Sakarā ar nelielu izmēru un izmēru gandrīz nav esošu drukātu shēmas plates standartu augošajam valkājamajam IoT tirgum. Pirms šo standartu iznākšanas mums bija jāpaļaujas uz zināšanām un ražošanas pieredzi, kas apgūtas paneļa līmeņa attīstībā un jādomā par to, kā tos pielietot unikālām topošajām problēmām. Ir trīs jomas, kurām nepieciešama mūsu īpašā uzmanība. Tie ir: shēmas plates virsmas materiāli, RF/mikroviļņu dizains un RF pārvades līnijas.
PCB materiāls
“PCB” parasti sastāv no laminātiem, ko var izgatavot no šķiedrām pastiprinātiem epoksīda (FR4), poliimīda vai Rodžersa materiāliem vai citiem lamināta materiāliem. Izolācijas materiālu starp dažādiem slāņiem sauc par prepreg.
Valkājamām ierīcēm ir nepieciešama augsta uzticamība, tāpēc, kad PCB dizaineri saskaras ar izvēli izmantot FR4 (visrentablākais PCB ražošanas materiāls) vai modernākus un dārgākus materiālus, tā kļūs par problēmu.
Ja valkājamām PCB lietojumprogrammām ir nepieciešami ātrgaitas, augstas frekvences materiāli, FR4 var nebūt labākā izvēle. FR4 dielektriskā konstante (DK) ir 4,5, progresīvāka Rogers 4003 sērijas materiāla dielektriskā konstante ir 3,55, un brāļa sērijas Rogers 4350 dielektriskā konstante ir 3,66.
“Lamināta dielektriskā konstante attiecas uz kapacitātes vai enerģijas attiecību starp vadītāju pāriem, kas atrodas netālu no lamināta, pret kapacitāti vai enerģiju starp vadītāju pāriem vakuumā. Augstā frekvencēs vislabāk ir mazs zaudējums. Tāpēc Roger 4350 ar frekvenci ar dielektrisku konstantu.
Normālos apstākļos valkājamu ierīču PCB slāņu skaits svārstās no 4 līdz 8 slāņiem. Slāņu konstrukcijas princips ir tāds, ka, ja tas ir 8 slāņu PCB, tai vajadzētu būt iespējai nodrošināt pietiekami daudz zemes un jaudas slāņu un sviestmaizi vadu slāni. Tādā veidā pulsācijas efektu šķērsrunā var samazināt līdz minimumam, un elektromagnētiskos traucējumus (EMI) var ievērojami samazināt.
Ķēdes plates izkārtojuma projektēšanas posmā izkārtojuma plāns parasti ir paredzēts, lai liels zemes slānis novietotu tuvu strāvas sadales slānim. Tas var radīt ļoti zemu pulsācijas efektu, un sistēmas troksni var arī samazināt līdz gandrīz nullei. Tas ir īpaši svarīgi radio frekvences apakšsistēmai.
Salīdzinot ar Rodžersa materiālu, FR4 ir augstāks izkliedes koeficients (DF), īpaši ar augstu frekvenci. Augstākai veiktspējai FR4 laminātus DF vērtība ir aptuveni 0,002, kas ir lielāka secība labāk nekā parastais FR4. Tomēr Rodžersa kaudze ir tikai 0,001 vai mazāk. Ja augstas frekvences lietojumprogrammās tiek izmantots FR4 materiāls, ievietošanas zudumā būs ievērojama atšķirība. Ievietošanas zudums tiek definēts kā signāla jaudas zudums no punkta A uz punktu B, ja FR4, Rodžersa vai citu materiālu izmantošana.
radīt problēmas
Valkājamai PCB nepieciešama stingrāka pretestības kontrole. Tas ir svarīgs faktors valkājamām ierīcēm. Pretestības saskaņošana var izraisīt tīrāku signāla pārraidi. Iepriekš standarta tolerance signālu pārvadāšanas pēdām bija ± 10%. Šis rādītājs acīmredzami nav pietiekami labs mūsdienu augstfrekvences un ātrgaitas shēmām. Pašreizējā prasība ir ± 7%, un dažos gadījumos pat ± 5% vai mazāk. Šis parametrs un citi mainīgie nopietni ietekmēs šo valkājamo PCB ražošanu ar īpaši stingru pretestības kontroli, tādējādi ierobežojot to uzņēmumu skaitu, kas tos var ražot.
Rogers UHF materiālu izgatavotā lamināta dielektriskā konstantiskā tolerance parasti tiek uzturēta ± 2%, un daži produkti var pat sasniegt ± 1%. Turpretī FR4 lamināta dielektriskā konstantes tolerance ir pat 10%. Tāpēc salīdzināt šos divus materiālus var secināt, ka Rodžersa ievietošanas zudums ir īpaši zems. Salīdzinot ar tradicionālajiem FR4 materiāliem, Rodžersa kaudzes pārraides zudums un ievietošanas zudums ir uz pusi zemāki.
Vairumā gadījumu izmaksas ir vissvarīgākās. Tomēr Rodžerss var nodrošināt salīdzinoši zemu zaudējumu augstfrekvences lamināta veiktspēju pieņemamā cenu punktā. Komerciālām lietojumiem Rodžersu var padarīt par hibrīda PCB ar epoksīda bāzes FR4, no kuriem daži slāņi izmanto Rodžersa materiālu, bet citi slāņi izmanto FR4.
Izvēloties Rodžersa kaudzi, galvenais apsvērums ir frekvence. Kad frekvence pārsniedz 500MHz, PCB dizaineriem ir tendence izvēlēties Rodžersa materiālus, īpaši RF/mikroviļņu ķēdēm, jo šie materiāli var nodrošināt augstāku veiktspēju, ja augšējās pēdas stingri kontrolē ar pretestību.
Salīdzinot ar FR4 materiālu, Rodžersa materiāls var arī nodrošināt zemāku dielektrisko zudumu, un tā dielektriskā konstante ir stabila plašā frekvences diapazonā. Turklāt Rodžersa materiāls var nodrošināt ideālu zemu ievietošanas zaudējumu rādītāju, kas nepieciešami augstfrekvences darbībā.
Rodžersa 4000 sērijas materiālu termiskās izplešanās koeficientam (CTE) ir lieliska izmēru stabilitāte. Tas nozīmē, ka salīdzinājumā ar FR4, kad PCB iziet aukstu, karstu un ļoti karstu atstarpes lodēšanas ciklus, ķēdes plates termisko izplešanos un saraušanos var uzturēt ar stabilu robežu augstākā frekvencē un augstākas temperatūras ciklos.
Jauktas kraušanas gadījumā ir viegli izmantot parasto ražošanas procesa tehnoloģiju, lai sajauktu Rodžersu un augstas veiktspējas FR4, tāpēc ir samērā viegli sasniegt augstu ražošanas ražu. Rodžersa kaudzei nav nepieciešams īpašs, izmantojot sagatavošanas procesu.
Parastais FR4 nevar sasniegt ļoti uzticamu elektrisko veiktspēju, bet augstas veiktspējas FR4 materiāliem ir labas uzticamības īpašības, piemēram, augstākas TG, joprojām ir salīdzinoši zemas izmaksas, un tos var izmantot plašā lietojumprogrammu diapazonā, sākot no vienkārša audio dizaina līdz sarežģītām mikroviļņu lietojumprogrammām.
RF/mikroviļņu dizaina apsvērumi
Portatīvā tehnoloģija un Bluetooth ir pavēruši ceļu RF/mikroviļņu lietojumiem valkājamās ierīcēs. Mūsdienu frekvenču diapazons kļūst arvien dinamiskāks. Pirms dažiem gadiem ļoti augsts frekvence (VHF) tika definēta kā 2GHz ~ 3GHz. Bet tagad mēs varam redzēt īpaši augstas frekvences (UHF) lietojumprogrammas, sākot no 10 GHz līdz 25 GHz.
Tāpēc valkājamā PCB RF daļai jāpievērš lielāka uzmanība elektroinstalācijas problēmām, un signāli būtu jāatdala atsevišķi, un pēdas, kas rada augstfrekvences signālus, jāatstāj prom no zemes. Citi apsvērumi ietver: apvedceļa filtra nodrošināšanu, atbilstošu kondensatoru atdalīšanu, zemējumu un pārvades līnijas un atgriešanās līnijas projektēšanu, lai tā būtu gandrīz vienāda.
Apvedceļa filtrs var nomākt trokšņa satura un šķērsruna pulsācijas efektu. Kondensatoru atdalīšana ir jānovieto tuvāk ierīces tapām, kas satur enerģijas signālus.
Ātrgaitas pārraides līnijām un signāla ķēdēm ir nepieciešams, lai zemes slānis būtu novietots starp strāvas slāņa signāliem, lai izlīdzinātu satricinājumu, ko rada trokšņa signāli. Ar lielāku signāla ātrumu nelielas pretestības neatbilstības izraisīs nesabalansētu signālu pārraidi un uztveršanu, kā rezultātā rodas kropļojumi. Tāpēc īpaša uzmanība jāpievērš pretestības saskaņošanas problēmai, kas saistīta ar radiofrekvences signālu, jo radiofrekvences signālam ir liels ātrums un īpaša tolerance.
RF pārvades līnijām nepieciešama kontrolēta pretestība, lai RF signāli pārnestu no noteikta IC substrāta uz PCB. Šīs pārraides līnijas var ieviest uz ārējā slāņa, augšējā slāņa un apakšējā slānī, vai arī tās var veidot vidējā slānī.
PCB RF projektēšanas izkārtojuma laikā izmantotās metodes ir mikrostrip līnija, peldoša sloksnes līnija, koplanar viļņvads vai zemējums. Mikrostrip līnija sastāv no fiksēta metāla vai pēdu garuma un visa zemes plakne vai zemes plaknes daļa tieši zem tā. Raksturīgā pretestība vispārējā mikrostripas līnijas struktūrā svārstās no 50Ω līdz 75Ω.
Peldošā svītra ir vēl viena vadu un trokšņa slāpēšanas metode. Šī līnija sastāv no fiksēta platuma vadiem uz iekšējā slāņa un lielas zemes plaknes virs un zem centra vadītāja. Zemes plakne ir ieslēgta starp strāvas plakni, tāpēc tā var nodrošināt ļoti efektīvu zemējuma efektu. Šī ir vēlamā metode valkājamai PCB RF signāla vadam.
Coplanar viļņvads var nodrošināt labāku izolāciju netālu no RF shēmas un ķēdi, kas jānovērš tuvāk. Šis vidējais sastāv no centrālā vadītāja un zemes lidmašīnām abās pusēs vai zemāk. Labākais veids, kā pārsūtīt radiofrekvences signālus, ir suspendēt sloksnes līnijas vai koplanāru viļņvadi. Šīs divas metodes var nodrošināt labāku izolāciju starp signālu un RF pēdām.
Ieteicams izmantot tā dēvēto “caur žogu” abās Coplanar viļņvada pusēs. Šī metode var nodrošināt zemes vias rindu katrā centra vadītāja metāla zemes plaknē. Galvenajai izsekošanai, kas skrien pa vidu, ir žogi katrā pusē, tādējādi nodrošinot īsceļu atgriešanās strāvai zemāk zemāk. Šī metode var samazināt trokšņa līmeni, kas saistīts ar RF signāla augsto pulsācijas efektu. Dielektriskā konstante 4,5 paliek tāda pati kā prepreg fR4 materiāls, savukārt preprega dielektriskā konstante - no mikrostripas, svītrainas vai nobīdes strīpas līnijas - ir aptuveni 3,8 līdz 3,9.
Dažās ierīcēs, kas izmanto zemes plakni, neredzīgo vias var izmantot, lai uzlabotu jaudas kondensatora atdalīšanas veiktspēju un nodrošinātu šunta ceļu no ierīces uz zemi. Šunta ceļš uz zemi var saīsināt VIA garumu. Tas var sasniegt divus mērķus: jūs ne tikai izveidojat šuntu vai zemi, bet arī samazināt ierīču pārraides attālumu ar maziem apgabaliem, kas ir svarīgs RF dizaina faktors.