Mazā izmēra un izmēra dēļ augošajam valkājamo IoT tirgum gandrīz nav spēkā esošu iespiedshēmu plates standartu. Pirms šo standartu iznākšanas mums bija jāpaļaujas uz zināšanām un ražošanas pieredzi, kas iegūta, izstrādājot plates līmenī, un jādomā, kā tos piemērot unikāliem izaicinājumiem. Ir trīs jomas, kurām jāpievērš īpaša uzmanība. Tie ir: shēmas plates virsmas materiāli, RF/mikroviļņu dizains un RF pārraides līnijas.
PCB materiāls
“PCB” parasti sastāv no laminātiem, kas var būt izgatavoti no ar šķiedru pastiprināta 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 (rentablākais PCB ražošanas materiāls) vai progresīvākus un dārgākus materiālus, tas kļūs par problēmu.
Ja valkājamām PCB lietojumprogrammām ir nepieciešami ātrdarbīgi augstfrekvences materiāli, FR4 var nebūt labākā izvēle. FR4 dielektriskā konstante (Dk) ir 4,5, progresīvāka Rogers 4003 sērijas materiāla dielektriskā konstante ir 3,55, un brāļu sērijas Rogers 4350 dielektriskā konstante ir 3,66.
"Lamināta dielektriskā konstante attiecas uz kapacitātes vai enerģijas attiecību starp vadu pāri, kas atrodas netālu no lamināta, pret kapacitāti vai enerģiju starp vadītāju pāriem vakuumā. Augstās frekvencēs vislabāk ir neliels zudums. Tāpēc Roger 4350 ar dielektrisko konstanti 3,66 ir piemērotāks augstākas frekvences lietojumiem nekā FR4 ar dielektrisko konstanti 4,5.
Normālos apstākļos valkājamām ierīcēm paredzēto PCB slāņu skaits svārstās no 4 līdz 8 slāņiem. Slāņu konstrukcijas princips ir tāds, ka, ja tā ir 8 slāņu PCB, tai jāspēj nodrošināt pietiekami daudz zemes un jaudas slāņu un savienot vadu slāni. Tādā veidā šķērsrunu viļņošanās efektu var samazināt līdz minimumam un ievērojami samazināt elektromagnētiskos traucējumus (EMI).
Shēmas plates izkārtojuma projektēšanas stadijā izkārtojuma plāns parasti ir novietot lielu zemes slāni tuvu strāvas sadales slānim. Tas var radīt ļoti zemu pulsācijas efektu, kā arī sistēmas troksni var samazināt līdz gandrīz nullei. Tas ir īpaši svarīgi radiofrekvenču apakšsistēmai.
Salīdzinot ar Rodžersa materiālu, FR4 ir augstāks izkliedes koeficients (Df), īpaši augstā frekvencē. Augstākas veiktspējas FR4 laminātiem Df vērtība ir aptuveni 0,002, kas ir par vienu pakāpi labāka nekā parastajiem FR4. Tomēr Rodžersa steks ir tikai 0,001 vai mazāks. Ja FR4 materiālu izmanto augstfrekvences lietojumos, būs ievērojamas atšķirības ievietošanas zudumā. Ievietošanas zudums ir definēts kā signāla jaudas zudums no punkta A uz punktu B, izmantojot FR4, Rodžersu vai citus materiālus.
radīt problēmas
Valkājamai PCB nepieciešama stingrāka pretestības kontrole. Tas ir svarīgs faktors valkājamām ierīcēm. Pretestības saskaņošana var nodrošināt tīrāku signāla pārraidi. Iepriekš standarta pielaide signālu pārnēsāšanas pēdām bija ±10%. Šis indikators 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 lielumi nopietni ietekmēs šo valkājamo PCB ražošanu ar īpaši stingru pretestības kontroli, tādējādi ierobežojot to uzņēmumu skaitu, kas tos var ražot.
No Rogers UHF materiāliem izgatavotā lamināta dielektriskās konstantes pielaide parasti tiek uzturēta ±2%, un daži produkti var sasniegt pat ±1%. Turpretim FR4 lamināta dielektriskās konstantes pielaide ir pat 10%. Tāpēc salīdziniet Šos divus materiālus var konstatēt, ka Rodžersa ievietošanas zudums ir īpaši zems. Salīdzinot ar tradicionālajiem FR4 materiāliem, Rogers skursteņa pārraides zudumi un ievietošanas zudumi ir uz pusi mazāki.
Vairumā gadījumu izmaksas ir vissvarīgākās. Tomēr Rogers var nodrošināt salīdzinoši zemu zudumu augstfrekvences lamināta veiktspēju par pieņemamu cenu. Komerciālam lietojumam Rogers var izgatavot par hibrīdu PCB ar epoksīda bāzes FR4, kura dažos slāņos tiek izmantots Rodžersa materiāls, bet citos slāņos tiek izmantots FR4.
Izvēloties Rogers steku, galvenais apsvērums ir biežums. Ja frekvence pārsniedz 500MHz, PCB dizaineri mēdz izvēlēties Rogers materiālus, īpaši RF/mikroviļņu shēmām, jo šie materiāli var nodrošināt augstāku veiktspēju, ja augšējās pēdas stingri kontrolē pretestība.
Salīdzinot ar FR4 materiālu, Rogers materiāls var nodrošināt arī mazākus dielektriskos zudumus, un tā dielektriskā konstante ir stabila plašā frekvenču diapazonā. Turklāt Rogers materiāls var nodrošināt ideālu zemu ievietošanas zudumu veiktspēju, kas nepieciešama augstas frekvences darbībai.
Rogers 4000 sērijas materiālu termiskās izplešanās koeficientam (CTE) ir lieliska izmēru stabilitāte. Tas nozīmē, ka salīdzinājumā ar FR4, kad PCB tiek pakļauti aukstā, karstā un ļoti karstā lodēšanas ciklam, shēmas plates termisko izplešanos un kontrakciju var uzturēt stabilā robežā augstākas frekvences un augstākas temperatūras ciklos.
Jauktas kraušanas gadījumā ir viegli izmantot parasto ražošanas procesa tehnoloģiju, lai kopā sajauktu Rogers un augstas veiktspējas FR4, tāpēc ir salīdzinoši viegli sasniegt augstu ražošanas ražu. Rogers kaudzei nav nepieciešams īpašs sagatavošanas process.
Parastais FR4 nevar sasniegt ļoti uzticamu elektrisko veiktspēju, taču augstas veiktspējas FR4 materiāliem ir labas uzticamības īpašības, piemēram, augstāks Tg, joprojām ir salīdzinoši zemas izmaksas, un tos var izmantot plašā lietojumu klāstā, sākot no vienkārša audio dizaina līdz sarežģītām mikroviļņu ierīcēm. .
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 augsta frekvence (VHF) tika definēta kā 2GHz ~ 3GHz. Bet tagad mēs varam redzēt īpaši augstas frekvences (UHF) lietojumprogrammas diapazonā no 10 GHz līdz 25 GHz.
Tāpēc attiecībā uz valkājamu PCB RF daļai jāpievērš lielāka uzmanība elektroinstalācijas problēmām, un signāli ir jāatdala atsevišķi, un pēdas, kas rada augstfrekvences signālus, jātur tālāk no zemes. Citi apsvērumi ietver: apvada filtra nodrošināšanu, atbilstošus atdalīšanas kondensatorus, zemējumu un pārvades līnijas un atgriešanas līnijas projektēšanu, lai tā būtu gandrīz vienāda.
Apvedceļa filtrs var nomākt trokšņa satura un šķērsrunu pulsācijas efektu. Atdalīšanas kondensatori jānovieto tuvāk ierīces tapām, kas pārraida strāvas signālus.
Ātrgaitas pārvades līnijām un signālu shēmām starp jaudas slāņa signāliem ir jānovieto zemes slānis, lai izlīdzinātu trokšņu signālu radīto nervozitāti. Pie lielāka signāla ātruma neliela pretestības neatbilstība izraisīs nelīdzsvarotu signālu pārraidi un uztveršanu, kā rezultātā radīsies kropļojumi. Tāpēc īpaša uzmanība jāpievērš pretestības saskaņošanas problēmai, kas saistīta ar radiofrekvences signālu, jo radiofrekvences signālam ir liels ātrums un īpaša pielaide.
RF pārraides līnijām ir nepieciešama kontrolēta pretestība, lai pārraidītu RF signālus no noteikta IC substrāta uz PCB. Šīs pārvades līnijas var ierīkot ārējā slānī, augšējā slānī un apakšējā slānī, vai arī var tikt projektētas vidējā slānī.
PCB RF projektēšanas izkārtojumā izmantotās metodes ir mikrosloksnes līnija, peldošā sloksnes līnija, koplanārais viļņvads vai zemējums. Mikrosloksnes līnija sastāv no noteikta garuma metāla vai pēdām un visas iezemētās plates vai tās daļas tieši zem tās. Raksturīgā pretestība vispārējā mikrosloksnes līnijas struktūrā svārstās no 50Ω līdz 75Ω.
Peldošā strīplīnija ir vēl viena elektroinstalācijas un trokšņu slāpēšanas metode. Šī līnija sastāv no fiksēta platuma vadiem iekšējā slānī un lielas iezemētas plaknes virs un zem centra vadītāja. Iezemētā plakne ir ievietota starp barošanas plakni, tāpēc tā var nodrošināt ļoti efektīvu zemējuma efektu. Šī ir vēlamā metode valkājamai PCB RF signāla vadiem.
Kopplanārais viļņvads var nodrošināt labāku izolāciju RF ķēdes un ķēdes tuvumā, kas jāmaršrutē tuvāk. Šī vide sastāv no centrālā vadītāja un zemējuma plaknēm abās pusēs vai apakšā. Labākais veids, kā pārraidīt radiofrekvences signālus, ir apturēt sloksnes līnijas vai kopplanārus viļņvadus. Šīs divas metodes var nodrošināt labāku izolāciju starp signālu un RF pēdām.
Ieteicams izmantot tā saukto “caur žogu” abās koplanārā viļņvada pusēs. Šī metode var nodrošināt zemējuma caurumu rindu katrā centrālā vadītāja metāla iezemējuma plaknē. Galvenās trases vidū, kas iet uz vidu, ir žogi katrā pusē, tādējādi nodrošinot īsceļu atgriešanas strāvai uz zemi. Šī metode var samazināt trokšņa līmeni, kas saistīts ar RF signāla augsto pulsācijas efektu. Dielektriskā konstante 4,5 paliek tāda pati kā prepreg materiāla FR4, savukārt prepreg dielektriskā konstante - no mikrosloksnes, sloksnes līnijas vai nobīdes sloksnes līnijas - ir aptuveni 3,8 līdz 3,9.
Dažās ierīcēs, kurās tiek izmantota iezemētā plakne, var izmantot aklas caurumus, lai uzlabotu jaudas kondensatora atsaistes veiktspēju un nodrošinātu šunta ceļu no ierīces uz zemi. Šunta ceļš uz zemi var saīsināt caurejas garumu. Tas var sasniegt divus mērķus: jūs ne tikai izveidojat šuntu vai zemējumu, bet arī samazina pārraides attālumu ierīcēm ar maziem laukumiem, kas ir svarīgs RF dizaina faktors.