लहान आकार आणि आकारामुळे, वाढत्या परिधान करण्यायोग्य IoT मार्केटसाठी जवळजवळ कोणतेही विद्यमान मुद्रित सर्किट बोर्ड मानक नाहीत. ही मानके बाहेर येण्यापूर्वी, आम्हाला बोर्ड-स्तरीय विकासामध्ये शिकलेल्या ज्ञानावर आणि उत्पादन अनुभवावर अवलंबून राहावे लागले आणि अनन्य उदयोन्मुख आव्हानांमध्ये ते कसे लागू करायचे याचा विचार करा. तीन क्षेत्रे आहेत ज्यांना आमचे विशेष लक्ष देणे आवश्यक आहे. ते आहेत: सर्किट बोर्ड पृष्ठभाग साहित्य, RF/मायक्रोवेव्ह डिझाइन आणि RF ट्रान्समिशन लाइन.

पीसीबी साहित्य

"PCB" मध्ये सामान्यत: लॅमिनेट असतात, जे फायबर-रीइन्फोर्स्ड इपॉक्सी (FR4), पॉलिमाइड किंवा रॉजर्स सामग्री किंवा इतर लॅमिनेट सामग्रीपासून बनलेले असू शकतात. वेगवेगळ्या थरांमधील इन्सुलेट सामग्रीला प्रीप्रेग म्हणतात.

घालण्यायोग्य उपकरणांना उच्च विश्वासार्हतेची आवश्यकता असते, म्हणून जेव्हा PCB डिझाइनर्सना FR4 (सर्वात किफायतशीर PCB उत्पादन सामग्री) किंवा अधिक प्रगत आणि अधिक महाग सामग्री वापरण्याची निवड करावी लागते, तेव्हा ही समस्या निर्माण होईल.

जर घालण्यायोग्य PCB अनुप्रयोगांना उच्च-गती, उच्च-फ्रिक्वेंसी सामग्रीची आवश्यकता असेल, तर FR4 सर्वोत्तम पर्याय असू शकत नाही. FR4 चा डायलेक्ट्रिक स्थिरांक (Dk) 4.5 आहे, अधिक प्रगत रॉजर्स 4003 मालिका मटेरियलचा डायलेक्ट्रिक स्थिरांक 3.55 आहे आणि ब्रदर सिरीज रॉजर्स 4350 चा डायलेक्ट्रिक स्थिरांक 3.66 आहे.

“लॅमिनेटचा डायलेक्ट्रिक स्थिरांक म्हणजे लॅमिनेटच्या जवळ असलेल्या कंडक्टरच्या जोडीमधील कॅपॅसिटन्स किंवा उर्जेचा कॅपॅसिटन्स किंवा व्हॅक्यूममधील कंडक्टरच्या जोडीमधील उर्जेचा गुणोत्तर होय. उच्च फ्रिक्वेन्सीवर, लहान तोटा असणे चांगले आहे. म्हणून, 3.66 च्या डायलेक्ट्रिक स्थिरांकासह रॉजर 4350 4.5 च्या डायलेक्ट्रिक स्थिरांकासह FR4 पेक्षा उच्च वारंवारता अनुप्रयोगांसाठी अधिक योग्य आहे.

सामान्य परिस्थितीत, घालण्यायोग्य उपकरणांसाठी पीसीबी स्तरांची संख्या 4 ते 8 स्तरांपर्यंत असते. लेयर कन्स्ट्रक्शनचे तत्व असे आहे की जर ते 8-लेयर पीसीबी असेल तर ते पुरेसे ग्राउंड आणि पॉवर लेयर प्रदान करण्यास सक्षम असावे आणि वायरिंग लेयर सँडविच करू शकेल. अशा प्रकारे, क्रॉसस्टॉकमधील रिपल इफेक्ट कमीत कमी ठेवता येतो आणि इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक इंटरफेरन्स (EMI) लक्षणीयरीत्या कमी करता येतो.

सर्किट बोर्ड लेआउट डिझाइन स्टेजमध्ये, लेआउट प्लॅन सामान्यतः पॉवर वितरण स्तराच्या जवळ एक मोठा ग्राउंड लेयर ठेवण्यासाठी असतो. हे खूप कमी रिपल इफेक्ट तयार करू शकते आणि सिस्टमचा आवाज देखील जवळजवळ शून्यावर कमी केला जाऊ शकतो. हे विशेषतः रेडिओ फ्रिक्वेन्सी उपप्रणालीसाठी महत्त्वाचे आहे.

रॉजर्स मटेरियलच्या तुलनेत, FR4 मध्ये जास्त डिसिपेशन फॅक्टर (Df) आहे, विशेषत: उच्च वारंवारतेवर. उच्च कार्यक्षमतेच्या FR4 लॅमिनेटसाठी, Df मूल्य सुमारे 0.002 आहे, जे सामान्य FR4 पेक्षा चांगले परिमाण आहे. तथापि, रॉजर्सचा स्टॅक फक्त 0.001 किंवा त्यापेक्षा कमी आहे. जेव्हा उच्च वारंवारता अनुप्रयोगांसाठी FR4 सामग्री वापरली जाते, तेव्हा अंतर्भूत नुकसानामध्ये लक्षणीय फरक असेल. FR4, रॉजर्स किंवा इतर साहित्य वापरताना बिंदू A ते बिंदू B पर्यंत सिग्नलचा पॉवर लॉस म्हणून इन्सर्शन लॉस परिभाषित केले जाते.

समस्या निर्माण करा

परिधान करण्यायोग्य पीसीबीला कठोर प्रतिबाधा नियंत्रण आवश्यक आहे. घालण्यायोग्य उपकरणांसाठी हा एक महत्त्वाचा घटक आहे. प्रतिबाधा जुळणी क्लिनर सिग्नल ट्रान्समिशन तयार करू शकते. यापूर्वी, सिग्नल वाहून नेणाऱ्या ट्रेससाठी मानक सहिष्णुता ±10% होती. हे सूचक स्पष्टपणे आजच्या हाय-फ्रिक्वेंसी आणि हाय-स्पीड सर्किट्ससाठी पुरेसे चांगले नाही. सध्याची आवश्यकता ±7% आहे आणि काही प्रकरणांमध्ये ±5% किंवा त्याहूनही कमी आहे. हे पॅरामीटर आणि इतर व्हेरिएबल्स विशेषत: कठोर प्रतिबाधा नियंत्रणासह या वेअरेबल पीसीबीच्या निर्मितीवर गंभीरपणे परिणाम करतील, ज्यामुळे त्यांचे उत्पादन करू शकणाऱ्या व्यवसायांची संख्या मर्यादित होईल.

रॉजर्स UHF मटेरियलपासून बनवलेल्या लॅमिनेटची डायलेक्ट्रिक स्थिर सहनशीलता सामान्यतः ±2% वर राखली जाते आणि काही उत्पादने ±1% पर्यंत देखील पोहोचू शकतात. याउलट, FR4 लॅमिनेटची डायलेक्ट्रिक स्थिर सहनशीलता 10% इतकी जास्त आहे. म्हणून, या दोन सामग्रीची तुलना करा असे आढळून येते की रॉजर्सचे अंतर्भूत नुकसान विशेषतः कमी आहे. पारंपारिक FR4 सामग्रीच्या तुलनेत, रॉजर्स स्टॅकचे ट्रान्समिशन लॉस आणि इन्सर्शन लॉस अर्धा कमी आहे.

बहुतेक प्रकरणांमध्ये, किंमत सर्वात महत्वाची असते. तथापि, रॉजर्स स्वीकार्य किंमतीच्या बिंदूवर तुलनेने कमी-तोटा उच्च-फ्रिक्वेंसी लॅमिनेट कार्यप्रदर्शन प्रदान करू शकतात. व्यावसायिक अनुप्रयोगांसाठी, रॉजर्सला इपॉक्सी-आधारित FR4 सह संकरित PCB बनवले जाऊ शकते, ज्याचे काही स्तर रॉजर्स सामग्री वापरतात आणि इतर स्तर FR4 वापरतात.

रॉजर्स स्टॅक निवडताना, वारंवारता हा प्राथमिक विचार केला जातो. जेव्हा वारंवारता 500MHz पेक्षा जास्त असते, तेव्हा PCB डिझाइनर रॉजर्स सामग्री निवडतात, विशेषत: RF/मायक्रोवेव्ह सर्किट्ससाठी, कारण जेव्हा वरच्या ट्रेस प्रतिबाधाने काटेकोरपणे नियंत्रित केले जातात तेव्हा ही सामग्री उच्च कार्यक्षमता प्रदान करू शकते.

FR4 मटेरिअलच्या तुलनेत, रॉजर्स मटेरियल कमी डायलेक्ट्रिक लॉस देखील देऊ शकते आणि त्याचा डायलेक्ट्रिक कॉन्स्टंट विस्तृत वारंवारता श्रेणीमध्ये स्थिर असतो. याशिवाय, रॉजर्स मटेरियल उच्च वारंवारता ऑपरेशनसाठी आवश्यक असलेली आदर्श कमी इन्सर्शन लॉस कामगिरी प्रदान करू शकते.

रॉजर्स 4000 मालिका सामग्रीच्या थर्मल विस्तार गुणांक (CTE) मध्ये उत्कृष्ट मितीय स्थिरता आहे. याचा अर्थ असा की FR4 च्या तुलनेत, जेव्हा PCB शीत, गरम आणि अतिशय गरम रिफ्लो सोल्डरिंग चक्रातून जातो, तेव्हा सर्किट बोर्डचा थर्मल विस्तार आणि आकुंचन उच्च वारंवारता आणि उच्च तापमान चक्रांतर्गत स्थिर मर्यादेत राखले जाऊ शकते.

मिश्र स्टॅकिंगच्या बाबतीत, रॉजर्स आणि उच्च-कार्यक्षमता FR4 एकत्र मिसळण्यासाठी सामान्य उत्पादन प्रक्रिया तंत्रज्ञान वापरणे सोपे आहे, त्यामुळे उच्च उत्पादन उत्पन्न मिळवणे तुलनेने सोपे आहे. रॉजर्स स्टॅकला तयारी प्रक्रियेद्वारे विशेष आवश्यकता नसते.

सामान्य FR4 खूप विश्वासार्ह विद्युत कार्यप्रदर्शन प्राप्त करू शकत नाही, परंतु उच्च-कार्यक्षमता असलेल्या FR4 सामग्रीमध्ये चांगली विश्वसनीयता वैशिष्ट्ये आहेत, जसे की उच्च Tg, तरीही तुलनेने कमी किमतीचा, आणि साध्या ऑडिओ डिझाइनपासून ते कॉम्प्लेक्स मायक्रोवेव्ह ऍप्लिकेशन्सपर्यंत विस्तृत अनुप्रयोगांमध्ये वापरला जाऊ शकतो. .

आरएफ/मायक्रोवेव्ह डिझाइन विचार

पोर्टेबल तंत्रज्ञान आणि ब्लूटूथने घालण्यायोग्य उपकरणांमध्ये RF/मायक्रोवेव्ह अनुप्रयोगांसाठी मार्ग मोकळा केला आहे. आजची वारंवारता श्रेणी अधिकाधिक गतिमान होत आहे. काही वर्षांपूर्वी, खूप उच्च वारंवारता (VHF) 2GHz~3GHz म्हणून परिभाषित केली गेली होती. परंतु आता आपण 10GHz ते 25GHz पर्यंतचे अल्ट्रा-हाय फ्रिक्वेन्सी (UHF) अनुप्रयोग पाहू शकतो.

म्हणून, घालण्यायोग्य PCB साठी, RF भागाला वायरिंगच्या समस्यांकडे अधिक लक्ष देणे आवश्यक आहे, आणि सिग्नल स्वतंत्रपणे वेगळे केले पाहिजेत आणि उच्च-फ्रिक्वेंसी सिग्नल तयार करणारे ट्रेस जमिनीपासून दूर ठेवले पाहिजेत. इतर विचारांमध्ये हे समाविष्ट आहे: बायपास फिल्टर प्रदान करणे, पुरेसे डिकपलिंग कॅपेसिटर, ग्राउंडिंग आणि ट्रान्समिशन लाइन आणि रिटर्न लाइनची रचना जवळजवळ समान असणे.

बायपास फिल्टर आवाज सामग्री आणि क्रॉसस्टॉकचा लहरी प्रभाव दाबू शकतो. डिकपलिंग कॅपेसिटर पॉवर सिग्नल वाहून नेणाऱ्या डिव्हाइस पिनच्या जवळ ठेवणे आवश्यक आहे.

हाय-स्पीड ट्रान्समिशन लाइन्स आणि सिग्नल सर्किट्सना आवाज सिग्नल्समुळे निर्माण होणारा त्रास कमी करण्यासाठी पॉवर लेयर सिग्नल्स दरम्यान जमिनीचा थर लावणे आवश्यक आहे. उच्च सिग्नल गतीवर, लहान प्रतिबाधा जुळण्यामुळे असंतुलित प्रसारण आणि सिग्नलचे स्वागत होईल, परिणामी विकृती होईल. म्हणून, रेडिओ फ्रिक्वेन्सी सिग्नलशी संबंधित प्रतिबाधा जुळण्याच्या समस्येवर विशेष लक्ष दिले पाहिजे, कारण रेडिओ फ्रिक्वेन्सी सिग्नलमध्ये उच्च गती आणि विशेष सहिष्णुता असते.

विशिष्ट IC सब्सट्रेटमधून PCB मध्ये RF सिग्नल प्रसारित करण्यासाठी RF ट्रांसमिशन लाइन्सना नियंत्रित प्रतिबाधा आवश्यक आहे. या ट्रान्समिशन लाइन्स बाह्य स्तरावर, वरच्या स्तरावर आणि खालच्या स्तरावर लागू केल्या जाऊ शकतात किंवा मध्य स्तरावर डिझाइन केल्या जाऊ शकतात.

पीसीबी आरएफ डिझाइन लेआउट दरम्यान वापरल्या जाणाऱ्या पद्धती म्हणजे मायक्रोस्ट्रिप लाइन, फ्लोटिंग स्ट्रिप लाइन, कॉप्लनर वेव्हगाइड किंवा ग्राउंडिंग. मायक्रोस्ट्रीप रेषेमध्ये धातू किंवा ट्रेसची निश्चित लांबी आणि संपूर्ण ग्राउंड प्लेन किंवा त्याच्या खाली थेट ग्राउंड प्लेनचा भाग असतो. सामान्य मायक्रोस्ट्रिप रेषेच्या संरचनेतील वैशिष्ट्यपूर्ण प्रतिबाधा 50Ω ते 75Ω पर्यंत असते.

फ्लोटिंग स्ट्रिपलाइन ही वायरिंग आणि आवाज दाबण्याची दुसरी पद्धत आहे. या रेषेमध्ये आतील स्तरावरील निश्चित-रुंदीचे वायरिंग आणि मध्यवर्ती कंडक्टरच्या वर आणि खाली एक मोठे ग्राउंड प्लेन असते. ग्राउंड प्लेन पॉवर प्लेन दरम्यान सँडविच केलेले आहे, त्यामुळे ते खूप प्रभावी ग्राउंडिंग इफेक्ट प्रदान करू शकते. परिधान करण्यायोग्य PCB RF सिग्नल वायरिंगसाठी ही पसंतीची पद्धत आहे.

Coplanar Waveguide RF सर्किट आणि जवळ जावे लागणारे सर्किट जवळ चांगले अलगाव प्रदान करू शकते. या माध्यमामध्ये मध्यवर्ती कंडक्टर आणि दोन्ही बाजूंनी किंवा खाली ग्राउंड प्लेन असतात. रेडिओ फ्रिक्वेंसी सिग्नल प्रसारित करण्याचा सर्वोत्तम मार्ग म्हणजे स्ट्रिप लाइन किंवा कॉप्लॅनर वेव्हगाइड्स निलंबित करणे. या दोन पद्धती सिग्नल आणि आरएफ ट्रेस दरम्यान चांगले अलगाव प्रदान करू शकतात.

कॉप्लनर वेव्हगाइडच्या दोन्ही बाजूंना तथाकथित “कुंपणाद्वारे” वापरण्याची शिफारस केली जाते. ही पद्धत केंद्र कंडक्टरच्या प्रत्येक मेटल ग्राउंड प्लेनवर ग्राउंड व्हियासची पंक्ती प्रदान करू शकते. मध्यभागी चालू असलेल्या मुख्य ट्रेसला प्रत्येक बाजूला कुंपण आहे, अशा प्रकारे खाली जमिनीवर परतीच्या प्रवाहासाठी शॉर्टकट प्रदान करते. ही पद्धत आरएफ सिग्नलच्या उच्च लहरी प्रभावाशी संबंधित आवाज पातळी कमी करू शकते. 4.5 चा डायलेक्ट्रिक स्थिरांक प्रीप्रेगच्या FR4 मटेरियल सारखाच राहतो, तर प्रीप्रेगचा डायलेक्ट्रिक स्थिरांक—मायक्रोस्ट्रिप, स्ट्रिपलाइन किंवा ऑफसेट स्ट्रिपलाइन—सुमारे 3.8 ते 3.9 आहे.

ग्राउंड प्लेन वापरणाऱ्या काही उपकरणांमध्ये, पॉवर कॅपेसिटरचे डिकपलिंग कार्यप्रदर्शन सुधारण्यासाठी आणि उपकरणापासून जमिनीवर शंट मार्ग प्रदान करण्यासाठी अंध वियाचा वापर केला जाऊ शकतो. जमिनीवर जाणारा शंट मार्ग मार्गाची लांबी कमी करू शकतो. हे दोन उद्देश साध्य करू शकते: तुम्ही केवळ शंट किंवा ग्राउंड तयार करू शकत नाही, तर लहान क्षेत्रांसह डिव्हाइसेसचे प्रसारण अंतर देखील कमी करू शकता, जो एक महत्त्वाचा RF डिझाइन घटक आहे.