Ze względu na niewielki rozmiar i rozmiar nie ma prawie żadnych standardów płytki drukowanej dla rosnącego rynku IoT. Zanim ukazały się te standardy, musieliśmy polegać na wiedzy i doświadczeniu produkcyjnym wyuczonym w rozwoju na poziomie zarządu i pomyśleć o tym, jak zastosować je do unikalnych pojawiających się wyzwań. Istnieją trzy obszary, które wymagają naszej szczególnej uwagi. Są to: Materiały powierzchniowe płytki, konstrukcja RF/mikrofalów i linie przesyłowe RF.

Materiał PCB

„PCB” zazwyczaj składa się z laminatów, które mogą być wykonane z epoksydowych epoksydowych (FR4), poliimid lub innych materiałów laminowanych. Materiał izolacyjny między różnymi warstwami nazywa się prepreg.

Urządzenia do noszenia wymagają wysokiej niezawodności, więc gdy projektanci PCB mają do czynienia z wyborem stosowania FR4 (najbardziej opłacalny materiał produkcyjny PCB) lub bardziej zaawansowane i droższe materiały, stanie się to problemem.

Jeśli aplikacje PCB do noszenia wymagają dużych materiałów o dużej częstotliwości, FR4 może nie być najlepszym wyborem. Stała dielektryczna (DK) FR4 wynosi 4,5, stała dielektryczna bardziej zaawansowanego materiału serii Rogers 4003 wynosi 3,55, a stała dielektryczna serii Brother Rogers 4350 wynosi 3,66.

„Stała dielektryczna laminatu odnosi się do stosunku pojemności lub energii między parami przewodów w pobliżu laminatu do pojemności lub energii między parą przewodników w próżni. Przy wysokich częstotliwościach, najlepiej mieć niewielką stratę. Dlatego Roger 4350 z dielektryczną stałą 3,66 jest bardziej odpowiedni dla zastosowań wyższych niż FR4 z dielecricją 4,5.

W normalnych okolicznościach liczba warstw PCB dla urządzeń do noszenia waha się od 4 do 8 warstw. Zasada konstrukcji warstwy polega na tym, że jeśli jest to 8-warstwowa płytka drukowana, powinna być w stanie zapewnić wystarczającą ilość warstw uziemienia i zasilania oraz kanapkę warstwę okablowania. W ten sposób efekt tętnienia w przesłuchaniu może być utrzymywany do minimum, a zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) można znacznie zmniejszyć.

Na etapie projektowania układu płytki drukowanej plan układu jest na ogół umieszczać dużą warstwę uziemienia blisko warstwy rozkładu mocy. Może to stanowić bardzo niski efekt falowania, a szum systemowy można również zmniejszyć do prawie zera. Jest to szczególnie ważne dla podsystemu częstotliwości radiowej.

W porównaniu z materiałem Rogersa FR4 ma wyższy współczynnik rozpraszania (DF), szczególnie przy wysokiej częstotliwości. W przypadku laminatów FR4 o wyższej wydajności wartość DF wynosi około 0,002, co jest rzędem wielkości lepszą niż zwykłe FR4. Jednak stos Rogersa wynosi zaledwie 0,001 lub mniej. Gdy materiał FR4 jest używany do zastosowań o wysokiej częstotliwości, będzie istotna różnica w utraty wstawiania. Utrata wstawiania jest definiowana jako utrata mocy sygnału od punktu A do punktu B podczas korzystania z FR4, Rogersa lub innych materiałów.

tworzyć problemy

PCB do noszenia wymaga surowszej kontroli impedancji. Jest to ważny czynnik dla urządzeń do noszenia. Dopasowanie impedancji może wytwarzać czystszą transmisję sygnału. Wcześniej standardowa tolerancja śladów przenoszenia sygnału wynosiła ± 10%. Ten wskaźnik nie jest oczywiście wystarczająco dobry na dzisiejsze obwody o wysokiej częstotliwości i szybkiej prędkości. Obecne wymaganie wynosi ± 7%, aw niektórych przypadkach nawet ± 5% lub mniej. Ten parametr i inne zmienne poważnie wpłyną na wytwarzanie tych urządzeń do noszenia ze szczególnie ścisłą kontrolą impedancji, ograniczając w ten sposób liczbę firm, które mogą je wyprodukować.

Stała tolerancja dielektryczna laminatu wykonanego z materiałów Rogers UHF jest ogólnie utrzymywana na poziomie ± 2%, a niektóre produkty mogą nawet osiągnąć ± 1%. Natomiast stała tolerancja dielektryczna laminatu FR4 wynosi nawet 10%. Dlatego porównaj te dwa materiały, że utrata wstawienia Rogersa jest szczególnie niska. W porównaniu z tradycyjnymi materiałami FR4 utrata transmisji i utrata wstawienia stosu Rogersa są o połowę niższe.

W większości przypadków najważniejsze są koszty. Rogers może jednak zapewnić stosunkowo niską przegraną wydajność laminatu o wysokiej częstotliwości w akceptowalnej cenie. W przypadku zastosowań komercyjnych Rogers można przenieść na hybrydową płytkę PCB z FR4 opartym na epoksydie, z których niektóre warstwy używają materiału Rogers, a inne warstwy używają FR4.

Wybierając stos Rogersa, częstotliwość jest głównym czynnikiem. Gdy częstotliwość przekracza 500 MHz, projektanci PCB mają tendencję do wybierania materiałów Rogers, szczególnie w przypadku obwodów RF/mikrofalowych, ponieważ materiały te mogą zapewnić wyższą wydajność, gdy górne ślady są ściśle kontrolowane przez impedancję.

W porównaniu z materiałem FR4 materiał Rogers może również zapewnić niższą stratę dielektryczną, a jego stała dielektryczna jest stabilna w szerokim zakresie częstotliwości. Ponadto materiał Rogers może zapewnić idealną wydajność niskiej utraty wstawienia wymagana przez operację wysokiej częstotliwości.

Współczynnik ekspansji cieplnej (CTE) materiałów Rogers 4000 ma doskonałą stabilność wymiarową. Oznacza to, że w porównaniu z FR4, gdy PCB przechodzi zimne, gorące i bardzo gorące cykle lutownicze, rozszerzanie cieplne i skurcz płyty drukowanej można utrzymać przy stabilnym limicie przy wyższej częstotliwości i cyklach wyższej temperatury.

W przypadku mieszanego stosu łatwo jest użyć wspólnej technologii procesów produkcyjnych do łączenia Rogersa i wysokowydajnego FR4, dzięki czemu jest stosunkowo łatwa do osiągnięcia wysokiej wydajności produkcyjnej. Stos Rogers nie wymaga specjalnego procesu przygotowania.

Wspólny FR4 nie może osiągnąć bardzo niezawodnej wydajności elektrycznej, ale wysokowydajne materiały FR4 mają dobre charakterystyki niezawodności, takie jak wyższy TG, wciąż stosunkowo niski koszt, i mogą być używane w szerokim zakresie zastosowań, od prostej projektowania audio po złożone zastosowania mikrofalowe.

Rozważania dotyczące projektowania RF/mikrofalów

Przenośna technologia i Bluetooth utorowały drogę do aplikacji RF/mikrofalowych w urządzeniach do noszenia. Dzisiejszy zakres częstotliwości staje się coraz bardziej dynamiczny. Kilka lat temu bardzo wysoka częstotliwość (VHF) zdefiniowano jako 2 GHz ~ 3 GHz. Ale teraz możemy zobaczyć aplikacje o ultra wysokiej częstotliwości (UHF) od 10 GHz do 25 GHz.

Dlatego w przypadku PCB do noszenia część RF wymaga większej uwagi na problemy z okablowaniem, a sygnały powinny być oddzielone osobno, a ślady generujące sygnały o wysokiej częstotliwości powinny być trzymane z dala od ziemi. Inne rozważania obejmują: dostarczenie filtra obejścia, odpowiednie kondensatory oddzielenia, uziemienie oraz projektowanie linii przesyłowej i linii powrotnej tak, aby były prawie równe.

Filtr obejścia może tłumić efekt falowania zawartości szumu i przesłuchu. Pojemniki oddzielenia muszą być umieszczone bliżej pinów urządzeń przenoszących sygnały zasilania.

Linie przesyłowe i obwody sygnałowe o szybkiej prędkości wymagają umieszczenia warstwy uziemienia między sygnałami warstwy zasilania, aby wygładzić drganie generowane przez sygnały szumu. Przy wyższych prędkościach sygnału niewielkie niedopasowania impedancji spowodują niezrównoważoną transmisję i odbiór sygnałów, co powoduje zniekształcenie. Dlatego należy zwrócić szczególną uwagę na problem dopasowywania impedancji związany z sygnałem częstotliwości radiowej, ponieważ sygnał częstotliwości radiowej ma dużą prędkość i specjalną tolerancję.

Linie przesyłowe RF wymagają kontrolowanej impedancji w celu przesyłania sygnałów RF z określonego podłoża IC do PCB. Te linie przesyłowe można zaimplementować na zewnętrznej warstwie, górnej warstwie i dolnej warstwie lub mogą być zaprojektowane w środkowej warstwie.

Metodami stosowanymi podczas układu projektu RF PCB są linia mikropaskową, pływająca linia paska, falowód koplanowy lub uziemienie. Linia mikrostrypów składa się ze stałej długości metalu lub śladów oraz całej płaszczyzny uziemienia lub części płaszczyzny uziemienia bezpośrednio pod nią. Charakterystyczna impedancja w ogólnej strukturze linii mikrostrypów wynosi od 50 Ω do 75 Ω.

Pływająca linia paska to kolejna metoda okablowania i tłumienia szumu. Ta linia składa się z okablowania o stałej szerokości na warstwie wewnętrznej i dużej płaszczyźnie uziemienia powyżej i poniżej środkowego przewodu. Płaszczyzna uziemienia jest umieszczona między płaszczyzną mocy, dzięki czemu może zapewnić bardzo skuteczny efekt uziemienia. Jest to preferowana metoda okablowania sygnału RF PCB do noszenia.

Faluelk Coplanar może zapewnić lepszą izolację w pobliżu obwodu RF i obwodu, który należy podnieść bliżej. To medium składa się z centralnego dyrygenta i płaszczyzn naziemnych po obu lub poniżej. Najlepszym sposobem przesyłania sygnałów częstotliwości radiowej jest zawieszenie linii paska lub falowodu Coplanarar. Te dwie metody mogą zapewnić lepszą izolację między śladami sygnału i RF.

Zaleca się stosowanie tak zwanego „przez ogrodzenie” po obu stronach falowodu Coplanar. Ta metoda może dostarczyć rzędu mielonych przelotek na każdej metalowej płaszczyźnie uziemienia środkowego przewodnika. Główny ślad działający pośrodku ma ogrodzenia z każdej strony, zapewniając w ten sposób skrót do prądu powrotu na podłoże poniżej. Ta metoda może zmniejszyć poziom szumu związany z wysokim efektem falowania sygnału RF. Stała dielektryczna wynosząca 4,5 pozostaje taka sama jak materiał FR4 w prepreg, podczas gdy stała dielektryczna prepreg - z mikropasku, paski lub linii przesunięcia - wynosi około 3,8 do 3,9.

W niektórych urządzeniach, które używają płaszczyzny uziemienia, można użyć ślepych przelotek do poprawy wydajności oddzielania kondensatora zasilania i zapewnienia ścieżki bocznikowej z urządzenia na ziemię. Ścieżka bocznika na ziemię może skrócić długość VIA. Może to osiągnąć dwa cele: nie tylko tworzysz bocznik lub ziemię, ale także zmniejszając odległość transmisji urządzeń o małych obszarach, co jest ważnym czynnikiem projektowym RF.