Dėl mažo dydžio ir dydžio augančiai nešiojamų daiktų interneto rinkai beveik nėra spausdintinių plokščių standartų. Prieš išleidžiant šiuos standartus, turėjome pasikliauti žiniomis ir gamybos patirtimi, įgytomis kuriant plokščių lygmenį, ir galvoti, kaip juos pritaikyti unikaliems kylantiems iššūkiams. Yra trys sritys, kurioms reikia ypatingo dėmesio. Tai yra: plokštės paviršiaus medžiagos, RF / mikrobangų dizainas ir RF perdavimo linijos.
PCB medžiaga
„PCB“ paprastai sudaro laminatės, kurios gali būti pagamintos iš pluoštu sustiprintos epoksidinės dervos (FR4), poliimido arba Rogerso medžiagų arba kitų laminuotų medžiagų. Izoliacinė medžiaga tarp skirtingų sluoksnių vadinama prepregu.
nešiojami prietaisai reikalauja didelio patikimumo, todėl kai PCB dizaineriai susiduria su pasirinkimu – naudoti FR4 (ekonomiškiausia PCB gamybos medžiaga) ar pažangesnes ir brangesnes medžiagas, tai taps problema.
Jei nešiojamoms PCB programoms reikalingos didelės spartos, aukšto dažnio medžiagos, FR4 gali būti ne geriausias pasirinkimas. FR4 dielektrinė konstanta (Dk) yra 4,5, pažangesnės Rogers 4003 serijos medžiagos dielektrinė konstanta yra 3,55, o brolio serijos Rogers 4350 dielektrinė konstanta yra 3,66.
„Laminato dielektrinė konstanta reiškia talpos arba energijos santykį tarp laidininkų poros, esančios šalia laminato, ir talpos arba energijos tarp laidininkų poros vakuume. Esant aukštiems dažniams, geriausia turėti nedidelį nuostolį. Todėl Roger 4350, kurio dielektrinė konstanta yra 3,66, yra labiau tinkamas aukštesnio dažnio taikymui nei FR4, kurio dielektrinė konstanta yra 4,5.
Įprastomis aplinkybėmis nešiojamų įrenginių PCB sluoksnių skaičius svyruoja nuo 4 iki 8 sluoksnių. Sluoksnio konstrukcijos principas yra tas, kad jei tai yra 8 sluoksnių PCB, ji turėtų užtikrinti pakankamai žemės ir maitinimo sluoksnių bei sujungti laidų sluoksnį. Tokiu būdu galima sumažinti skersinio pokalbio bangavimo efektą ir žymiai sumažinti elektromagnetinius trukdžius (EMI).
Plokštės išdėstymo projektavimo etape išdėstymo planas paprastai yra didelis žemės sluoksnis šalia elektros paskirstymo sluoksnio. Tai gali sukurti labai mažą pulsacijos efektą, o sistemos triukšmą taip pat galima sumažinti iki beveik nulio. Tai ypač svarbu radijo dažnių posistemiui.
Palyginti su Rogers medžiaga, FR4 turi didesnį sklaidos koeficientą (Df), ypač esant aukštam dažniui. Didesnio našumo FR4 laminatų Df vertė yra apie 0,002, o tai yra eilės tvarka geresnė nei įprastų FR4. Tačiau Rogerso stack yra tik 0,001 ar mažiau. Kai FR4 medžiaga naudojama aukšto dažnio reikmėms, įterpimo nuostoliai labai skirsis. Įterpimo praradimas apibrėžiamas kaip signalo galios praradimas iš taško A į tašką B naudojant FR4, Rogers ar kitas medžiagas.
sukurti problemų
Nešiojamai PCB reikalinga griežtesnė varžos kontrolė. Tai svarbus nešiojamų prietaisų veiksnys. Varžos suderinimas gali užtikrinti švaresnį signalo perdavimą. Anksčiau standartinė signalo perdavimo pėdsakų tolerancija buvo ±10%. Akivaizdu, kad šis indikatorius nėra pakankamai geras šiandieninėms aukšto dažnio ir didelės spartos grandinėms. Dabartinis reikalavimas yra ±7%, o kai kuriais atvejais net ±5% ar mažiau. Šis parametras ir kiti kintamieji turės rimtą poveikį šių nešiojamų PCB gamybai, ypač griežtai kontroliuojant varžą, todėl bus apribotas įmonių, galinčių juos gaminti, skaičius.
Laminato, pagaminto iš Rogers UHF medžiagų, dielektrinės konstantos tolerancija paprastai palaikoma ±2%, o kai kurie gaminiai gali siekti net ±1%. Priešingai, FR4 laminato dielektrinės konstantos tolerancija yra net 10%. Todėl palyginkite Šias dvi medžiagas galima pastebėti, kad Rogerso įterpimo nuostoliai yra ypač maži. Palyginti su tradicinėmis FR4 medžiagomis, Rogers kamino perdavimo ir įterpimo nuostoliai yra perpus mažesni.
Daugeliu atvejų kaina yra svarbiausia. Tačiau „Rogers“ gali užtikrinti santykinai mažų nuostolių aukšto dažnio laminato veikimą už priimtiną kainą. Komercinėms reikmėms Rogers gali būti pagamintas į hibridinę PCB su epoksidine FR4, kai kuriuose sluoksniuose naudojama Rogers medžiaga, o kituose sluoksniuose naudojama FR4.
Renkantis Rogers steką, pirmiausia reikia atsižvelgti į dažnį. Kai dažnis viršija 500MHz, PCB dizaineriai linkę rinktis Rogers medžiagas, ypač RF/mikrobangų grandinėms, nes šios medžiagos gali užtikrinti didesnį našumą, kai viršutiniai pėdsakai yra griežtai kontroliuojami varža.
Palyginti su FR4 medžiaga, Rogers medžiaga taip pat gali užtikrinti mažesnius dielektrinius nuostolius, o jos dielektrinė konstanta yra stabili plačiame dažnių diapazone. Be to, Rogers medžiaga gali užtikrinti idealų mažų įterpimo nuostolių našumą, reikalingą aukšto dažnio veikimui.
Rogers 4000 serijos medžiagų šiluminio plėtimosi koeficientas (CTE) pasižymi puikiu matmenų stabilumu. Tai reiškia, kad, palyginti su FR4, kai PCB vyksta šalto, karšto ir labai karšto litavimo ciklai, plokštės šiluminis plėtimasis ir susitraukimas gali būti palaikomas stabilioje riboje esant aukštesnio dažnio ir aukštesnės temperatūros ciklams.
Mišraus krovimo atveju paprasta naudoti įprastą gamybos proceso technologiją, kad būtų galima sumaišyti Rogers ir didelio našumo FR4, todėl gana lengva pasiekti aukštą gamybos išeigą. „Rogers“ kaminui nereikia specialaus paruošimo proceso.
Įprastas FR4 negali pasiekti labai patikimų elektrinių charakteristikų, tačiau didelio našumo FR4 medžiagos turi geras patikimumo charakteristikas, tokias kaip didesnis Tg, vis dar palyginti mažos kainos ir gali būti naudojamos įvairiose srityse, nuo paprasto garso dizaino iki sudėtingų mikrobangų programų. .
RF/mikrobangų dizaino svarstymai
Nešiojamoji technologija ir „Bluetooth“ atvėrė kelią RF / mikrobangų taikymui nešiojamuose įrenginiuose. Šiandieninis dažnių diapazonas tampa vis dinamiškesnis. Prieš keletą metų labai aukštas dažnis (VHF) buvo apibrėžtas kaip 2GHz ~ 3GHz. Tačiau dabar galime matyti itin aukšto dažnio (UHF) programas, kurių dažnis svyruoja nuo 10 GHz iki 25 GHz.
Todėl nešiojamų PCB atveju RF dalis reikalauja daugiau dėmesio skirti laidų problemoms, o signalai turėtų būti atskirti atskirai, o pėdsakai, generuojantys aukšto dažnio signalus, turėtų būti laikomi toliau nuo žemės. Kiti aspektai apima: apėjimo filtro, tinkamų atjungimo kondensatorių, įžeminimo ir perdavimo linijos bei grįžtamosios linijos projektavimą, kad jis būtų beveik vienodas.
Apėjimo filtras gali slopinti triukšmo turinio ir skersinio pokalbio bangavimo efektą. Atjungiamuosius kondensatorius reikia dėti arčiau prietaiso kaiščių, perduodančių galios signalus.
Didelės spartos perdavimo linijoms ir signalų grandinėms tarp galios sluoksnio signalų reikia įdėti įžeminimo sluoksnį, kad būtų išlygintas triukšmo signalų sukeltas virpėjimas. Esant didesniam signalo greičiui, nedideli varžos neatitikimai sukels nesubalansuotą signalų perdavimą ir priėmimą, todėl bus iškraipomi. Todėl ypatingas dėmesys turi būti skiriamas impedanso suderinimo problemai, susijusiai su radijo dažnio signalu, nes radijo dažnio signalas turi didelį greitį ir ypatingą toleranciją.
RF perdavimo linijoms reikalinga valdoma varža, kad būtų galima perduoti RF signalus iš konkretaus IC substrato į PCB. Šios perdavimo linijos gali būti įdiegtos išoriniame, viršutiniame ir apatiniame sluoksnyje arba gali būti suprojektuotos viduriniame sluoksnyje.
PCB RF projektavimo metu naudojami metodai yra mikrojuostos linija, slankioji juostos linija, koplanarinis bangolaidis arba įžeminimas. Mikrojuostos linija susideda iš fiksuoto ilgio metalo arba pėdsakų ir visos įžeminimo plokštės arba jos dalies tiesiai po juo. Būdinga varža bendroje mikrojuostos linijos struktūroje svyruoja nuo 50Ω iki 75Ω.
Plūduriuojanti juostinė linija yra dar vienas laidų ir triukšmo slopinimo būdas. Ši linija susideda iš fiksuoto pločio laidų vidiniame sluoksnyje ir didelės įžeminimo plokštumos virš ir žemiau centrinio laidininko. Įžeminimo plokštė yra tarp maitinimo plokštumos, todėl ji gali užtikrinti labai efektyvų įžeminimo efektą. Tai yra tinkamiausias nešiojamųjų PCB RF signalo laidų metodas.
Koplanarinis bangolaidis gali užtikrinti geresnę izoliaciją šalia RF grandinės ir grandinės, kurią reikia nukreipti arčiau. Šią terpę sudaro centrinis laidininkas ir įžeminimo plokštumos iš abiejų pusių arba žemiau. Geriausias būdas perduoti radijo dažnio signalus yra sustabdyti juostines linijas arba koplanarinius bangolaidžius. Šie du metodai gali užtikrinti geresnę signalo ir RF pėdsakų izoliaciją.
Rekomenduojama naudoti vadinamąją „per tvorą“ abiejose koplanarinio bangolaidžio pusėse. Šiuo metodu kiekvienoje centrinio laidininko metalinėje įžeminimo plokštumoje gali būti įžeminimo angų eilė. Pagrindinis pėdsakas, einantis per vidurį, turi tvoras kiekvienoje pusėje, tokiu būdu suteikiant trumpą grįžimo srovę į žemę. Šis metodas gali sumažinti triukšmo lygį, susijusį su dideliu RF signalo pulsacijos efektu. 4,5 dielektrinė konstanta išlieka tokia pati kaip preprego FR4 medžiagos, o preprego dielektrinė konstanta (iš mikrojuostelės, juostelės arba ofsetinės juostelės) yra apie 3,8–3,9.
Kai kuriuose įrenginiuose, kuriuose naudojama įžeminimo plokštuma, gali būti naudojamos akliosios angos, siekiant pagerinti galios kondensatoriaus atsiejimą ir užtikrinti šunto kelią nuo įrenginio iki žemės. Šunto kelias į žemę gali sutrumpinti perėjimo ilgį. Taip galima pasiekti du tikslus: ne tik sukuriate šuntą ar įžeminimą, bet ir sumažinate mažų plotų įrenginių perdavimo atstumą, o tai yra svarbus RF projektavimo veiksnys.