Devido ao pequeno tamanho e tamanho, quase não existem padrões de placas de circuito impresso para o crescente mercado de IoT vestível. Antes de esses padrões serem lançados, tínhamos que confiar no conhecimento e na experiência de fabricação aprendidos no desenvolvimento em nível de conselho e pensar em como aplicá-los a desafios emergentes únicos. Existem três áreas que requerem nossa atenção especial. Eles são: materiais de superfície de placas de circuito, design de RF/microondas e linhas de transmissão de RF.

Material PCB

“PCB” geralmente consiste em laminados, que podem ser feitos de materiais epóxi reforçados com fibra (FR4), poliimida ou Rogers ou outros materiais laminados. O material isolante entre as diferentes camadas é denominado pré-impregnado.

dispositivos vestíveis exigem alta confiabilidade, portanto, quando os projetistas de PCB se depararem com a escolha de usar FR4 (o material de fabricação de PCB mais econômico) ou materiais mais avançados e mais caros, isso se tornará um problema.

Se as aplicações de PCB vestíveis exigirem materiais de alta velocidade e alta frequência, o FR4 pode não ser a melhor escolha. A constante dielétrica (Dk) do FR4 é 4,5, a constante dielétrica do material mais avançado da série Rogers 4003 é 3,55 e a constante dielétrica da série irmão Rogers 4350 é 3,66.

“A constante dielétrica de um laminado refere-se à razão entre a capacitância ou energia entre um par de condutores próximos ao laminado e a capacitância ou energia entre o par de condutores no vácuo. Em altas frequências, é melhor ter uma pequena perda. Portanto, o Roger 4350 com constante dielétrica de 3,66 é mais adequado para aplicações de frequência mais alta do que o FR4 com constante dielétrica de 4,5.

Em circunstâncias normais, o número de camadas de PCB para dispositivos vestíveis varia de 4 a 8 camadas. O princípio da construção de camadas é que, se for um PCB de 8 camadas, ele deve ser capaz de fornecer camadas de aterramento e energia suficientes e colocar a camada de fiação. Desta forma, o efeito cascata na diafonia pode ser mantido ao mínimo e a interferência eletromagnética (EMI) pode ser significativamente reduzida.

No estágio de projeto do layout da placa de circuito, o plano de layout geralmente é colocar uma grande camada de aterramento próxima à camada de distribuição de energia. Isto pode formar um efeito cascata muito baixo e o ruído do sistema também pode ser reduzido a quase zero. Isto é especialmente importante para o subsistema de radiofrequência.

Comparado com o material Rogers, o FR4 possui um fator de dissipação (Df) mais alto, especialmente em altas frequências. Para laminados FR4 de alto desempenho, o valor Df é de cerca de 0,002, o que é uma ordem de grandeza melhor que o FR4 comum. No entanto, a pilha de Rogers é de apenas 0,001 ou menos. Quando o material FR4 é usado para aplicações de alta frequência, haverá uma diferença significativa na perda de inserção. A perda de inserção é definida como a perda de potência do sinal do ponto A ao ponto B ao usar FR4, Rogers ou outros materiais.

criar problemas

PCB vestível requer controle de impedância mais rígido. Este é um fator importante para dispositivos vestíveis. A correspondência de impedância pode produzir uma transmissão de sinal mais limpa. Anteriormente, a tolerância padrão para traços de transporte de sinal era de ±10%. Este indicador obviamente não é bom o suficiente para os circuitos atuais de alta frequência e alta velocidade. O requisito atual é de ±7% e, em alguns casos, até de ±5% ou menos. Este parâmetro e outras variáveis ​​afetarão seriamente a fabricação desses PCBs vestíveis com controle de impedância particularmente rigoroso, limitando assim o número de empresas que podem fabricá-los.

A tolerância constante dielétrica do laminado feito de materiais Rogers UHF é geralmente mantida em ±2%, e alguns produtos podem até atingir ±1%. Em contraste, a tolerância da constante dielétrica do laminado FR4 chega a 10%. Portanto, compare esses dois materiais e descubra que a perda de inserção de Rogers é particularmente baixa. Em comparação com os materiais FR4 tradicionais, a perda de transmissão e a perda de inserção da pilha Rogers são metade menores.

Na maioria dos casos, o custo é o mais importante. No entanto, Rogers pode fornecer desempenho de laminado de alta frequência com perdas relativamente baixas a um preço aceitável. Para aplicações comerciais, Rogers pode ser transformado em um PCB híbrido com FR4 à base de epóxi, algumas camadas usam material Rogers e outras camadas usam FR4.

Ao escolher uma pilha Rogers, a frequência é a principal consideração. Quando a frequência excede 500 MHz, os projetistas de PCB tendem a escolher materiais Rogers, especialmente para circuitos de RF/microondas, porque esses materiais podem fornecer maior desempenho quando os traços superiores são estritamente controlados pela impedância.

Comparado com o material FR4, o material Rogers também pode fornecer menor perda dielétrica e sua constante dielétrica é estável em uma ampla faixa de frequência. Além disso, o material Rogers pode fornecer o desempenho ideal de baixa perda de inserção exigido pela operação de alta frequência.

O coeficiente de expansão térmica (CTE) dos materiais da série Rogers 4000 possui excelente estabilidade dimensional. Isso significa que, em comparação com o FR4, quando a PCB passa por ciclos de soldagem por refluxo frio, quente e muito quente, a expansão e contração térmica da placa de circuito podem ser mantidas em um limite estável sob ciclos de frequência e temperatura mais altas.

No caso de empilhamento misto, é fácil usar tecnologia de processo de fabricação comum para misturar Rogers e FR4 de alto desempenho, portanto, é relativamente fácil obter alto rendimento de fabricação. A pilha Rogers não requer um processo especial de preparação.

O FR4 comum não pode atingir um desempenho elétrico muito confiável, mas os materiais FR4 de alto desempenho têm boas características de confiabilidade, como Tg mais alto, custo ainda relativamente baixo e podem ser usados ​​em uma ampla gama de aplicações, desde design de áudio simples até aplicações complexas de microondas. .

Considerações de design de RF/microondas

A tecnologia portátil e o Bluetooth abriram caminho para aplicações de RF/microondas em dispositivos vestíveis. A faixa de frequência atual está se tornando cada vez mais dinâmica. Há alguns anos, a frequência muito alta (VHF) era definida como 2GHz ~ 3GHz. Mas agora podemos ver aplicações de frequência ultra-alta (UHF) que variam de 10 GHz a 25 GHz.

Portanto, para o PCB vestível, a parte de RF requer mais atenção aos problemas de fiação, e os sinais devem ser separados separadamente, e os traços que geram sinais de alta frequência devem ser mantidos longe do solo. Outras considerações incluem: fornecer um filtro de bypass, capacitores de desacoplamento adequados, aterramento e projetar a linha de transmissão e a linha de retorno para serem quase iguais.

O filtro de desvio pode suprimir o efeito cascata do conteúdo de ruído e diafonia. Os capacitores de desacoplamento precisam ser colocados mais próximos dos pinos do dispositivo que transportam sinais de energia.

Linhas de transmissão de alta velocidade e circuitos de sinal exigem que uma camada de aterramento seja colocada entre os sinais da camada de potência para suavizar o tremor gerado pelos sinais de ruído. Em velocidades de sinal mais altas, pequenas incompatibilidades de impedância causarão transmissão e recepção de sinais desequilibradas, resultando em distorção. Portanto, atenção especial deve ser dada ao problema de casamento de impedância relacionado ao sinal de radiofrequência, pois o sinal de radiofrequência possui alta velocidade e tolerância especial.

As linhas de transmissão de RF requerem impedância controlada para transmitir sinais de RF de um substrato IC específico para o PCB. Essas linhas de transmissão podem ser implementadas na camada externa, na camada superior e na camada inferior, ou podem ser projetadas na camada intermediária.

Os métodos usados ​​durante o layout do projeto de RF do PCB são linha de microfita, linha de faixa flutuante, guia de ondas coplanar ou aterramento. A linha de microfita consiste em um comprimento fixo de metal ou traços e todo o plano de aterramento ou parte do plano de aterramento diretamente abaixo dele. A impedância característica na estrutura geral da linha microstrip varia de 50Ω a 75Ω.

Stripline flutuante é outro método de fiação e supressão de ruído. Esta linha consiste em fiação de largura fixa na camada interna e um grande plano de aterramento acima e abaixo do condutor central. O plano de aterramento fica imprensado entre o plano de potência, portanto pode fornecer um efeito de aterramento muito eficaz. Este é o método preferido para fiação de sinal RF de PCB vestível.

O guia de ondas coplanar pode fornecer melhor isolamento próximo ao circuito de RF e ao circuito que precisa ser roteado mais próximo. Este meio consiste em um condutor central e planos de aterramento em ambos os lados ou abaixo. A melhor maneira de transmitir sinais de radiofrequência é suspender linhas de faixa ou guias de onda coplanares. Esses dois métodos podem fornecer melhor isolamento entre o sinal e os traços de RF.

Recomenda-se a utilização da chamada “cerca de passagem” em ambos os lados do guia de ondas coplanar. Este método pode fornecer uma fileira de vias de aterramento em cada plano de aterramento metálico do condutor central. O traçado principal que passa no meio possui cercas em cada lado, proporcionando assim um atalho para a corrente de retorno ao solo abaixo. Este método pode reduzir o nível de ruído associado ao alto efeito cascata do sinal de RF. A constante dielétrica de 4,5 permanece a mesma do material FR4 do pré-impregnado, enquanto a constante dielétrica do pré-impregnado - de microstrip, stripline ou offset stripline - é de cerca de 3,8 a 3,9.

Em alguns dispositivos que utilizam um plano de aterramento, vias cegas podem ser usadas para melhorar o desempenho de desacoplamento do capacitor de potência e fornecer um caminho shunt do dispositivo ao terra. O caminho de derivação para o solo pode encurtar o comprimento da via. Isso pode atingir dois propósitos: você não apenas cria um shunt ou aterramento, mas também reduz a distância de transmissão de dispositivos com áreas pequenas, o que é um importante fator de projeto de RF.