Vanwege het kleine formaat zijn er bijna geen bestaande printplaatstandaarden voor de groeiende draagbare IoT-markt. Voordat deze normen uitkwamen, moesten we vertrouwen op de kennis en productie-ervaring die we hadden opgedaan bij de ontwikkeling op bestuursniveau en nadenken over hoe we deze konden toepassen op unieke nieuwe uitdagingen. Er zijn drie gebieden die onze speciale aandacht vereisen. Dit zijn: oppervlaktematerialen voor printplaten, RF/magnetronontwerp en RF-transmissielijnen.

PCB-materiaal

“PCB” bestaat doorgaans uit laminaten, die gemaakt kunnen zijn van vezelversterkte epoxy (FR4), polyimide- of Rogers-materialen of andere laminaatmaterialen. Het isolatiemateriaal tussen de verschillende lagen heet een prepreg.

Draagbare apparaten vereisen een hoge betrouwbaarheid, dus wanneer PCB-ontwerpers worden geconfronteerd met de keuze tussen het gebruik van FR4 (het meest kosteneffectieve PCB-productiemateriaal) of geavanceerdere en duurdere materialen, zal dit een probleem worden.

Als draagbare PCB-toepassingen hogesnelheids- en hoogfrequente materialen vereisen, is FR4 wellicht niet de beste keuze. De diëlektrische constante (Dk) van FR4 is 4,5, de diëlektrische constante van het meer geavanceerde materiaal uit de Rogers 4003-serie is 3,55 en de diëlektrische constante van de broerserie Rogers 4350 is 3,66.

“De diëlektrische constante van een laminaat verwijst naar de verhouding van de capaciteit of energie tussen een paar geleiders nabij het laminaat en 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 diëlektrische constante van 3,66 geschikter voor toepassingen met hogere frequenties dan FR4 met een diëlektrische constante 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 8-laags PCB is, deze in staat moet zijn om voldoende grond- en stroomlagen te bieden en de bedradingslaag in te sluiten. Op deze manier kan het rimpeleffect bij overspraak tot een minimum worden beperkt en kan elektromagnetische interferentie (EMI) aanzienlijk worden verminderd.

In de ontwerpfase van de printplaatlay-out is het lay-outplan doorgaans bedoeld om een ​​grote grondlaag dicht bij de stroomdistributielaag te plaatsen. Dit kan een zeer laag rimpeleffect vormen en de systeemruis kan ook tot vrijwel nul worden teruggebracht. Dit is vooral belangrijk voor het radiofrequentiesubsysteem.

Vergeleken met Rogers-materiaal heeft FR4 een hogere dissipatiefactor (Df), vooral bij hoge frequentie. Voor FR4-laminaten met hogere prestaties is de Df-waarde ongeveer 0,002, wat een orde van grootte beter is dan gewone FR4. De stack 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 invoegverlies. Insertieverlies wordt gedefinieerd als het vermogensverlies van het signaal van punt A naar punt B bij gebruik van FR4, Rogers of andere materialen.

problemen creëren

Draagbare PCB's vereisen strengere impedantiecontrole. Dit is een belangrijke factor voor draagbare apparaten. Impedantieaanpassing kan een schonere signaaloverdracht produceren. Eerder was de standaardtolerantie voor signaaldragende sporen ±10%. Deze indicator is duidelijk niet goed genoeg voor de huidige hoogfrequente en hogesnelheidscircuits. De huidige eis bedraagt ​​±7% en in sommige gevallen zelfs ±5% of minder. Deze parameter en andere variabelen zullen ernstige gevolgen hebben voor de productie van deze draagbare PCB's met bijzonder strikte impedantiecontrole, waardoor het aantal bedrijven dat ze kan produceren wordt beperkt.

De diëlektrische constante tolerantie van het laminaat gemaakt van Rogers UHF-materialen wordt over het algemeen gehandhaafd op ±2%, en sommige producten kunnen zelfs ±1% bereiken. Daarentegen is de diëlektrische constante tolerantie van het FR4-laminaat maar liefst 10%. Vergelijk daarom deze twee materialen en het inbrengverlies van Rogers is bijzonder laag. Vergeleken met traditionele FR4-materialen zijn het transmissieverlies en het invoegverlies van de Rogers-stack de helft lager.

In de meeste gevallen zijn de kosten het belangrijkst. Rogers kan echter hoogfrequente laminaatprestaties met relatief laag verlies leveren tegen een acceptabele prijs. Voor commerciële toepassingen kan van Rogers een hybride PCB worden gemaakt met FR4 op basis van epoxy, waarvan sommige lagen Rogers-materiaal gebruiken en andere lagen FR4.

Bij het kiezen van een Rogers-stack is frequentie de belangrijkste overweging. Wanneer de frequentie hoger wordt dan 500 MHz, hebben PCB-ontwerpers de neiging om Rogers-materialen te kiezen, vooral voor RF-/microgolfcircuits, omdat deze materialen betere prestaties kunnen leveren wanneer de bovenste sporen strikt worden gecontroleerd door impedantie.

Vergeleken met FR4-materiaal kan Rogers-materiaal ook een lager diëlektrisch verlies opleveren, en de diëlektrische constante is stabiel in een breed frequentiebereik. Bovendien kan Rogers-materiaal de ideale prestatie met laag invoegverlies bieden die vereist is bij hoogfrequent gebruik.

De thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) van de materialen uit de Rogers 4000-serie heeft een uitstekende maatvastheid. Dit betekent dat, vergeleken met FR4, wanneer de PCB koude, hete en zeer hete reflow-soldeercycli ondergaat, de thermische uitzetting en samentrekking van de printplaat op een stabiele limiet kan worden gehouden bij hogere frequentie en hogere temperatuurcycli.

In het geval van gemengd stapelen is het eenvoudig om gemeenschappelijke productieprocestechnologie te gebruiken om Rogers en hoogwaardige FR4 met elkaar te mengen, zodat het relatief eenvoudig is om een ​​hoog productierendement te bereiken. De Rogers-stapel vereist geen speciaal voorbereidingsproces.

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

Overwegingen bij het ontwerp van RF/microgolven

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

Daarom vereist het RF-gedeelte voor de draagbare PCB meer aandacht voor de bedradingsproblemen, en moeten de signalen afzonderlijk worden gescheiden, en moeten de sporen die hoogfrequente signalen genereren uit de buurt van de grond worden gehouden. Andere overwegingen zijn onder meer: ​​het voorzien van een bypass-filter, adequate ontkoppelcondensatoren, aarding en het ontwerpen van de transmissielijn en de retourlijn om vrijwel gelijk te zijn.

Bypassfilter kan het rimpeleffect van ruisinhoud en overspraak onderdrukken. Ontkoppelcondensatoren moeten dichter bij de apparaatpinnen worden geplaatst die stroomsignalen transporteren.

Hogesnelheidstransmissielijnen en signaalcircuits vereisen dat er een aardlaag wordt geplaatst tussen de signalen van de vermogenslaag om de door ruissignalen gegenereerde jitter af te vlakken. Bij hogere signaalsnelheden zullen kleine impedantie-mismatches een ongebalanceerde transmissie en ontvangst van signalen veroorzaken, wat resulteert in vervorming. Daarom moet speciale aandacht worden besteed aan het impedantie-aanpassingsprobleem dat verband houdt met het radiofrequentiesignaal, omdat het radiofrequentiesignaal een hoge snelheid en een speciale tolerantie heeft.

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

De methoden die worden gebruikt tijdens de PCB RF-ontwerplay-out zijn microstriplijn, zwevende striplijn, coplanaire golfgeleider of aarding. De microstriplijn bestaat uit een vast stuk metaal of sporen en het gehele grondvlak of een deel van het grondvlak er direct onder. De karakteristieke impedantie in de algemene microstriplijnstructuur varieert van 50Ω tot 75Ω.

Zwevende striplijn is een andere methode voor bedrading en ruisonderdrukking. Deze lijn bestaat uit bedrading met een vaste breedte op de binnenlaag en een groot aardvlak boven en onder de centrale geleider. Het aardvlak zit ingeklemd tussen het stroomvlak, zodat het een zeer effectief aardingseffect kan bieden. Dit is de voorkeursmethode voor draagbare PCB-RF-signaalbedrading.

Coplanaire golfgeleiders kunnen een betere isolatie bieden in de buurt van het RF-circuit en het circuit dat dichterbij moet worden geplaatst. Dit medium bestaat uit een centrale geleider en grondvlakken aan weerszijden of onderen. De beste manier om radiofrequentiesignalen te verzenden is door striplijnen of coplanaire golfgeleiders op te hangen. Deze twee methoden kunnen zorgen voor een betere isolatie tussen het signaal en de RF-sporen.

Het wordt aanbevolen om aan beide zijden van de coplanaire golfgeleider een zogenaamde “via hek” te gebruiken. Deze methode kan zorgen voor een rij aardingsvia's op elk metalen aardvlak van de centrale geleider. Het hoofdspoor dat in het midden loopt, heeft aan elke kant hekken, waardoor een kortere weg wordt geboden voor de retourstroom naar de onderliggende grond. Deze methode kan het ruisniveau verminderen dat gepaard gaat met het hoge rimpeleffect van het RF-signaal. De diëlektrische constante van 4,5 blijft hetzelfde als die van het FR4-materiaal van de prepreg, terwijl de diëlektrische constante van de prepreg - van microstrip, striplijn of offsetstriplijn - ongeveer 3,8 tot 3,9 bedraagt.

In sommige apparaten die een aardvlak gebruiken, kunnen blinde via's worden gebruikt om de ontkoppelingsprestaties van de vermogenscondensator te verbeteren en een shuntpad van het apparaat naar de aarde te bieden. Het shuntpad naar de grond kan de lengte van de via verkorten. Hiermee kunt u twee doelen bereiken: u creëert niet alleen een shunt of aarde, maar verkleint ook de transmissieafstand van apparaten met kleine oppervlakken, wat een belangrijke RF-ontwerpfactor is.