Debido ao pequeno tamaño e tamaño, case non existen estándares de placas de circuíto impreso para o crecente mercado de IoT portátil. Antes de saír estes estándares, tivemos que confiar nos coñecementos e na experiencia de fabricación adquiridos no desenvolvemento a nivel de consellos e pensar en como aplicalos a desafíos emerxentes únicos. Hai tres áreas que requiren a nosa especial atención. Son: materiais de superficie da placa de circuíto, deseño de RF/microondas e liñas de transmisión de RF.

material de PCB

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

os dispositivos portátiles 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 portátiles requiren materiais de alta velocidade e alta frecuencia, FR4 pode non ser a mellor opción. A constante dieléctrica (Dk) de FR4 é 4,5, a constante dieléctrica do material máis avanzado da serie Rogers 4003 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 capacidade ou enerxía entre un par de condutores próximos ao laminado e a capacidade ou enerxía entre o par de condutores no baleiro. En frecuencias altas, o mellor é ter unha pequena perda. Polo tanto, o Roger 4350 cunha constante dieléctrica de 3,66 é máis axeitado para aplicacións de maior frecuencia que o FR4 cunha constante dieléctrica de 4,5.

En circunstancias normais, o número de capas de PCB para dispositivos portátiles varía de 4 a 8 capas. O principio da construción de capas é que se é un PCB de 8 capas, debería poder proporcionar suficientes capas de terra e potencia e emparellar a capa de cableado. Deste xeito, o efecto de onda na diafonía pódese manter ao mínimo e as interferencias electromagnéticas (EMI) poden reducirse significativamente.

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

En comparación co material de Rogers, FR4 ten un maior factor de disipación (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 o FR4 ordinario. Non obstante, o stack de Rogers é só de 0,001 ou menos. Cando se usa material FR4 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 portátil require un control de impedancia máis estrito. Este é un factor importante para os dispositivos portátiles. A correspondencia de impedancia pode producir unha transmisión de sinal máis limpa. Anteriormente, a tolerancia estándar para os trazos que transportaban o sinal era de ±10%. Este indicador obviamente non é o suficientemente bo para os circuítos de alta frecuencia e alta velocidade actuais. O requisito actual é de ±7% e, nalgúns casos, incluso de ±5% ou menos. Este parámetro e outras variables afectarán seriamente á fabricación destes PCB wearables cun control de impedancia especialmente estrito, limitando así o número de empresas que poden fabricalos.

A tolerancia constante dieléctrica do laminado feito de materiais Rogers UHF mantense xeralmente nun ± 2%, e algúns produtos poden chegar ata o ± 1%. Pola contra, a tolerancia da constante dieléctrica do laminado FR4 é do 10%. Polo tanto, comparar Estes dous materiais pódese comprobar que a perda de inserción de Rogers é particularmente baixa. En comparación cos materiais FR4 tradicionais, a perda de transmisión e a perda de inserción da pila Rogers son a metade máis baixas.

Na maioría dos casos, o custo é o máis importante. Non obstante, Rogers pode proporcionar un rendemento de laminado de alta frecuencia con perdas relativamente baixas a un 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 elixir unha pila de Rogers, a frecuencia é a consideración principal. Cando a frecuencia supera os 500 MHz, os deseñadores de PCB tenden a elixir materiais Rogers, especialmente para circuítos de RF/microondas, porque estes materiais poden proporcionar un maior rendemento cando as trazas superiores están estrictamente controladas pola impedancia.

En comparación co material FR4, o material de Rogers tamén pode proporcionar menor perda dieléctrica e a súa constante dieléctrica é estable nun amplo rango de frecuencias. Ademais, o material de Rogers pode proporcionar o rendemento ideal de baixa perda de inserción que require a 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 co FR4, cando a PCB sofre ciclos de soldadura por refluxo en frío, quente e moi quente, a expansión térmica e a contracción da placa de circuíto poden manterse nun límite estable baixo ciclos de maior frecuencia e temperatura.

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

O FR4 común non pode acadar un rendemento eléctrico moi fiable, pero os materiais FR4 de alto rendemento teñen boas características de fiabilidade, como unha Tg máis alta, aínda un custo relativamente baixo e pódese usar nunha ampla gama de aplicacións, desde deseño de audio sinxelo ata aplicacións complexas de microondas. .

Consideracións de deseño de RF/microondas

A tecnoloxía portátil e Bluetooth abriron o camiño para aplicacións de RF/microondas en dispositivos portátiles. 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 van desde 10GHz ata 25GHz.

Polo tanto, para o PCB portátil, a parte de RF require máis atención aos problemas de cableado e os sinais deben separarse por separado e os rastros que xeran sinais de alta frecuencia deben manterse lonxe do chan. Outras consideracións inclúen: proporcionar un filtro de derivación, capacitores de desacoplamento adecuados, conexión a terra e deseñar a liña de transmisión e a liña de retorno para que sexan case iguais.

O filtro de derivación pode suprimir o efecto de onda do contido de ruído e a diafonía. Os capacitores de desacoplamento deben colocarse máis preto dos pinos do dispositivo que transportan sinais de enerxía.

As liñas de transmisión de alta velocidade e os circuítos de sinal requiren que se coloque unha capa de terra entre os sinais da capa de potencia para suavizar o jitter xerado polos sinais de ruído. A velocidades de sinal máis altas, os pequenos desaxustes de impedancia provocarán unha transmisión e recepción desequilibradas dos sinais, o que provocará distorsións. Polo tanto, debe prestarse especial atención ao problema de adaptación de impedancia relacionado co sinal de radiofrecuencia, porque o sinal de radiofrecuencia ten unha alta velocidade e unha tolerancia especial.

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

Os métodos utilizados durante o deseño de deseño de PCB RF son a liña de microstrip, a liña de tira flotante, a guía de ondas coplanar ou a posta a terra. A liña microstrip consiste nunha lonxitude fixa de metal ou trazos e todo o plano de terra ou parte do plano de terra directamente debaixo dela. A impedancia característica na estrutura xeral da liña microstrip varía de 50Ω a 75Ω.

A liña de banda flotante é outro método de cableado e supresión de ruído. Esta liña consiste nun cableado de ancho fixo na capa interna e un gran plano de terra por riba e por debaixo do condutor central. O plano de terra está intercalado entre o plano de potencia, polo que pode proporcionar un efecto de conexión a terra moi eficaz. Este é o método preferido para o cableado de sinal de RF PCB portátil.

A guía de ondas coplanar pode proporcionar un mellor illamento preto do circuíto de RF e do circuíto que hai que enrutar máis preto. Este medio está formado por un condutor central e planos de terra a cada lado ou abaixo. A mellor forma de transmitir sinais de radiofrecuencia é suspender liñas de tira ou guías de ondas coplanares. Estes dous métodos poden proporcionar un mellor illamento entre o sinal e os trazos de RF.

Recoméndase empregar o chamado "vía valado" a ambos os dous lados da guía de ondas coplanar. Este método pode proporcionar unha fila de vías de terra en cada plano de terra metálico do condutor central. O trazado principal que corre no medio ten valos a cada lado, proporcionando así un atallo para a corrente de retorno ao chan debaixo. Este método pode reducir o nivel de ruído asociado ao alto efecto de onda do sinal de RF. A constante dieléctrica de 4,5 segue sendo a mesma que o material FR4 do preimpregnado, mentres que a constante dieléctrica do preimpregnado (de microstrip, stripline ou offset stripline) é de aproximadamente 3,8 a 3,9.

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