Debido ao pequeno tamaño e tamaño, case non hai estándares de placa de circuítos impresos existentes para o mercado IoT que se pode levar a cabo. Antes de saír destes estándares, tivemos que confiar no coñecemento e experiencia de fabricación aprendidos no desenvolvemento do nivel do consello e pensar en como aplicalos a retos emerxentes únicos. Hai tres áreas que requiren a nosa atención especial. Son: materiais de superficie da placa de circuíto, deseño de RF/microondas e liñas de transmisión de RF.

Material PCB

O "PCB" consiste xeralmente en laminados, que poden estar feitos de epoxi reforzado con fibra (FR4), polimidas ou materiais de Rogers ou outros materiais laminados. O material illante entre as distintas capas chámase prepreg.

Os dispositivos usables requiren unha alta fiabilidade, polo que cando os deseñadores de PCB se enfrontan á elección de usar FR4 (o material de fabricación de PCB máis rendible) ou materiais máis avanzados e máis caros, isto converterase nun problema.

Se as aplicacións de PCB usables requiren materiais de alta velocidade e de alta frecuencia, pode que FR4 non sexa a mellor opción. A constante dieléctrica (DK) de FR4 é 4,5, a constante dieléctrica do material máis avanzado de Series 4003 da serie é 3,55 e a constante dieléctrica da serie irmán Rogers 4350 é 3,66.

"A constante dieléctrica dun laminado refírese á relación entre a capacitancia ou a enerxía entre un par de condutores próximos ao laminado coa capacitancia ou a enerxía entre o par de condutores en baleiro. A altas frecuencias, é mellor ter unha pequena perda. Polo tanto, Roger 4350 cunha constante dieléctrica de 3,66 é máis adecuada para aplicacións de frecuencia máis alta. Con unha constante de frecuencia.

En circunstancias normais, o número de capas de PCB para dispositivos que se poden levar oscilan entre 4 e 8 capas. O principio de construción de capas é que se se trata dun PCB de 8 capas, debería poder proporcionar suficientes capas de terra e de enerxía e sandwich a capa de cableado. Deste xeito, o efecto de ondulación no cruzamento pódese manter a unha interferencia mínima e electromagnética (EMI) pode reducirse significativamente.

Na fase de deseño da disposición da placa de circuíto, o plan de deseño normalmente é colocar unha gran capa de terra preto da capa de distribución de enerxía. Isto pode formar un efecto de ondulación moi baixo e o ruído do sistema tamén se pode reducir a case cero. Isto é especialmente importante para o subsistema de frecuencia de radio.

En comparación co material Rogers, FR4 ten un factor de disipación máis elevado (DF), especialmente a alta frecuencia. Para os laminados FR4 de maior rendemento, o valor DF é de aproximadamente 0,002, o que é unha orde de magnitude mellor que a FR4 ordinaria. Non obstante, a pila de Rogers é só 0,001 ou menos. Cando o material FR4 se usa para aplicacións de alta frecuencia, haberá unha diferenza significativa na perda de inserción. A perda de inserción defínese como a perda de potencia do sinal do punto A ao punto B cando se usa FR4, Rogers ou outros materiais.

crear problemas

O PCB usable require un control de impedancia máis estrito. Este é un factor importante para os dispositivos que se poden levar. A correspondencia de impedancias pode producir unha transmisión de sinal máis limpa. Anteriormente, a tolerancia estándar para os rastros de transporte de sinal foi do ± 10%. Este indicador obviamente non é o suficientemente bo para os circuítos de alta frecuencia de alta frecuencia e de alta velocidade. O requisito actual é de ± 7%, e nalgúns casos incluso ± 5% ou menos. Este parámetro e outras variables afectarán seriamente á fabricación destes PCB usables cun control de impedancia especialmente estrito, limitando así o número de empresas que poden fabricalas.

A tolerancia constante dieléctrica do laminado feita de materiais UHF de Rogers mantense xeralmente nun ± 2%, e algúns produtos poden chegar a ± 1%. En contraste, a tolerancia constante dieléctrica do laminado FR4 é ata o 10%. Polo tanto, comparar estes dous materiais pódese atopar que a perda de inserción de Rogers é especialmente baixa. En comparación cos materiais tradicionais de FR4, a perda de transmisión e a perda de inserción da pila de Rogers son medio máis baixas.

Na maioría dos casos, o custo é o máis importante. Non obstante, os Rogers poden proporcionar un rendemento laminado de alta frecuencia relativamente baixa a un punto de prezo aceptable. Para aplicacións comerciais, Rogers pódese converter nun PCB híbrido con FR4 baseado en epoxi, algunhas capas das cales usan material Rogers e outras capas usan FR4.

Ao escoller unha pila de Rogers, a frecuencia é a consideración principal. Cando a frecuencia supera os 500MHz, os deseñadores de PCB tenden a escoller materiais Rogers, especialmente para circuítos RF/Microondas, porque estes materiais poden proporcionar un maior rendemento cando as pegadas superiores están estrictamente controladas por impedancia.

En comparación co material FR4, o material Rogers tamén pode proporcionar unha menor perda dieléctrica e a súa constante dieléctrica é estable nun amplo rango de frecuencias. Ademais, o material Rogers pode proporcionar o rendemento ideal de baixa perda de inserción requirido pola operación de alta frecuencia.

O coeficiente de expansión térmica (CTE) dos materiais da serie Rogers 4000 ten unha excelente estabilidade dimensional. Isto significa que en comparación con FR4, cando o PCB sofre ciclos de soldadura fría, quente e moi quente, a expansión térmica e a contracción da placa de circuíto pódese manter nun límite estable baixo maior frecuencia e ciclos de temperatura máis altos.

No caso do apilado mixto, é fácil usar a tecnoloxía de proceso de fabricación común para mesturar Rogers e FR4 de alto rendemento xuntos, polo que é relativamente fácil conseguir un alto rendemento de fabricación. A pila de Rogers non require un proceso especial a través do proceso de preparación.

O FR4 común non pode conseguir un rendemento eléctrico moi fiable, pero os materiais FR4 de alto rendemento teñen boas características de fiabilidade, como TG maior, aínda de custo relativamente baixo, e pódense usar nunha ampla gama de aplicacións, desde un deseño de audio sinxelo ata aplicacións de microondas complexas.

Consideracións de deseño de RF/microondas

A tecnoloxía portátil e o Bluetooth abriron o camiño para aplicacións RF/Microondas en dispositivos que se poden levar. O rango de frecuencias de hoxe é cada vez máis dinámico. Hai uns anos, a frecuencia moi alta (VHF) definiuse como 2GHz ~ 3GHz. Pero agora podemos ver aplicacións de ultra-alta frecuencia (UHF) que oscilan entre 10GHz e 25GHz.

Polo tanto, para o PCB que se pode levar, a parte de RF require máis atención sobre os problemas de cableado e os sinais deben separarse por separado, e as trazas que xeran sinais de alta frecuencia deben manterse afastadas do chan. Outras consideracións inclúen: proporcionar un filtro de bypass, condensadores de desacoplamiento adecuados, conexión a terra e deseñar a liña de transmisión e a liña de retorno para ser case iguais.

O filtro de derivación pode suprimir o efecto de ondulación do contido de ruído e do crosstalk. Os condensadores de desacoplamiento deben situarse máis preto dos pinos do dispositivo que transportan sinais de enerxía.

As liñas de transmisión de alta velocidade e os circuítos de sinal requiren unha capa de terra para colocarse entre os sinais de capa de alimentación para suavizar o bateador xerado por sinais de ruído. A maiores velocidades do sinal, os desaxustes de impedancia pequenos provocarán transmisión e recepción desequilibradas de sinais, obtendo distorsión. Polo tanto, débese prestar especial atención ao problema de correspondencia de impedancias relacionado co sinal de frecuencia de radio, porque o sinal de frecuencia de radio ten unha alta velocidade e unha tolerancia especial.

As liñas de transmisión de RF requiren unha impedancia controlada para transmitir sinais RF desde un substrato IC específico ao PCB. Estas liñas de transmisión pódense implementar na capa exterior, capa superior e capa inferior, ou pódense deseñar na capa media.

Os métodos empregados durante o deseño de deseño de PCB RF son a liña de microstrip, a liña de tira flotante, a guía de onda coplanar ou a terra. A liña de microstrip consiste nunha lonxitude fixa de metal ou rastros e todo o plano terrestre ou parte do plano terrestre directamente debaixo dela. A impedancia característica na estrutura xeral da liña de microstrip oscila entre 50Ω e 75Ω.

A striplina flotante é outro método de cableado e supresión de ruído. Esta liña consiste en cableado de ancho fixo na capa interna e un gran plano terrestre enriba e por baixo do condutor central. O plano terrestre está entre o plano eléctrico, polo que pode proporcionar un efecto de terra moi eficaz. Este é o método preferido para o cableado do sinal RF PCB usable.

A guía de ondas coplanar pode proporcionar un mellor illamento preto do circuíto RF e o circuíto que debe ser encamiñado máis preto. Este medio consta dun condutor central e planos terrestres a ambos os dous lados ou por baixo. A mellor forma de transmitir sinais de frecuencia de radio é suspender as liñas de tira ou guías de onda coplanar. Estes dous métodos poden proporcionar un mellor illamento entre os rastros de sinal e RF.

Recoméndase usar a chamada "vía valla" a ambos os dous lados da guía de onda coplanar. Este método pode fornecer unha fila de vías terrestres en cada plano de terra metálica do condutor central. O principal rastro que corre no medio ten valos a cada lado, proporcionando así un atallo para a corrente de retorno ao chan de abaixo. Este método pode reducir o nivel de ruído asociado ao alto efecto de ondulación do sinal RF. A constante dieléctrica de 4,5 segue sendo a mesma que o material FR4 do prepreg, mentres que a constante dieléctrica do prepreg - a partir de microstrip, striplina ou offset Stripline - é aproximadamente 3,8 a 3,9.

Nalgúns dispositivos que usan un plano terrestre, pódense usar vías cegas para mellorar o rendemento de desacoplamiento do condensador de potencia e proporcionar un camiño de shunt desde o dispositivo ata o chan. O camiño de shunt cara ao chan pode acurtar a lonxitude da vía. Isto pode alcanzar dous propósitos: non só crea un shunt ou un chan, senón que tamén reduce a distancia de transmisión de dispositivos con pequenas áreas, o que é un importante factor de deseño de RF.