล้เกินไป
ทางด้านความแม่นยำของเซนเซอร์วัดอุณหภูมิ เช่น TMP117 ระบุค่าความคลาดเคลื่อนสูงสุด ±0.1 °C ในช่วง −20 °C ถึง 50 °C ขณะที่ Sensirion รุ่น STS40 และ STS41 ระบุค่าทั่วไปที่ 0.2 °C ช่วง −40 ถึง +125 °C การรักษาความแม่นยำนี้ต้องอาศัยการเจาะร่องรอบเซนเซอร์เพื่อป้องกันไม่ให้บอร์ดนำความร้อนมาจาก SoC รวมถึงการหยุดเททองแดงใกล้ขาเซนเซอร์ และทำให้ผนังเปลือกด้านบนบางลง แม้จะแลกมาด้วยเวลาตอบสนองที่ช้าลงก็ตาม
"การเจาะร่องและผนังเปลือกที่บางลงส่งผลต่อความแม่นยำของการ์ดมากกว่าทศนิยมตำแหน่งสุดท้ายบนสเปกชีตของเซนเซอร์"
Dev.to Engineering Blog
สำหรับการใช้พลังงาน เซนเซอร์วัดแสงรอบข้างอย่าง OPT4001 ของ TI มีกระแสไฟสแตนด์บาย 2.00 ไมโครแอมป์ เมื่อรวมกับ SoC nRF54L15 ในโหมดหลับลึก 0.70 ไมโครแอมป์ และเซนเซอร์อุณหภูมิ TMP117 ที่ 0.15 ไมโครแอมป์ จะได้กระแสไฟพื้นฐานในยามว่างประมาณ 2.85 ไมโครแอมป์ ก่อนที่จะเริ่มทำงานประเมินการเปิดกล่องพัสดุหรือการส่งสัญญาณโฆษณา
ที่มา: Dev.to
พบข้อมูลผิดพลาดในบทความนี้? แจ้งปัญหาบทความนี้
ความคิดเห็น
แสดงความคิดเห็น