Diversi punti a cui prestare attenzione nella progettazione di schede PCB indossabili

A causa del piccolo volume e delle dimensioni della Scheda PCB, non esiste quasi uno standard di circuiti stampati pronti per il crescente mercato dell'IoT invisibile. Prima che questi standard uscissero, dobbiamo affidarci alle conoscenze e all'esperienza produttiva apprese nello sviluppo a livello di board e pensare a come applicare alle sfide emergenti uniche. Ci sono tre aree che richiedono la nostra particolare attenzione. Sono materiali di superficie del circuito stampato, RF/microondeprogettazione e linee di trasmissione RF.

Materiale della scheda PCB

Le schede PCB sono generalmente composte da laminati, che possono essere realizzati in resina epossidica rinforzata con fibra (FR4), Poliimide o Rogers o altri materiali laminati. Il materiale isolante tra i diversi strati è chiamato prepreg.

Diversi punti chiave che devono essere presi in considerazione nelprogettazione di schede PCB indossabili

I dispositivi indossabili richiedono elevata affidabilità, così quando scheda PCBI progettisti si trovano di fronte alla scelta di utilizzare FR4 (un materiale di produzione conveniente di schede PCB) o materiali più avanzati e costosi, questo diventerà un problema. Se le applicazioni di schede PCB indossabili richiedono alta velocità, materiali ad alta frequenza, FR4 potrebbe non essere la scelta giusta. La costante dielettrica (Dk) di FR4 è 4,5, La costante dielettrica del materiale più avanzato della serie Rogers 4003 è 3.55, e la costante dielettrica della serie fratello Rogers 4350 è 3.66. La costante dielettrica di un laminato si riferisce al rapporto tra la capacità o l'energia tra una coppia di conduttori vicino al laminato e la capacità o l'energia tra la coppia di conduttori in vuoto. Alle alte frequenze, there is very little loss. Pertanto, Roger 4350 con una costante dielettrica di 3,66 è più adatto per applicazioni ad alta frequenza rispetto a FR4 con una costante dielettrica di 4.5. In circostanze normali, Il numero di strati PCB per dispositivi indossabili varia da 4 a 8 strati. Il principio della costruzione dello strato è che se si tratta di una scheda PCB a 8 strati, Dovrebbe essere in grado di fornire abbastanza terreno e strati di potenza e sandwich lo strato di cablaggio. In questo modo, l'effetto di ondulazione nel crosstalk può essere mantenuto e l'interferenza elettromagnetica (EMI) può essere significativamente ridotta. Nel layout del circuito stampatoprogettazione stage, il piano di layout è generalmente quello di posizionare un grande strato di terra vicino allo strato di distribuzione dell'energia. Questo può formare un effetto ripple molto basso, e il rumore del sistema può anche essere ridotto a quasi zero. This is especially important for the radio frequency subsystem. Rispetto al materiale Rogers, FR4 has a higher dissipation fattore (Df), soprattutto alle alte frequenze. For higher performance FR4 laminates, il valore Df è intorno a 0.002, che è un ordine di grandezza migliore del normale FR4. Tuttavia, Lo stack di Rogers è solo 0.001 or less. Quando i materiali FR4 sono utilizzati per applicazioni ad alta frequenza, ci saranno differenze significative nella perdita di inserimento. La perdita di inserimento è definita come la perdita di potenza del segnale dal punto A al punto B quando si utilizza FR4, Rogers o altri materiali.

Problema manifatturiera

Le schede PCB indossabili richiedono un controllo più rigoroso dell'impedenza. Questo è un fattore importante per i dispositivi indossabili. La corrispondenza di impedenza può produrre la trasmissione del segnale più pulita. Prima, la tolleranza standard per le tracce di trasporto del segnale era ±10%. Questo indicatore ovviamente non è abbastanza buono per i circuiti ad alta frequenza e ad alta velocità odierni. Il requisito attuale è ±7%, e in alcuni casi anche ±5% o meno. Questo parametro e altre variabili influenzeranno seriamente la produzione di queste schede PCB indossabili con controllo dell'impedenza particolarmente rigoroso, limitando così il numero di imprese che possono fabbricarle. La tolleranza dielettrica costante del laminato realizzato con materiali Rogers UHF è generalmente mantenuta a ±2%, e alcuni prodotti possono anche raggiungere ±1%. Al contrario, la tolleranza costante dielettrica del laminato FR4 è fino al 10%. Pertanto, Questi due materiali possono essere trovati che la perdita di inserzione di Rogers è particolarmente bassa. Rispetto ai materiali tradizionali FR4, la perdita di trasmissione e la perdita di inserimento dello stack Rogers sono metà inferiori. Nella maggior parte dei casi, questioni relative ai costi. Tuttavia, Rogers può fornire prestazioni laminate ad alta frequenza relativamente basse a perdita ad un prezzo accettabile. Per applicazioni commerciali, Rogers può essere trasformato in un PCB ibrido con FR4 a base epossidica, some layers of which use Rogers material, e altri strati usano FR4. When choosing a Rogers stack, la frequenza è la considerazione primaria. When the frequency exceeds 500MHz, PCB boardprogettazioneI pazienti tendono a scegliere i materiali Rogers, specialmente per RF/circuiti a microonde, perché questi materiali possono fornire prestazioni superiori quando le tracce superiori sono soggette a stretto controllo dell'impedenza. Rispetto al materiale FR4, Il materiale Rogers può anche fornire la perdita dielettrica più bassa, e la sua costante dielettrica è stabile in un ampio intervallo di frequenza. Inoltre, Il materiale di Rogers può fornire la prestazione ideale di perdita di inserzione bassa richiesta dall'operazione ad alta frequenza. Il coefficiente di espansione termica (CTE) dei materiali della serie Rogers 4000 ha un'eccellente stabilità dimensionale. Ciò significa che rispetto a FR4, quando la scheda PCB subisce freddo, cicli di saldatura a riflusso caldo e molto caldo, l'espansione termica e la contrazione del circuito stampato possono essere mantenute ad un limite stabile sotto cicli di frequenza più elevata e temperatura più elevata. In caso di impilamento misto, È facile da usare la tecnologia comune del processo di produzione per mescolare Rogers e FR4 ad alte prestazioni insieme, quindi è relativamente facile raggiungere un alto rendimento di produzione. Lo stack Rogers non richiede uno speciale processo di preparazione. Il FR4 ordinario non può raggiungere prestazioni elettriche molto affidabili, ma i materiali FR4 ad alte prestazioni hanno buone caratteristiche di affidabilità, come Tg più alto, costo ancora relativamente basso, e può essere utilizzato in una vasta gamma di applicazioni, from simple audioprogettazione Applicazioni complesse a microonde.

RF/Microondeprogettazione considerazioni

La tecnologia portatile e Bluetooth hanno aperto la strada alla RF/Applicazioni a microonde in dispositivi indossabili. La gamma di frequenze di oggi sta diventando sempre più dinamica. Qualche anno fa, molto alta frequenza (VHF) è stata definita come 2GHzï½ 3GHz. Ma ora possiamo vedere applicazioni ad altissima frequenza (UHF) che vanno da 10GHz a 25GHz. Pertanto, per schede PCB indossabili, la parte di radiofrequenza richiede maggiore attenzione ai problemi di cablaggio, e i segnali devono essere separati separatamente, e le tracce che generano segnali ad alta frequenza devono essere tenute lontane dal suolo. Altre considerazioni includono: fornire un filtro bypass, condensatori di disaccoppiamento adeguati, messa a terra, andprogettazioneLa linea di trasmissione e la linea di ritorno devono essere quasi uguali. Il filtro bypass può sopprimere il contenuto di rumore e l'effetto ripple di crosstalk. I condensatori di disaccoppiamento devono essere posizionati più vicino ai pin del dispositivo che trasportano segnali di potenza. Le linee di trasmissione ad alta velocità e i circuiti di segnale richiedono un livello di terra da posizionare tra i segnali dello strato di potenza per regolare il jitter generato dal segnale di rumore. A velocità del segnale più elevate, Piccoli disallineamenti di impedenza causeranno trasmissione e ricezione sbilanciati dei segnali, con conseguente distorsione. Pertanto, particolare attenzione deve essere prestata al problema di corrispondenza dell'impedenza relativo al segnale di radiofrequenza, perché il segnale a radiofrequenza ha una velocità elevata e una tolleranza speciale. Le linee di trasmissione a radiofrequenza richiedono impedenza controllata per trasmettere segnali a radiofrequenza da un substrato IC specifico alla scheda PCB. Queste linee di trasmissione possono essere implementate sullo strato esterno, lo strato superiore e quello inferiore, o possono essereprogettazioneed in the middle layer. I metodi utilizzati durante il layout RF della scheda PCB includono linee microstrip, strisce sospese, Guide d'onda complanari, o messa a terra. La linea microtrip è composta da un metallo o da una traccia di lunghezza fissa e l'intero piano di terra o parte del piano di terra direttamente sotto di essa. L'impedenza caratteristica nella struttura generale della linea microstrip varia da 50Ω a 75Ω.

Tre aree principali a cui i progettisti di schede PCB indossabili devono prestare attenzione

Stripline sospesa è un altro metodo di cablaggio e soppressione del rumore. Questa linea consiste di cablaggio a larghezza fissa sullo strato interno e di un grande piano di terra sopra e sotto il conduttore centrale. Il piano terra è inserito tra il piano di potenza, quindi può fornire un effetto di messa a terra molto efficace. Questo è un metodo preferito per il cablaggio del segnale RF su schede PCB indossabili. Coplanar waveguides può fornire un migliore isolamento tra linee RF e linee che devono essere instradate più vicino. Questo mezzo è costituito da un conduttore centrale e piani di terra su entrambi i lati o sotto. Il metodo di trasmissione dei segnali a radiofrequenza è stripline sospese o guida d'onda complanare. Questi due metodi possono fornire un migliore isolamento tra il segnale e la traccia RF. Si consiglia di utilizzare i cosiddetti "recinti via" su entrambi i lati della guida d'onda complanare. Questo metodo può fornire una fila di vias di terra su ogni piano di terra metallico del conduttore centrale. La traccia principale che corre nel mezzo ha recinzioni su ogni lato, fornendo così una scorciatoia per la corrente di ritorno al suolo sottostante. Questo metodo può ridurre il livello di rumore associato all'alto effetto ripple del segnale RF. La costante dielettrica di 4.5 rimane lo stesso del materiale FR4 del prepreg, mentre la costante dielettrica del prepreg da microstrip, stripline o stripline offset è di circa 3.8 a 3.9. In alcuni dispositivi che utilizzano un piano di terra, vie cieche possono essere utilizzate per migliorare le prestazioni di disaccoppiamento del condensatore di potenza e fornire un percorso shunt dal dispositivo al suolo. Il percorso dello shunt al suolo può accorciare la lunghezza della via, che possono raggiungere due scopi: non solo creare uno shunt o una terra, ma anche ridurre la distanza di trasmissione dei dispositivi con terra piccola, che è un importante fattore di progettazione PCB RF.