PCB部落格 - 可穿戴PCB板設計需要關注基本資料

由於其體積小, 幾乎沒有現成的 印刷電路板 不斷增長的可穿戴物聯網市場的標準. 在這些標準可用之前, 我們必須依靠在董事會級開發和製造經驗中學到的知識，思考如何將其應用於獨特的新興挑戰. 有3個方面需要我們特別注意：電路板表面資料, 射頻/微波設計, 和射頻傳輸線.

PCB板 布料

PCB板s通常由層壓板組成, which may be fabricated from fiber-reinforced epoxy (FR4), 聚醯亞胺或羅傑斯資料, 或其他層壓板. 不同層之間的絕緣材料稱為預浸料. 可穿戴設備需要高水准的可靠性, 所以當 PCB板 designers are faced with the choice of using FR4 (a cost-effective PCB manufacturing 材料) or more advanced and more expensive 材料. 如果是可穿戴的 PCB板 應用需要高速, 高頻資料, FR4可能不是選擇. The dielectric constant (Dk) of FR4 is 4.5, 更先進的羅傑斯 4003系列資料的介電常數為3.55, 兄弟羅傑斯4350的介電常數為3.66.

電堆的介電常數是指電堆附近一對導體之間的電容或能量與真空中一對導體之間的電容或能量之比. 在高頻下, 損失很小, 羅傑4350，介電常數為3.66比介電常數為4的FR4更適用於更高頻率的應用.5. 在正常情况下, 可穿戴設備的PCB層數從4層到8層不等. 層結構原理是，如果是8層PCB, 它應該提供足够的接地和電源面，並夾住佈線層. 以這種管道, the ripple effect in crosstalk is preserved and electromagnetic interference (EMI) can be significantly reduced. 在電路板佈局設計階段, 平面佈置圖一般是在配電層附近放置一個較大的地層. 這會產生非常低的紋波效應，並且系統雜訊可以降低到幾乎為零. 這對於射頻子系統尤其重要. 與羅傑斯資料相比, FR4 has a higher dissipation factor (Df), 尤其是在高頻下. 對於更高效能的FR4堆棧, Df值約為0.002, 這比常規FR4好一個數量級. 但羅傑斯的堆棧只有0.001或更少. 當FR4資料用於高頻應用時, 插入損耗有明顯差异. 插入損耗定義為使用FR4時從點A到點B的訊號傳輸中的功率損耗, Rogers, 或其他資料.

Manufacturing problems

Wearable PCB板 需要更嚴格的阻抗控制, 可穿戴設備的一個重要因素, 因為阻抗匹配可以實現更清晰的訊號傳輸. 早期的, 訊號傳輸軌跡的標準公差為±10%. 對於今天的高頻高速電路來說，這個名額顯然不够好. 當前要求為±7%, 在某些情况下甚至是±5%或更少. 此參數, 以及其他變數, 阻抗控制特別嚴格，會嚴重影響這些可穿戴PCB的製造, 從而限制了能够製造它們的商家數量. 由羅傑斯超高頻資料製成的層壓板的介電常數公差通常保持在±2%, 有些產品甚至可以達到±1%. Rogers在這兩種資料中具有極低的插入損耗. 與傳統FR4資料相比，Rogers疊層的傳輸和插入損耗降低了一半. 在大多數情况下, 成本問題. 然而, Rogers可以在可接受的價位上提供相對較低的損耗高頻疊加效能. 用於商業應用, Rogers可以與環氧樹脂基FR4相結合，製造混合PCB, 一些層使用羅傑斯資料，其他層使用FR4. 選擇羅傑斯堆棧時, 頻率是首要考慮因素. 當頻率超過500MHz時, PCB板 設計師傾向於選擇羅傑斯資料, 特別是射頻/微波電路, 因為當上述軌跡由阻抗嚴格控制時，這些資料可以提供更高的效能. 與FR4資料相比，羅傑斯資料還具有更低的介電損耗, 它們的介電常數在很寬的頻率範圍內是穩定的. 此外, 羅傑斯資料可以提供高頻操作所需的理想低插入損耗效能. The coefficient of thermal expansion (CTE) of Rogers 4000 series 材料 has excellent dimensional stability. 這意味著，當電路板處於冷態時，在更高頻率和更高溫度迴圈下，電路板的熱膨脹和收縮可以保持在穩定極限, 與FR4相比，熱回流和極熱回流迴圈. 對於混合堆棧, 羅傑斯和高性能FR4可以很容易地混合在一起使用共同的制造技術科技, 囙此，相對容易實現高製造產量. 羅傑斯堆疊不需要專業的通孔準備過程. 常規FR4無法實現非常可靠的電力效能, 但高性能FR4資料確實具有良好的可靠性特徵, 例如更高的Tg, 成本仍然相對較低, 並可用於多種應用, 從簡單的音訊設計到複雜的微波應用.

射頻/Microwave Design Considerations

Portable technology and Bluetooth paved the way for RF/微波在可穿戴設備中的應用. 今天的頻率範圍變得越來越動態. 幾年前, very high frequency (VHF) was defined as 2GHz ~ 3GHz. But now we can see ultra-high frequency (UHF) applications in the range of 10GHz to 25GHz. 因此, 適用於可穿戴設備 PCB板, 射頻部分需要更密切地注意佈線問題, 單獨的訊號, 並使產生高頻訊號的痕迹遠離地面. 其他注意事項包括：提供旁路篩檢程式, 足够的去耦電容器, 接地, 輸電線路和回流線路的設計幾乎相等. 旁路濾波器抑制雜訊含量和串擾的漣漪效應. 去耦電容器需要放置在更靠近攜帶功率訊號的設備引脚的位置. 高速傳輸線和訊號環路需要功率平面訊號之間的接地層，以消除雜訊訊號的抖動. 在更高的訊號速度下, 小阻抗失配會導致發射和接收訊號不平衡, 導致失真. 因此, 必須特別注意與射頻訊號相關的阻抗匹配問題, 具有高速度和特殊公差. 射頻傳輸線需要受控阻抗，以便將射頻訊號從特定IC基板傳輸到 PCB板. 這些傳輸線可以在外部實現, 頂層和底層, 也可以在中間層進行設計. PCB射頻設計佈局中使用的方法是微帶, 浮動帶狀線, 共面波導或接地. 微帶線由固定長度的金屬或軌跡和整個接地層或其正下方的接地層的一部分組成. 一般微帶線結構中的特性阻抗為50Ω到75Ω.

懸浮帶狀線是另一種佈線和抑制雜訊的方法. 該線路由內層上的固定寬度佈線和中心導體上方和下方的大接地層組成. 地平面夾在電源平面之間，囙此提供了非常有效的接地效果. 這是可穿戴設備上射頻訊號路由的首選方法 PCB板s. 共面波導可以在射頻線和需要緊密跟踪的線附近提供更好的隔離. 該介質由一側或下方的一段中心導體和接地層組成. 傳輸射頻訊號的方法是懸浮帶狀線或共面波導. 這兩種方法在訊號和射頻軌跡之間提供了更好的隔離. 建議在共面波導的兩側使用所謂的“過孔圍欄”. 這種方法在中心導體的每個金屬接地平面上提供一排接地過孔. 中間的主跑道兩側用柵欄圍起來, 囙此，為返回電流提供了一條通往以下地層的捷徑. 這種方法降低了與射頻訊號高紋波效應相關的雜訊水准. 4的介電常數.5與預浸FR4資料相同, 而預浸料來自微帶, 帶狀線, 或偏移帶線的介電常數約為3.8到3.9. 在一些使用地平面的設備中, 盲孔可用於改善電源電容器的去耦效能，並提供從設備到地的分流路徑. 接地分流路徑可以縮短通孔的長度, 這有兩個目的：你不僅創造了分流或接地, 但是，您可以减少具有較小接地的設備的傳輸距離, 這是一個重要的 PCB板 射頻設計係數 .