Vzhledem k malé velikosti a velikosti neexistují téměř žádné existující standardy desky s obvody pro rostoucí nositelný trh IoT. Než tyto standardy vyšly, museli jsme se spoléhat na znalosti a výrobní zkušenosti naučené v rozvoji na úrovni rady a přemýšlet o tom, jak je použít na jedinečné vznikající výzvy. Existují tři oblasti, které vyžadují naši zvláštní pozornost. Jsou to: povrchové materiály na ploše, RF/mikrovlnná trouba a přenosové vedení RF.
Materiál PCB
„PCB“ obecně sestává z laminátů, které mohou být vyrobeny z epoxidových (FR4), materiálů polyimidu nebo Rogers nebo jiných laminátových materiálů. Izolační materiál mezi různými vrstvami se nazývá prepreg.
Nositelná zařízení vyžadují vysokou spolehlivost, takže pokud návrháři PCB čelí výběru použití FR4 (nákladově nejúčinnější výrobní materiál PCB) nebo pokročilejší a dražší materiály, stane se to problémem.
Pokud nositelné aplikace PCB vyžadují vysokorychlostní vysokofrekvenční materiály, FR4 nemusí být nejlepší volbou. Dielektrická konstanta (DK) FR4 je 4,5, dielektrická konstanta pokročilejšího materiálu řady Rogers 4003 je 3,55 a dielektrická konstanta série bratrů Rogers 4350 je 3,66.
„Dielektrická konstanta laminátu odkazuje na poměr kapacitance nebo energie mezi dvojicí vodičů poblíž laminátu k kapacitu nebo energii mezi dvojicí vodičů ve vakuu. Při vysokých frekvencích je nejlepší mít malou ztrátu. Proto je Malou ztrátu.
Za normálních okolností se počet vrstev PCB pro nositelná zařízení pohybuje od 4 do 8 vrstev. Princip konstrukce vrstvy je, že pokud se jedná o 8vrstvý PCB, měl by být schopen poskytnout dostatek pozemních a výkonových vrstev a sendvičoval vrstvu zapojení. Tímto způsobem lze zvlnění při přeslechu udržovat na minimálním a elektromagnetické interferenci (EMI).
Ve fázi návrhu rozložení desky obvodu je plán rozvržení obecně umístit velkou zemní vrstvu blízko vrstvy distribuce energie. To může tvořit velmi nízký zvlnění a hluk systému lze také snížit na téměř nulu. To je zvláště důležité pro subsystém s frekvencí.
Ve srovnání s Rogersovým materiálem má FR4 vyšší disipační faktor (DF), zejména při vysoké frekvenci. Pro lamináty s vyšší výkonností FR4 je hodnota DF asi 0,002, což je řádová velikost lepší než obyčejná FR4. Rogersův zásobník je však pouze 0,001 nebo méně. Pokud se materiál FR4 používá pro vysokofrekvenční aplikace, bude významný rozdíl ve ztrátě vložení. Ztráta vložení je definována jako ztráta výkonu signálu z bodu A do bodu B při použití FR4, Rogers nebo jiných materiálů.
Vytvářejte problémy
Nositelná PCB vyžaduje přísnější kontrolu impedance. To je důležitý faktor pro nositelná zařízení. Impedanční shoda může produkovat čistší přenos signálu. Dříve byla standardní tolerance pro stopy nesoucí signál ± 10%. Tento indikátor zjevně není dost dobrý pro dnešní vysokofrekvenční a vysokorychlostní obvody. Současný požadavek je ± 7% a v některých případech dokonce ± 5% nebo méně. Tento parametr a další proměnné vážně ovlivní výrobu těchto nositelných PCB se zvláště přísnou kontrolou impedance, čímž omezí počet podniků, které je mohou vyrábět.
Dielektrická konstantní tolerance laminátu vyrobeného z Rogers UHF materiálů je obecně udržována na ± 2%a některé produkty mohou dokonce dosáhnout ± 1%. Naproti tomu dielektrická konstantní tolerance laminátu FR4 je až 10%. Proto lze tyto dva materiály zjistit, že Rogersova ztráta vložení je zvláště nízká. Ve srovnání s tradičními materiály FR4 jsou ztráta přenosu a ztráta vložení Rogersova zásobníku poloviční.
Ve většině případů jsou náklady nejdůležitější. Rogers však může poskytnout vysokofrekvenční laminátový výkon relativně s nízkým ztrátou za přijatelný cenový bod. U komerčních aplikací může být Rogers vyroben do hybridního PCB s epoxidovým FR4, z nichž některé vrstvy používají Rogersovu materiál a další vrstvy používají FR4.
Při výběru zásobníku Rogers je primární zvážení frekvence. Když frekvence přesáhne 500 MHz, návrháři PCB mají tendenci vybírat Rogersovy materiály, zejména pro RF/mikrovlnné obvody, protože tyto materiály mohou poskytnout vyšší výkon, když jsou horní stopy přísně řízeny impedancí.
Ve srovnání s materiálem FR4 může materiál Rogers také poskytnout nižší dielektrické ztráty a jeho dielektrická konstanta je stabilní v širokém frekvenčním rozsahu. Kromě toho může Rogers materiál poskytnout ideální výkon ztráty nízkého vložení vyžadovaného vysokofrekvenčním provozem.
Koeficient tepelné roztažnosti (CTE) materiálů řady Rogers 4000 má vynikající rozměrovou stabilitu. To znamená, že ve srovnání s FR4, když PCB podléhá chladným, horkým a velmi horkým reflowovým pájecím cyklům, může být tepelná roztažení a kontrakce desky obvodu udržována na stabilním limitu při vyšší frekvenci a cyklů vyšších teplot.
V případě smíšeného stohování je snadné používat běžnou technologii výrobních procesů pro smíchání Rogers a vysoce výkonné FR4 dohromady, takže je relativně snadné dosáhnout vysokého výrobního výnosu. Stack Rogers nevyžaduje speciální proces přípravy.
Společný FR4 nemůže dosáhnout velmi spolehlivého elektrického výkonu, ale vysoce výkonné materiály FR4 mají dobré vlastnosti spolehlivosti, jako je vyšší TG, stále relativně nízké náklady a lze je použít v široké škále aplikací, od jednoduchého zvukového designu po komplexní mikrovlnné aplikace.
Úvahy o návrhu RF/mikrovlnné trouby
Přenosná technologie a Bluetooth připravily cestu pro RF/mikrovlnné aplikace v nositelných zařízeních. Dnešní frekvenční rozsah se stává stále dynamičtějším. Před několika lety byla velmi vysoká frekvence (VHF) definována jako 2GHz ~ 3GHz. Nyní však můžeme vidět aplikace ultra vysoké frekvence (UHF) v rozmezí od 10 GHz do 25 GHz.
Proto pro nositelnou PCB vyžaduje RF část více pozornosti na problémy s zapojením a signály by měly být odděleny samostatně a stopy, které vytvářejí vysokofrekvenční signály, by měly být drženy daleko od země. Mezi další úvahy patří: Poskytování bypassového filtru, odpovídající oddělení oddělení, uzemnění a navrhování přenosové linky a zpětné linky, aby byly téměř stejné.
Filtr bypass může potlačit zvlnění obsahu šumu a přeslechu. Oddělující kondenzátory je třeba umístit blíže k kolíkům zařízení nesoucího výkonové signály.
Vysokorychlostní přenosové vedení a signální obvody vyžadují, aby mezi signály výkonové vrstvy vyhladily škubnutí generované signály šumu. Při vyšších rychlostech signálu způsobí malé impedanční neshody nevyvážený přenos a příjem signálů, což povede k zkreslení. Zvláštní pozornost proto musí být věnována problému s porovnáním impedance související s signálem rádiového frekvence, protože rádiový frekvenční signál má vysokou rychlost a speciální toleranci.
Přenosové vedení RF vyžadují kontrolovanou impedanci, aby přenesly RF signály z konkrétního IC substrátu do PCB. Tyto přenosové vedení mohou být implementovány na vnější vrstvě, horní vrstvě a spodní vrstvě nebo mohou být navrženy ve střední vrstvě.
Metody použité během rozvržení návrhu PCB RF jsou mikropáskovací linka, linie plovoucího proužku, vlnovod Coplanar nebo uzemnění. Řádek mikropáskové linie se skládá z pevné délky kovu nebo stop a celé zemní roviny nebo části základní roviny přímo pod ní. Charakteristická impedance v obecné struktuře mikropáskové linie se pohybuje od 50Ω do 75Ω.
Floating Stripline je další způsob zapojení zapojení a potlačení šumu. Tato čára se skládá z zapojení pevné šířky na vnitřní vrstvě a velké zemní roviny nad a pod středovým vodičem. Pozemní rovina je vložena mezi energetickou rovinu, takže může poskytnout velmi efektivní uzemňovací účinek. Toto je preferovaná metoda pro nositelné kabely signálu PCB RF.
Vlnovod Coplanar může poskytnout lepší izolaci poblíž RF obvodu a obvodu, který je třeba směrovat blíže. Toto médium se skládá z centrálního vodiče a pozemních rovin na obou stranách nebo pod. Nejlepší způsob, jak přenášet rádiové frekvenční signály, je pozastavit linky proužky nebo kočárkové vlnovody. Tyto dvě metody mohou poskytnout lepší izolaci mezi stopami signálu a RF.
Doporučuje se používat tzv. „Via plot“ na obou stranách vlnovodu coplanar. Tato metoda může poskytnout řadu pozemních průchodů na každé kovové zemní rovině středového vodiče. Hlavní stopa běžící uprostřed má ploty na každé straně, čímž poskytuje zkratku pro návratový proud na zem níže. Tato metoda může snížit hladinu šumu spojenou s vysokým zvlněným účinkem signálu RF. Dielektrická konstanta 4,5 zůstává stejná jako materiál FR4 předběžného regulace, zatímco dielektrická konstanta pregrega - od mikropáskového, pásového linie nebo offsetového proužku - je asi 3,8 až 3,9.
V některých zařízeních, která používají pozemní rovinu, mohou být slepé průlety použity ke zlepšení oddělení oddělení výkonu a poskytnutí dráhy zhu od zařízení k zemi. Shunt cesta k zemi může zkrátit délku via. To může dosáhnout dvou účelů: Nejenže vytvoříte zkrat nebo půdu, ale také snižujete přenosovou vzdálenost zařízení s malými plochami, což je důležitý RF konstrukční faktor.
