Vanwege de kleine omvang en de grootte zijn er bijna geen bestaande printplaat -normen voor de groeiende draagbare IoT -markt. Voordat deze normen uitkwamen, moesten we vertrouwen op de kennis- en productie-ervaring die werd geleerd in de ontwikkeling op bordniveau en nadenken over hoe ze ze op unieke opkomende uitdagingen konden toepassen. Er zijn drie gebieden die onze speciale aandacht vereisen. Ze zijn: Circuit Board Surface Materials, RF/Microwave Design en RF -transmissielijnen.

PCB -materiaal

"PCB" bestaat in het algemeen uit laminaten, die kunnen worden gemaakt van vezelversterkte epoxy (FR4), polyimide- of Rogers-materialen of andere laminaatmaterialen. Het isolerende materiaal tussen de verschillende lagen wordt een prepreg genoemd.

Draagbare apparaten vereisen een hoge betrouwbaarheid, dus wanneer PCB-ontwerpers worden geconfronteerd met de keuze om FR4 (het meest kosteneffectieve PCB-productiemateriaal) of geavanceerde en duurdere materialen te gebruiken, wordt dit een probleem.

Als draagbare PCB-toepassingen high-speed, hoogfrequente materialen vereisen, is FR4 misschien niet de beste keuze. De diëlektrische constante (DK) van FR4 is 4,5, de diëlektrische constante van het meer geavanceerde Rogers 4003 -seriemateriaal is 3,55 en de diëlektrische constante van de broer -serie Rogers 4350 is 3,66.

“De diëlektrische constante van een laminaat verwijst naar de verhouding van de capaciteit of energie tussen een paar geleiders in de buurt van de laminaat tot de capaciteit of energie tussen het paar geleiders in vacuüm. Bij hoge frequenties is het het beste om een ​​klein verlies te hebben. Daarom is Roger 4350 met een dielectric constante van 3,66 meer geschikt voor hogere frequentie -toepassen dan FR4 met een deelectric van 4,5.

Onder normale omstandigheden varieert het aantal PCB -lagen voor draagbare apparaten van 4 tot 8 lagen. Het principe van laagconstructie is dat als het een printplaat van 8 lagen is, het in staat moet zijn om voldoende grond- en stroomlagen te bieden en de bedradingslaag te sandwichen. Op deze manier kan het rimpeleffect in overspraak tot een minimum worden beperkt en kan elektromagnetische interferentie (EMI) aanzienlijk worden verminderd.

In de ontwerptrap van de printplaat is het lay -outplan in het algemeen om een ​​grote grondlaag dicht bij de stroomverdelingslaag te plaatsen. Dit kan een zeer laag rimpeleffect vormen en de systeemruis kan ook worden gereduceerd tot bijna nul. Dit is vooral belangrijk voor het radiofrequentiesubsysteem.

In vergelijking met Rogers -materiaal heeft FR4 een hogere dissipatiefactor (DF), vooral bij hoge frequentie. Voor FR4 -laminaten met een hogere prestaties is de DF -waarde ongeveer 0,002, wat een orde van grootte is beter dan gewone FR4. De stapel van Rogers is echter slechts 0,001 of minder. Wanneer FR4 -materiaal wordt gebruikt voor hoogfrequente toepassingen, zal er een aanzienlijk verschil zijn in het verlies van invoeging. Invoegverlies wordt gedefinieerd als het vermogensverlies van het signaal van punt A naar punt B bij gebruik van FR4, Rogers of andere materialen.

Problemen creëren

Wearable PCB vereist strengere impedantieregeling. Dit is een belangrijke factor voor draagbare apparaten. Impedantie -matching kan schonere signaaltransmissie produceren. Eerder was de standaardtolerantie voor signaal draagsporen ± 10%. Deze indicator is duidelijk niet goed genoeg voor de hoogfrequente en snelle circuits van vandaag. De huidige vereiste is ± 7% en in sommige gevallen zelfs ± 5% of minder. Deze parameter en andere variabelen zullen de vervaardiging van deze draagbare PCB's ernstig beïnvloeden met bijzonder strikte impedantiecontrole, waardoor het aantal bedrijven dat ze kan produceren beperkt.

De diëlektrische constante tolerantie van het laminaat gemaakt van Rogers UHF -materialen wordt in het algemeen op ± 2%gehandhaafd en sommige producten kunnen zelfs ± 1%bereiken. De diëlektrische constante tolerantie van het FR4 -laminaat is daarentegen zo hoog als 10%. Vergelijk daarom deze twee materialen kan worden gevonden dat het insertieverlies van Rogers bijzonder laag is. In vergelijking met traditionele FR4 -materialen zijn het transmissieverlies en het invoegverlies van de Rogers -stapel half lager.

In de meeste gevallen zijn kosten het belangrijkste. Rogers kunnen echter een relatief laag verlies van hoogfrequente laminaatprestaties bieden tegen een acceptabel prijspunt. Voor commerciële toepassingen kan Rogers worden gemaakt tot een hybride PCB met op epoxy gebaseerde FR4, waarvan sommige lagen Rogers-materiaal gebruiken, en andere lagen gebruiken FR4.

Bij het kiezen van een Rogers -stapel is frequentie de primaire overweging. Wanneer de frequentie meer dan 500 MHz overschrijdt, hebben PCB -ontwerpers de neiging om Rogers -materialen te kiezen, vooral voor RF/microgolfcircuits, omdat deze materialen hogere prestaties kunnen bieden wanneer de bovenste sporen strikt worden geregeld door impedantie.

In vergelijking met FR4 -materiaal kan Rogers -materiaal ook een lager diëlektrisch verlies opleveren en is de diëlektrische constante stabiel in een breed frequentiebereik. Bovendien kan Rogers -materiaal de ideale lage invoegverliesprestaties bieden die vereist zijn door hoge frequentie.

De coëfficiënt van thermische expansie (CTE) van Rogers 4000 -serie materialen heeft een uitstekende dimensionale stabiliteit. Dit betekent dat in vergelijking met FR4, wanneer de PCB koude, hete en zeer hete reflow -soldeeringscycli ondergaat, de thermische expansie en samentrekking van de printplaat kan worden gehouden bij een stabiele limiet onder hogere frequentie en hogere temperatuurcycli.

In het geval van gemengde stapel is het eenvoudig om gemeenschappelijke productieprocestechnologie te gebruiken om Rogers en krachtige FR4 samen te mengen, dus het is relatief eenvoudig om een ​​hoge productie-opbrengst te bereiken. De Rogers Stack vereist geen special via het voorbereidingsproces.

Gemeenschappelijke FR4 kan geen zeer betrouwbare elektrische prestaties bereiken, maar hoogwaardige FR4-materialen hebben wel goede betrouwbaarheidskenmerken, zoals hogere TG, nog steeds relatief lage kosten, en kunnen worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen, van eenvoudig audio-ontwerp tot complexe microgolftoepassingen.

Overwegingen van RF/magnetronontwerp

Draagbare technologie en Bluetooth hebben de weg vrijgemaakt voor RF/Microwave -toepassingen in draagbare apparaten. Het frequentiebereik van vandaag wordt steeds dynamischer. Een paar jaar geleden werd zeer hoge frequentie (VHF) gedefinieerd als 2 GHz ~ 3GHz. Maar nu kunnen we ultrahoge frequentie (UHF) -toepassingen zien variërend van 10 GHz tot 25 GHz.

Daarom vereist het RF-onderdeel voor de draagbare PCB meer aandacht voor de bedradingsproblemen en moeten de signalen afzonderlijk worden gescheiden en moeten de sporen die hoogfrequente signalen genereren, weg van de grond worden gehouden. Andere overwegingen zijn: het verstrekken van een bypass -filter, adequate ontkoppelingscondensatoren, aarding en het ontwerpen van de transmissielijn en de retourlijn om bijna gelijk te zijn.

Bypass -filter kan het rimpeleffect van ruisgehalte en overspraak onderdrukken. Ontkoppelingscondensatoren moeten dichter bij de apparaatpennen worden geplaatst met stroomsignalen.

Snelle transmissielijnen en signaalcircuits vereisen dat een grondlaag tussen de signalen van de stroomlaag wordt geplaatst om de jitter gegenereerd door ruissignalen glad te maken. Bij hogere signaalsnelheden zullen kleine impedantie -mismatches onevenwichtige transmissie en ontvangst van signalen veroorzaken, wat resulteert in vervorming. Daarom moet speciale aandacht worden besteed aan het impedantie -matchingprobleem met betrekking tot het radiofrequentiesignaal, omdat het radiofrequentiesignaal een hoge snelheid en een speciale tolerantie heeft.

RF -transmissielijnen vereisen gecontroleerde impedantie om RF -signalen van een specifiek IC -substraat naar de PCB te verzenden. Deze transmissielijnen kunnen worden geïmplementeerd op de buitenste laag, bovenste laag en onderste laag, of kunnen in de middelste laag worden ontworpen.

De methoden die worden gebruikt tijdens PCB RF -ontwerplay -out zijn microstrip -lijn, zwevende striplijn, coplanaire golfgeleider of aarding. De microstrip -lijn bestaat uit een vaste lengte van metaal of sporen en het gehele grondvlak of een deel van het grondvlak direct eronder. De karakteristieke impedantie in de algemene microstrip -lijnstructuur varieert van 50Ω tot 75Ω.

Floating Stripline is een andere methode voor bedrading en ruisonderdrukking. Deze lijn bestaat uit bedrading met vaste breedte op de binnenste laag en een groot grondvlak boven en onder de middelste geleider. Het grondvlak is ingeklemd tussen het stroomvlak, zodat het een zeer effectief aardingseffect kan bieden. Dit is de voorkeursmethode voor draagbare PCB RF -signaalbedrading.

Coplanar -golfgeleider kan een betere isolatie in de buurt van het RF -circuit bieden en het circuit dat dichterbij moet worden gerouteerd. Dit medium bestaat uit een centrale geleider en grondvliegtuigen aan beide kanten of onder. De beste manier om radiofrequentiesignalen te verzenden, is door striplijnen of coplanaire golfgeleiders op te hangen. Deze twee methoden kunnen een betere isolatie bieden tussen het signaal- en RF -sporen.

Het wordt aanbevolen om de zogenaamde "via hek" aan beide zijden van de Coplanar-golfgeleider te gebruiken. Deze methode kan een rij grondvias op elk metalen grondvlak van de middelste geleider bieden. Het hoofdspoor dat in het midden loopt, heeft hekken aan elke kant, waardoor een snelkoppeling wordt geboden voor de retourstroom naar de grond hieronder. Deze methode kan het ruisniveau verlagen dat geassocieerd is met het hoge rimpeleffect van het RF -signaal. De diëlektrische constante van 4,5 blijft hetzelfde als het FR4 -materiaal van de prepreg, terwijl de diëlektrische constante van de prepreg - van microstrip, stripline of offset stripline - ongeveer 3,8 tot 3,9 is.

In sommige apparaten die een grondvlak gebruiken, kunnen blinde Vias worden gebruikt om de ontkoppelingsprestaties van de stroomcondensator te verbeteren en een shuntpad van het apparaat naar de grond te bieden. Het shuntpad naar de grond kan de lengte van de Via verkorten. Dit kan twee doelen bereiken: u maakt niet alleen een shunt of grond, maar vermindert ook de transmissieafstand van apparaten met kleine gebieden, wat een belangrijke RF -ontwerpfactor is.