A causa de la mida i la mida reduïdes, gairebé no hi ha estàndards de plaques de circuit imprès existents per al creixent mercat d'IoT portàtil. Abans de sortir aquests estàndards, havíem de confiar en el coneixement i l'experiència de fabricació apreses en el desenvolupament a nivell de la junta i pensar com aplicar-los a reptes emergents únics. Hi ha tres àrees que requereixen una atenció especial. Són: materials de superfície de la placa de circuits, disseny de RF/microones i línies de transmissió de RF.

Material PCB

"PCB" consisteix generalment en laminats, que poden estar fets d'epoxi reforçat amb fibra (FR4), poliimida o materials Rogers o altres materials laminats. El material aïllant entre les diferents capes s'anomena preimpregnat.

els dispositius portàtils requereixen una alta fiabilitat, de manera que quan els dissenyadors de PCB s'enfronten a l'elecció d'utilitzar FR4 (el material de fabricació de PCB més rendible) o materials més avançats i més cars, això es convertirà en un problema.

Si les aplicacions de PCB portàtils requereixen materials d'alta velocitat i alta freqüència, és possible que FR4 no sigui la millor opció. La constant dielèctrica (Dk) de FR4 és 4,5, la constant dielèctrica del material més avançat de la sèrie Rogers 4003 és 3,55 i la constant dielèctrica de la sèrie germà Rogers 4350 és 3,66.

"La constant dielèctrica d'un laminat es refereix a la relació entre la capacitat o energia entre un parell de conductors propers al laminat i la capacitat o energia entre el parell de conductors al buit. A freqüències altes, el millor és tenir una petita pèrdua. Per tant, Roger 4350 amb una constant dielèctrica de 3,66 és més adequat per a aplicacions de freqüència més alta que FR4 amb una constant dielèctrica de 4,5.

En circumstàncies normals, el nombre de capes de PCB per a dispositius portàtils oscil·la entre 4 i 8 capes. El principi de la construcció de capes és que si es tracta d'un PCB de 8 capes, hauria de poder proporcionar prou capes de terra i potència i entrepansar la capa de cablejat. D'aquesta manera, l'efecte ondulació en la diafonia es pot mantenir al mínim i la interferència electromagnètica (EMI) es pot reduir significativament.

En l'etapa de disseny de la placa de circuit, el pla de disseny generalment consisteix a col·locar una gran capa de terra a prop de la capa de distribució d'energia. Això pot formar un efecte ondulació molt baix i el soroll del sistema també es pot reduir a gairebé zero. Això és especialment important per al subsistema de radiofreqüència.

En comparació amb el material de Rogers, FR4 té un factor de dissipació (Df) més alt, especialment a alta freqüència. Per als laminats FR4 de major rendiment, el valor Df és d'uns 0,002, que és un ordre de magnitud millor que el FR4 normal. Tanmateix, la pila de Rogers és només de 0,001 o menys. Quan s'utilitza material FR4 per a aplicacions d'alta freqüència, hi haurà una diferència significativa en la pèrdua d'inserció. La pèrdua d'inserció es defineix com la pèrdua de potència del senyal del punt A al punt B quan s'utilitza FR4, Rogers o altres materials.

crear problemes

El PCB portàtil requereix un control d'impedància més estricte. Aquest és un factor important per als dispositius portàtils. La concordança d'impedància pot produir una transmissió de senyal més neta. Abans, la tolerància estàndard per a les traces de senyalització era de ± 10%. Aquest indicador, òbviament, no és prou bo per als circuits d'alta freqüència i alta velocitat actuals. El requisit actual és de ± 7% i, en alguns casos, fins i tot de ± 5% o menys. Aquest paràmetre i altres variables afectaran seriosament la fabricació d'aquests PCB portàtils amb un control d'impedància especialment estricte, limitant així el nombre d'empreses que els poden fabricar.

La tolerància constant dielèctrica del laminat fet de materials Rogers UHF es manté generalment en un ±2%, i alguns productes poden arribar fins i tot a un ±1%. En canvi, la tolerància constant dielèctrica del laminat FR4 és tan alta com el 10%. Per tant, compareu aquests dos materials es pot trobar que la pèrdua d'inserció de Rogers és particularment baixa. En comparació amb els materials FR4 tradicionals, la pèrdua de transmissió i la pèrdua d'inserció de la pila Rogers són mig inferiors.

En la majoria dels casos, el cost és el més important. Tanmateix, Rogers pot proporcionar un rendiment de laminat d'alta freqüència amb pèrdues relativament baixes a un preu acceptable. Per a aplicacions comercials, Rogers es pot convertir en un PCB híbrid amb FR4 basat en epoxi, algunes capes de les quals utilitzen material Rogers i altres capes utilitzen FR4.

En triar una pila de Rogers, la freqüència és la consideració principal. Quan la freqüència supera els 500 MHz, els dissenyadors de PCB solen triar materials Rogers, especialment per a circuits de RF/microones, perquè aquests materials poden oferir un rendiment superior quan les traces superiors estan estrictament controlades per la impedància.

En comparació amb el material FR4, el material Rogers també pot proporcionar una menor pèrdua dielèctrica i la seva constant dielèctrica és estable en un ampli rang de freqüències. A més, el material Rogers pot proporcionar el rendiment ideal de pèrdua d'inserció baixa requerit per l'operació d'alta freqüència.

El coeficient d'expansió tèrmica (CTE) dels materials de la sèrie Rogers 4000 té una excel·lent estabilitat dimensional. Això vol dir que, en comparació amb FR4, quan el PCB pateix cicles de soldadura de refluig fred, calent i molt calent, l'expansió tèrmica i la contracció de la placa de circuits es poden mantenir en un límit estable amb cicles de freqüència i temperatura més alts.

En el cas de l'apilament mixt, és fàcil utilitzar la tecnologia de procés de fabricació comuna per barrejar Rogers i FR4 d'alt rendiment, de manera que és relativament fàcil aconseguir un alt rendiment de fabricació. La pila de Rogers no requereix un procés especial de preparació.

El FR4 comú no pot aconseguir un rendiment elèctric molt fiable, però els materials FR4 d'alt rendiment tenen bones característiques de fiabilitat, com ara una Tg més alta, un cost encara relativament baix i es pot utilitzar en una àmplia gamma d'aplicacions, des del disseny d'àudio simple fins a aplicacions complexes de microones. .

Consideracions de disseny de RF/microones

La tecnologia portàtil i el Bluetooth han obert el camí per a aplicacions de RF/microones en dispositius portàtils. El rang de freqüències d'avui és cada cop més dinàmic. Fa uns anys, la freqüència molt alta (VHF) es va definir com a 2GHz~3GHz. Però ara podem veure aplicacions d'ultra-alta freqüència (UHF) que van des dels 10 GHz fins als 25 GHz.

Per tant, per a la PCB portàtil, la part de RF requereix més atenció als problemes de cablejat i els senyals s'han de separar per separat i les traces que generen senyals d'alta freqüència s'han de mantenir allunyades del terra. Altres consideracions inclouen: proporcionar un filtre de derivació, condensadors de desacoblament adequats, posar a terra i dissenyar la línia de transmissió i la línia de retorn per ser gairebé iguals.

El filtre de derivació pot suprimir l'efecte ondulació del contingut de soroll i la diafonia. Els condensadors de desacoblament s'han de col·locar més a prop dels pins del dispositiu que transporten senyals d'alimentació.

Les línies de transmissió d'alta velocitat i els circuits de senyal requereixen que es col·loqui una capa de terra entre els senyals de la capa de potència per suavitzar la fluctuació generada pels senyals de soroll. A velocitats de senyal més altes, els petits desajustos d'impedància provocaran una transmissió i recepció desequilibrada dels senyals, donant lloc a una distorsió. Per tant, s'ha de prestar especial atenció al problema de concordança d'impedància relacionat amb el senyal de radiofreqüència, ja que el senyal de radiofreqüència té una alta velocitat i una tolerància especial.

Les línies de transmissió de RF requereixen una impedància controlada per transmetre senyals de RF des d'un substrat IC específic a la PCB. Aquestes línies de transmissió es poden implementar a la capa exterior, la capa superior i la capa inferior, o es poden dissenyar a la capa mitjana.

Els mètodes utilitzats durant el disseny de disseny de PCB RF són la línia de microstrip, la línia de cinta flotant, la guia d'ona coplanar o la connexió a terra. La línia de microstrip consta d'una longitud fixa de metall o traces i tot el pla de terra o part del pla de terra directament a sota d'ella. La impedància característica de l'estructura general de la línia microstrip oscil·la entre 50Ω i 75Ω.

La línia de banda flotant és un altre mètode de cablejat i supressió de soroll. Aquesta línia consisteix en un cablejat d'amplada fixa a la capa interior i un gran pla de terra per sobre i per sota del conductor central. El pla de terra està intercalat entre el pla de potència, de manera que pot proporcionar un efecte de connexió a terra molt eficaç. Aquest és el mètode preferit per al cablejat del senyal de RF de PCB portàtil.

La guia d'ones coplanar pot proporcionar un millor aïllament a prop del circuit de RF i del circuit que s'ha d'encaminar més a prop. Aquest medi consisteix en un conductor central i plans de terra a banda i banda o per sota. La millor manera de transmetre senyals de radiofreqüència és suspendre línies de tira o guies d'ones coplanars. Aquests dos mètodes poden proporcionar un millor aïllament entre el senyal i les traces de RF.

Es recomana utilitzar l'anomenat "via tanca" a ambdós costats de la guia d'ones coplanar. Aquest mètode pot proporcionar una fila de vies de terra a cada pla de terra metàl·lic del conductor central. El traçat principal que circula pel mig té tanques a cada costat, proporcionant així una drecera per al corrent de retorn al sòl de sota. Aquest mètode pot reduir el nivell de soroll associat a l'alt efecte ondulació del senyal de RF. La constant dielèctrica de 4,5 segueix sent la mateixa que el material FR4 del preimpregnat, mentre que la constant dielèctrica del preimpregnat (de microstrip, stripline o stripline offset) és d'uns 3,8 a 3,9.

En alguns dispositius que utilitzen un pla de terra, es poden utilitzar vies cegues per millorar el rendiment de desacoblament del condensador de potència i proporcionar un camí de derivació des del dispositiu fins a terra. El camí de derivació a terra pot escurçar la longitud de la via. Això pot aconseguir dos propòsits: no només creeu una derivació o terra, sinó que també reduïu la distància de transmissió dels dispositius amb àrees reduïdes, que és un factor de disseny de RF important.