由于体积和尺寸都很小,在日益增加的可穿戴物联网市场上,几乎没有现有的印刷基板设计基准。在这些标准出台之前,必须依靠板级开发所学的知识和制造经验,思考如何应用于独自的新兴挑战。有必要特别关注电路板表面材料,射频/微波设计,射频传输线这三个领域。
一、PCB材料
PCB一般由纤维增强环氧树脂FR4、聚酰亚胺或罗杰斯Rogers的材料或可以由其他层叠材料制造的层叠构成。不同层间的绝缘材料称为半固化片。
可穿戴设备由于要求高可靠性,PCB设计者FR4(具有最高价格比PCB制造材料)或面临更先进、更昂贵的材料的选择时,这是问题。
可佩戴PCB当应用程序需要高速、高频材料时,FR4可能不最佳。FR4的介电常数(Dk)是4.5,更先进的Rogers4033系材料的介电常数是3.55,兄弟系Rogers4350的介电常数是3.66。
在图1多层电路板的层叠图中,表示FR4材料以及Rogers4350以及芯层的厚度。
一个层叠体介电常数是指层叠体附近的一对导体之间的电容或能量与真空中的一对导体之间的电容或能量之比。因为在高频下优选存在小的损失,所以介电系数是3,66的Roger4350适合于高于介电常数4.5的FR4的频率的应用。
通常,可穿戴设备用的PCB层数是4层到8层。层的构建原则是,如果是8层PCB,则应提供足够的地层和电源层,将布线层夹在中间。由此,能够将串扰中的波纹效应抑制到最小限度,能够显著降低电磁干扰EMI。
在电路板布局的设计阶段,布局方案通常是使大的地层接近电源分配层。由此,可以形成非常低的纹理波效应,系统噪声也可以降低到几乎零。这对于射频子系统尤其重要。
Rogers与材料相比,FR4在高频下尤其具有高耗散系数(Df)。在更高性能的FR4层叠中,Df值为0.002左右,比通常的FR4好1位。但是Rogers的层叠在0.001以下。FR4如果将材料用于高频用途,则插入损耗会产生显著差异。在使用从A点到B点的信号的功率损失FR4、Rogers或其他材料时定义插入损耗。
二、PCB制造问题
可佩戴PCB需要更严格的阻抗控制,对于可穿戴设备来说这是重要的因素,阻抗匹配能够生成更干净的信号传输。以前,信号传送线路的标准公差是plusmn。10%。这个指标对今天的高频高速电路明显不好。当前请求为plusmn。在某些情况下,7%可以达到plusmn。5%以下。该参数和其他变量严重影响这些阻抗控制特别严格的可佩戴PCB的制造,并限制可制造的运营商的数量。
Rogers使用了特高频材料的层叠的介电常数公差一般保持在plusmn。2%,有些产品可以达到plusmn。相对于1%FR4层叠的介电常数公差高达10%,因此比较这两种材料发现Rogers插入损失特别低。与以往的FR4材料相比,Rogers层叠的输送损失和插入损失低了一半。
大部分情况下,成本是最重要的。然而,Rogers可以以可接受的价格提供相对低损耗的高频层叠性能。在商业用途中,Rogers可以与环氧树脂FR4一起混合PCB,一些层使用Rogers材料,其他层使用FR4。
Rogers在选择层叠的情况下,频率是最重要的考虑因素。在超过500MHz的频率下,PCB设计者倾向于选择Rogers材料,尤其是在射频/微波电路下,当所述走线受到严格的阻抗控制时,这些材料可以提供更高的性能。
FR4与材料相比,Rogers材料提供较低介电损耗,其介电常数在较宽的频率范围内稳定。此外,Rogers材料可以提供高频操作要求的理想的低插入损耗性能。
Rogers4000系统材料的热膨胀系数CTE具有优异的尺寸稳定性。这意味着,与FR4相比,当PCB经历冷、热和非常热的回流焊接循环时,电路板的热胀冷缩可以在较高频率和较高温度循环中保持稳定的极限值。
在混合层叠的情况下,因为可以使用通用制造技术容易地混合使用Rogers和高性能FR4,所以也容易实现相对高的制造良率。Rogers层叠不需要特别的大修准备工序。
通常在FR4中不能实现非常可靠的电气性能,但是高性能FR4材料确实具有更高的Tg那样的可靠性高的特性,仍然是比较低的成本,从简单的音频设计到复杂的微波应用,可以用于广泛的种类的应用。
三、射频/微波设计的考虑
便携式技术和蓝牙为可穿戴设备的射频/微波应用开辟了道路。今天的频率范围越来越动态了。到几年前为止,极高频((VHF)被定义为2GHz~3GHz。然而,这里可以看到在10GHz到25GHz范围内的超高频(UHF)应用。
因此,对于可佩戴PCB来说,射频部分需要进一步注意布线上的问题,以便分别分离信号,使产生高频信号的走线远离远程位置。其他考虑因素包括提供旁路滤波器并设计足够的解块容量、接地、传输线和线路几乎相等。
旁路滤波器可以抑制噪声内容和串扰的纹理效果。解块容量需要配置在承载电源信号的分离器自旋附近。
高速传输线和信号电路需要在电源层信号之间配置地层,以使噪声信号的抖动平滑。在较高的信号速度下,小阻抗失配会破坏信号的传输和接收的平衡,导致失真。因此,由于射频信号具有高速度和特殊容许极限,因此必须特别注意与射频信号相关联的阻抗匹配问题。
射频传输线需要控制阻抗以将射频信号从特定IC衬底传输到PCB。这些传输线可以在外层、最上层和下层中实现,也可以由中间层设计。
PCB在射频设计布局期间使用的方法是微带线、悬浮带、共面波导或接地。微带线由固定长度的金属或走线和位于正下方的整个或部分平面构成。一般微带线结构中的特性阻抗由50Omega组成。到75Omega为止。
图2:共面波导可以在需要非常接近的无线频率线和线路的附近提供更好的隔离。
悬浮带状线是抑制其他布线和噪声的方法。该线由内层上的固定宽度的布线和中心导体上下的大的地面平面组成。由于接地面夹在电源层之间,所以可以提供非常有效的接地效果。这是可佩戴PCB的射频信号布线的优选方法。
共面波导可以在射频线和需要接近线路的线路附近提供更好的隔离。该介质由中心导体和两侧或下方的平面组成。传输射频信号的最佳方法是悬浮带状线或共面波导。这两种方法可以在信号和射频线之间提供更好的隔离。
推荐在共面波导的两侧使用所谓的ldquo。检修围栏rdquo。该方法可以在中心导体的各金属地表上设置一列接地通孔。由于中间运转的主要行驶线在各个边都有栅栏,所以返回电流提供了通往地下地层的近路。该方法可以降低与射频信号的高纹波效应有关的噪声水平。4.5介电常数保持与半固化片FR4材料相同,半固化片从微带线、带状线或带状线偏移介电常数到约3.8?维持在3.9。
图3:推荐在共面波导的两侧使用检修栅栏。
在使用接地面的一些设备中,可以使用盲孔来提高电源容量的解扩性能并提供来自设备到地的分流路径。到地的分流路径可以缩短开口的长度,从而不仅创建分流或接地,还可以减少具有小块的设备的传输距离,这是重要的射频设计因素。