På grund af den lille størrelse og størrelse er der næsten ingen eksisterende printkortstandarder for det voksende bærbare IoT-marked. Før disse standarder kom ud, måtte vi stole på den viden og produktionserfaring, vi havde lært i udvikling på bestyrelsesniveau, og tænke på, hvordan vi kunne anvende dem på unikke nye udfordringer. Der er tre områder, som kræver vores særlige opmærksomhed. De er: printplade overfladematerialer, RF/mikrobølgedesign og RF transmissionslinjer.

PCB materiale

"PCB" består generelt af laminater, som kan være lavet af fiberforstærket epoxy (FR4), polyimid eller Rogers-materialer eller andre laminatmaterialer. Det isolerende materiale mellem de forskellige lag kaldes en prepreg.

bærbare enheder kræver høj pålidelighed, så når PCB-designere står over for valget mellem at bruge FR4 (det mest omkostningseffektive PCB-fremstillingsmateriale) eller mere avancerede og dyrere materialer, vil dette blive et problem.

Hvis bærbare PCB-applikationer kræver højhastigheds- og højfrekvente materialer, er FR4 muligvis ikke det bedste valg. Den dielektriske konstant (Dk) for FR4 er 4,5, den dielektriske konstant for det mere avancerede Rogers 4003-seriemateriale er 3,55, og dielektricitetskonstanten for Brother-serien Rogers 4350 er 3,66.

"Den dielektriske konstant for et laminat refererer til forholdet mellem kapacitansen eller energien mellem et par ledere nær laminatet og kapacitansen eller energien mellem lederparret i vakuum. Ved høje frekvenser er det bedst at have et lille tab. Derfor er Roger 4350 med en dielektrisk konstant på 3,66 mere velegnet til højere frekvensapplikationer end FR4 med en dielektrisk konstant på 4,5.

Under normale omstændigheder varierer antallet af PCB-lag til bærbare enheder fra 4 til 8 lag. Princippet for lagkonstruktion er, at hvis det er et 8-lags printkort, skal det kunne give nok jord- og strømlag og klemme ledningslaget. På denne måde kan krusningseffekten i krydstale holdes på et minimum, og elektromagnetisk interferens (EMI) kan reduceres betydeligt.

I designfasen for printkortlayout er layoutplanen generelt at placere et stort jordlag tæt på strømfordelingslaget. Dette kan danne en meget lav bølgeeffekt, og systemstøjen kan også reduceres til næsten nul. Dette er især vigtigt for radiofrekvensundersystemet.

Sammenlignet med Rogers materiale har FR4 en højere dissipationsfaktor (Df), især ved høj frekvens. For højere ydeevne FR4-laminater er Df-værdien omkring 0,002, hvilket er en størrelsesorden bedre end almindelig FR4. Dog er Rogers' stack kun 0,001 eller mindre. Når FR4-materiale bruges til højfrekvente applikationer, vil der være en betydelig forskel i indføringstab. Indføringstab er defineret som effekttabet for signalet fra punkt A til punkt B, når der bruges FR4, Rogers eller andre materialer.

skabe problemer

Bærbart PCB kræver strengere impedanskontrol. Dette er en vigtig faktor for bærbare enheder. Impedanstilpasning kan give renere signaltransmission. Tidligere var standardtolerancen for signalbærende spor ±10%. Denne indikator er åbenbart ikke god nok til nutidens højfrekvente og højhastighedskredsløb. Det nuværende krav er ±7 %, og i nogle tilfælde endda ±5 % eller mindre. Denne parameter og andre variabler vil alvorligt påvirke fremstillingen af ​​disse bærbare PCB'er med særlig streng impedanskontrol, og derved begrænse antallet af virksomheder, der kan fremstille dem.

Den dielektriske konstanttolerance for laminatet lavet af Rogers UHF-materialer opretholdes generelt på ±2%, og nogle produkter kan endda nå ±1%. I modsætning hertil er den dielektriske konstanttolerance for FR4-laminatet så høj som 10%. Sammenlign derfor Disse to materialer kan konstateres, at Rogers' indføringstab er særligt lavt. Sammenlignet med traditionelle FR4-materialer er transmissionstabet og indføringstabet af Rogers-stakken halvt lavere.

I de fleste tilfælde er omkostningerne det vigtigste. Dog kan Rogers levere højfrekvent laminatydelse med relativt lavt tab til en acceptabel pris. Til kommercielle anvendelser kan Rogers laves om til et hybridt PCB med epoxybaseret FR4, hvoraf nogle lag bruger Rogers materiale, og andre lag bruger FR4.

Når du vælger en Rogers-stack, er frekvens den primære overvejelse. Når frekvensen overstiger 500MHz, har PCB-designere en tendens til at vælge Rogers-materialer, især til RF/mikrobølgekredsløb, fordi disse materialer kan give højere ydeevne, når de øvre spor er strengt styret af impedans.

Sammenlignet med FR4-materiale kan Rogers-materiale også give lavere dielektrisk tab, og dets dielektriske konstant er stabil i et bredt frekvensområde. Derudover kan Rogers-materiale give den ideelle ydeevne med lavt indføringstab, der kræves ved højfrekvent drift.

Termisk udvidelseskoefficient (CTE) af Rogers 4000-seriens materialer har fremragende dimensionsstabilitet. Dette betyder, at sammenlignet med FR4, når printkortet gennemgår kolde, varme og meget varme reflow-loddecyklusser, kan den termiske ekspansion og sammentrækning af printkortet holdes på en stabil grænse under højere frekvenser og højere temperaturcyklusser.

I tilfælde af blandet stabling er det let at bruge almindelig fremstillingsprocesteknologi til at blande Rogers og højtydende FR4 sammen, så det er relativt nemt at opnå et højt produktionsudbytte. Rogers-stakken kræver ikke en speciel forberedelsesproces.

Almindelig FR4 kan ikke opnå særlig pålidelig elektrisk ydeevne, men højtydende FR4-materialer har gode pålidelighedsegenskaber, såsom højere Tg, stadig relativt lave omkostninger, og kan bruges i en bred vifte af applikationer, fra simpelt lyddesign til komplekse mikrobølgeapplikationer .

RF/mikrobølgedesign overvejelser

Bærbar teknologi og Bluetooth har banet vejen for RF/mikrobølgeapplikationer i bærbare enheder. Dagens frekvensområde bliver mere og mere dynamisk. For nogle år siden blev meget høj frekvens (VHF) defineret som 2GHz~3GHz. Men nu kan vi se ultrahøjfrekvente (UHF) applikationer, der spænder fra 10GHz til 25GHz.

Derfor kræver RF-delen for det bærbare PCB mere opmærksomhed på ledningsproblemerne, og signalerne skal adskilles separat, og de spor, der genererer højfrekvente signaler, skal holdes væk fra jorden. Andre overvejelser omfatter: tilvejebringelse af et bypass-filter, passende afkoblingskondensatorer, jordforbindelse og udformning af transmissionsledningen og returledningen til at være næsten ens.

Bypass-filter kan undertrykke bølgeeffekten af ​​støjindhold og krydstale. Afkoblingskondensatorer skal placeres tættere på enhedens ben, der bærer strømsignaler.

Højhastighedstransmissionslinjer og signalkredsløb kræver, at et jordlag placeres mellem effektlagets signaler for at udjævne jitteren genereret af støjsignaler. Ved højere signalhastigheder vil små impedansforstyrrelser forårsage ubalanceret transmission og modtagelse af signaler, hvilket resulterer i forvrængning. Derfor skal der lægges særlig vægt på impedanstilpasningsproblemet relateret til radiofrekvenssignalet, fordi radiofrekvenssignalet har en høj hastighed og en særlig tolerance.

RF-transmissionslinjer kræver styret impedans for at transmittere RF-signaler fra et specifikt IC-substrat til PCB'en. Disse transmissionslinjer kan implementeres på det ydre lag, det øverste lag og det nederste lag eller kan designes i det mellemste lag.

Metoderne, der bruges under PCB RF-designlayout, er mikrostriplinje, flydende striplinje, koplanar bølgeleder eller jording. Mikrostriplinjen består af en fast længde af metal eller spor og hele jordplanet eller en del af jordplanet direkte under det. Den karakteristiske impedans i den generelle mikrostrip-linjestruktur spænder fra 50Ω til 75Ω.

Flydende stripline er en anden metode til ledningsføring og støjdæmpning. Denne linje består af ledninger med fast bredde på det indre lag og et stort jordplan over og under centerlederen. Jordplanet er klemt mellem strømplanet, så det kan give en meget effektiv jordingseffekt. Dette er den foretrukne metode til bærbare PCB RF-signalledninger.

Coplanar bølgeleder kan give bedre isolation nær RF-kredsløbet og kredsløbet, der skal dirigeres tættere på. Dette medium består af en central leder og jordplaner på begge sider eller under. Den bedste måde at transmittere radiofrekvenssignaler på er at suspendere striplinjer eller koplanære bølgeledere. Disse to metoder kan give bedre isolation mellem signalet og RF-sporene.

Det anbefales at bruge det såkaldte "via hegn" på begge sider af den koplanare bølgeleder. Denne metode kan give en række jordforbindelser på hvert metaljordplan af centerlederen. Hovedsporet, der løber i midten, har hegn på hver side, hvilket giver en genvej til returstrømmen til jorden nedenfor. Denne metode kan reducere støjniveauet forbundet med den høje bølgeeffekt af RF-signalet. Dielektricitetskonstanten på 4,5 forbliver den samme som FR4-materialet i prepreg, mens dielektricitetskonstanten for prepreg - fra microstrip, stripline eller offset stripline - er omkring 3,8 til 3,9.

I nogle enheder, der bruger et jordplan, kan blinde vias bruges til at forbedre afkoblingsydelsen af ​​strømkondensatoren og give en shuntvej fra enheden til jorden. Shuntvejen til jorden kan forkorte længden af ​​gennemgangen. Dette kan opnå to formål: du skaber ikke kun en shunt eller jord, men reducerer også transmissionsafstanden for enheder med små områder, hvilket er en vigtig RF-designfaktor.