Поради малкия размер и размер, почти няма съществуващи стандарти за печатна платка за нарастващия носим пазар на IoT. Преди да излязат тези стандарти, трябваше да разчитаме на знанията и опита на производството, научени в развитието на ниво борд и да помислим как да ги приложим към уникални възникващи предизвикателства. Има три области, които изискват нашето специално внимание. Те са: Повърхностни материали на платката, RF/микровълнов дизайн и RF трансмисионни линии.
PCB материал
„PCB“ обикновено се състои от ламинати, които могат да бъдат направени от подсилени с влакна епоксид (FR4), полиимидни или роджърски материали или други ламинирани материали. Изолационният материал между различните слоеве се нарича прегг.
Носещите устройства изискват висока надеждност, така че когато дизайнерите на PCB са изправени пред избора на използване на FR4 (най-рентабилният производствен материал за производство на печатни платки) или по-напреднали и по-скъпи материали, това ще се превърне в проблем.
Ако носените приложения за печатни платки изискват високоскоростни, високочестотни материали, FR4 може да не е най-добрият избор. Диелектричната константа (DK) на FR4 е 4,5, диелектричната константа на по -напредналия материал от серията Rogers 4003 е 3,55, а диелектричната константа на серията Brother Rogers 4350 е 3,66.
„Диелектричната константа на ламинат се отнася до съотношението на капацитета или енергията между двойка проводници в близост до ламината към капацитета или енергията между двойката проводници във вакуум. При високи честоти е най -добре да има малка загуба. Следователно, Роджър 4350 с диелектрична константа от 3,66 е по -подходяща за приложенията по -голяма честота, отколкото с диелектрическа константа от 4.5.
При нормални обстоятелства броят на PCB слоевете за носими устройства варира от 4 до 8 слоя. Принципът на конструкцията на слоя е, че ако е 8-слой PCB, той трябва да може да осигури достатъчно наземни и захранващи слоеве и да сандвич на слоя за окабеляване. По този начин ефектът на пулсации в кръстосаните разходи може да бъде сведен до минимум и електромагнитните смущения (EMI) могат да бъдат значително намалени.
В етапа на проектиране на платката на платката, планът за оформление обикновено трябва да постави голям заземен слой близо до слоя за разпределение на мощността. Това може да образува много нисък пулсационен ефект и системният шум също може да бъде намален до почти нула. Това е особено важно за радиочестотната подсистема.
В сравнение с материала на Роджърс, FR4 има по -висок коефициент на разсейване (DF), особено при висока честота. За по -висока производителност FR4 ламинати стойността на DF е около 0,002, което е порядък по -добър от обикновения FR4. Стекът на Роджърс обаче е само 0,001 или по -малко. Когато материалът FR4 се използва за приложения с висока честота, ще има значителна разлика в загубата на вмъкване. Загубата на вмъкване се определя като загуба на мощност на сигнала от точка А до точка В при използване на FR4, Роджърс или други материали.
Създайте проблеми
Носенето на печатни платки изисква по -строг контрол на импеданса. Това е важен фактор за носимите устройства. Съпоставянето на импеданса може да доведе до предаване на по -чисти сигнали. По -рано стандартният толеранс към следи за носене на сигнали е ± 10%. Този индикатор очевидно не е достатъчно добър за днешните високочестотни и високоскоростни вериги. Настоящото изискване е ± 7%, а в някои случаи дори ± 5% или по -малко. Този параметър и други променливи ще повлияят сериозно на производството на тези носими ПХБ с особено строг контрол на импеданса, като по този начин ще ограничат броя на бизнеса, които могат да ги произвеждат.
Диелектричната постоянна толерантност на ламината, изработена от Rogers UHF материали, обикновено се поддържа на ± 2%, а някои продукти могат дори да достигнат ± 1%. За разлика от тях, диелектричната постоянна толерантност на ламината FR4 е с 10%. Следователно, сравнете тези два материала, може да се установи, че загубата на вмъкване на Роджърс е особено ниска. В сравнение с традиционните FR4 материали, загубата на трансмисия и загубата на вмъкване на стека Роджърс са наполовина по -ниски.
В повечето случаи цената е най -важната. Въпреки това, Роджърс може да осигури сравнително високочестотни характеристики на ламинат с ниска загуба на приемлива цена. За търговски приложения Rogers могат да бъдат превърнати в хибриден PCB с епоксидна основа на FR4, някои слоеве от които използват материал на Роджърс, а други слоеве използват FR4.
При избора на Rogers Stack, честотата е основното внимание. Когато честотата надвишава 500MHz, дизайнерите на PCB са склонни да избират материали на Роджърс, особено за RF/микровълнови вериги, тъй като тези материали могат да осигурят по -висока производителност, когато горните следи са строго контролирани от импеданса.
В сравнение с материала FR4, материалът на Роджърс може също да осигури по -ниска диелектрична загуба, а диелектричната му константа е стабилна в широк честотен диапазон. В допълнение, материалът на Роджърс може да осигури идеалните характеристики на загуба на ниска вмъкване, изисквани при работа с висока честота.
Коефициентът на термично разширение (CTE) на материалите от серията Rogers 4000 има отлична стабилност на размерите. Това означава, че в сравнение с FR4, когато PCB претърпя студени, горещи и много горещи цикли на запояване на разтопяване, топлинното разширяване и свиване на платката може да се поддържа в стабилна граница при по -висока честота и по -висока температурна цикли.
В случай на смесено подреждане е лесно да се използва обща технология за производствени процеси за смесване на Роджърс и високоефективна FR4 заедно, така че е сравнително лесно да се постигне висок производствен добив. Rogers Stack не изисква специален чрез подготовка.
Common FR4 не може да постигне много надеждни електрически характеристики, но високоефективните материали FR4 имат добри характеристики на надеждност, като по-висок TG, все още сравнително ниска цена и могат да се използват в широк спектър от приложения, от прост аудио дизайн до сложни приложения на микровълнова печка.
Съображения за дизайн на RF/микровълнова печка
Преносимата технология и Bluetooth проправиха пътя за RF/микровълнови приложения в носими устройства. Днешният честотен диапазон става все по -динамичен. Преди няколко години много висока честота (VHF) беше определена като 2GHz ~ 3GHz. Но сега можем да видим приложения за ултра висока честота (UHF), вариращи от 10GHz до 25GHz.
Следователно, за носимата ПХБ, RF частта изисква повече внимание към проблемите на окабеляването, а сигналите трябва да бъдат отделени отделно, а следите, които генерират високочестотни сигнали, трябва да се държат далеч от земята. Други съображения включват: предоставяне на байпасен филтър, адекватни кондензатори за отделяне, заземяване и проектиране на трансмисионната линия и връщането, за да бъдат почти равни.
Байпасният филтър може да потисне пулсационния ефект на съдържанието на шума и кръстосаните разговори. Разединяването на кондензаторите трябва да бъде поставено по -близо до щифтовете на устройството, носещи сигнали за захранване.
Високоскоростните трансмисионни линии и сигнални вериги изискват да се постави заземен слой между сигналите на захранващия слой, за да се изглади трептянето, генериран от шумни сигнали. При по -високи скорости на сигнала малките несъответствия на импеданса ще доведат до небалансирано предаване и приемане на сигнали, което ще доведе до изкривяване. Следователно трябва да се обърне специално внимание на проблема за съвпадение на импеданса, свързан с радиочестотния сигнал, тъй като радиочестотният сигнал има висока скорост и специален толеранс.
RF предавателните линии изискват контролиран импеданс, за да се предадат RF сигнали от специфичен IC субстрат към PCB. Тези преносни линии могат да бъдат реализирани на външния слой, горния слой и долния слой или могат да бъдат проектирани в средния слой.
Методите, използвани по време на оформлението на PCB RF Design, са MicroStrip Line, плаваща лента, копланарна вълновода или заземяване. Линията на микропровода се състои от фиксирана дължина на метал или следи и цялата земна равнина или част от земята равнина непосредствено под нея. Характеристичният импеданс в общата структура на линията на микропроводи варира от 50Ω до 75Ω.
Плаващата лента е друг метод за окабеляване и потискане на шума. Тази линия се състои от окабеляване с фиксирана ширина на вътрешния слой и голяма заземна равнина над и под централния проводник. Наземната равнина е задушена между захранващата равнина, така че може да осигури много ефективен заземяващ ефект. Това е предпочитаният метод за носещо PCB RF сигнални окабеляване.
Копланарният вълновод може да осигури по -добра изолация в близост до RF веригата и веригата, която трябва да бъде насочена по -близо. Тази среда се състои от централен проводник и наземни равнини от двете страни или отдолу. Най -добрият начин за предаване на радиочестотни сигнали е да спрете линиите на ленти или вълноводите от копланар. Тези два метода могат да осигурят по -добра изолация между сигнала и RF следите.
Препоръчва се да се използва така нареченото „чрез ограда“ от двете страни на копланарния вълновод. Този метод може да осигури ред наземни виа на всяка метална земна равнина на централния проводник. Основната следа, която работи в средата, има огради от всяка страна, като по този начин осигурява пряк път за връщащия ток на земята отдолу. Този метод може да намали нивото на шума, свързано с високия пулсационен ефект на RF сигнала. Диелектричната константа от 4,5 остава същата като материала на FR4 на прегрега, докато диелектричната константа на прегрега - от микропровода, лентата или офсетната лента - е около 3,8 до 3,9.
В някои устройства, които използват наземна равнина, слепи VIA могат да се използват за подобряване на работата на отделянето на захранващия кондензатор и осигуряване на маневрен път от устройството до земята. Пътят на шунта към земята може да съкрати дължината на Via. Това може да постигне две цели: Вие не само създавате шунт или земя, но и намалявате разстоянието на предаването на устройства с малки зони, което е важен фактор на проектиране на RF.