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技術資料

開發可穿戴設備,請謹慎對待PCB設計

發布時間 : 2017-12-08 11:58|浏覽次數 : 260

由于體積和尺寸都很小,對日益增長的可穿戴物聯網市場來說幾乎沒有現成的印刷電路板標准。在這些標准面世之前,我們不得不依靠在板級開發中所學的知識和制造經驗,並思考如何將它們應用于獨特的新興挑戰。有三個領域需要我們特別加以關注,它們是:電路板表面材料,射頻/微波設計和射頻傳輸線。

PCB材料

PCB一般由疊層組成,這些疊層可能用纖維增強型環氧樹脂(FR4)、聚酰亞胺或羅傑斯(Rogers)材料或其它層壓材料制造。不同層之間的絕緣材料被稱爲半固化片。

可穿戴設備要求很高的可靠性,因此當PCB設計師面臨著使用FR4(具有最高性價比的PCB制造材料)或更先進更昂貴材料的選擇時,這將成爲一個問題。

如果可穿戴PCB應用要求高速、高頻材料,FR4可能不是最佳選擇。FR4的介電常數(Dk)是4.5,更先進的Rogers 4003系列材料的介電常數是3.55,而兄弟系列Rogers 4350的介電常數是3.66。

圖1:多層電路板的疊層圖,圖中展示了FR4材料和Rogers 4350以及核心層厚度。

一個疊層的介電常數指的是疊層附近一對導體之間的電容或能量與真空中這對導體之間電容或能量的比值。在高頻時,最好是有很小的損耗,因此,介電系數爲3. 66的Roger 4350比介電常數是4.5的FR4更適合更高頻率的應用。

正常情況下,可穿戴設備用的PCB層數從4層到8層。層的構建原則是,如果是8層PCB,它應能提供足夠的地層和電源層並將布線層夾在中間。這樣,串擾中的紋波效應就能保持最小,並能顯著減少電磁幹擾(EMI)。

在電路板版圖設計階段,版圖安排方案一般是將大塊地層緊靠電源分配層。這樣可以形成很低的紋波效應,系統噪聲也能被減小到幾乎爲零。這對射頻子系統來說尤其重要。

與Rogers材料相比,FR4具有較高的耗散因數(Df),特別是在高頻的時候。對于更高性能的FR4疊層來說,Df值在0.002左右,比普通FR4要好一個數量級。不過Rogers的疊層只有0.001或更小。當將FR4材料用于高頻應用時,就會在插損方面産生明顯的差異。插損被定義爲在使用FR4、Rogers或其它材料時信號從A點傳輸到B點的功率損失。

制造問題

可穿戴PCB要求更加嚴格的阻抗控制,對可穿戴設備來說這是一個重要的因素,阻抗匹配可以産生更加幹淨的信號傳輸。在較早前,信號承載走線的標准公差是±10%。這個指標對今天的高頻高速電路來顯然不夠好。現在的要求是±7%,在有些情況下甚至達±5%或更小。這個參數以及其它變量會嚴重影響這些阻抗控制特別嚴格的可穿戴PCB的制造,進而限制了能夠制造它們的商家數量。

采用Rogers特高頻材料做的疊層的介電常數公差一般保持在±2%,有些産品甚至可以達到±1%,相比之下FR4疊層的介電常數公差高達10%,因此,比較這兩種材料可以發現Rogers的插損特別低。與傳統的FR4材料相比,Rogers疊層的傳輸損耗和插損要低一半。

在大多數情況下,成本最重要。然而,Rogers能以可接受的價位提供相對低損耗的高頻疊層性能。對商業應用來說,Rogers可以和基于環氧樹脂的FR4一起做成混合PCB,其中一些層采用Rogers材料,其它層采用FR4。

在選擇Rogers疊層時,頻率是首要考慮因素。當頻率超過500MHz時,PCB設計師傾向于選擇Rogers材料,特別是對射頻/微波電路來說,因爲上面的走線受到嚴格的阻抗控制時,這些材料可以提供更高的性能。

與FR4材料相比,Rogers材料還能提供更低的介電損耗,其介電常數在很寬的頻率範圍內都很穩定。另外,Rogers材料可以提供高頻工作要求的理想低插損性能。

Rogers 4000系列材料的熱膨脹系數(CTE)具有優異的尺寸穩定性。這意味著與FR4相比,當PCB經曆冷、熱和非常熱的回流焊循環時,電路板的熱脹冷縮可以在更高頻率和更高溫度循環下保持在一個穩定的限值。

在混合疊層情形下,可以輕松地使用通用制造工藝技術將Rogers和高性能FR4混合在一起使用,因此也相對容易實現高的制造良率。Rogers疊層不需要專門的過孔准備工序。

普通FR4無法實現非常可靠的電氣性能,但高性能FR4材料確實有良好的可靠特性,比如更高的Tg,仍然相對較低的成本,並能用于種類廣泛的應用,從簡單的音頻設計到複雜的微波應用。

射頻/微波設計考慮

便攜式技術和藍牙爲可穿戴設備中的射頻/微波應用鋪平了道路。今天的頻率範圍正變得越來越動態。還在幾年前,甚高頻(VHF)被定義爲2GHz~3GHz。但現在我們可以見到範圍在10GHz到25GHz之間的超高頻(UHF)應用。

因此對可穿戴PCB來說,射頻部分要求更加密切地關注布線方面的問題,要把信號單獨分開,使産生高頻信號的走線遠離地。其它考慮因素包括:提供旁路濾波器,足夠的去耦電容,接地,將傳輸線和回路線設計的幾乎相等。

旁路濾波器可以抑制噪聲內容和串擾的紋波效應。去耦電容需要放置在更靠近承載電源信號的器件引腳旁邊。

高速傳輸線和信號回路要求在電源層信號間布置一個地層,用于平滑噪聲信號産生的抖動。在較高的信號速度時,很小的阻抗失配都會造成不平衡的傳輸和接收信號,從而産生失真。因此必須特別留意與射頻信號有關的阻抗匹配問題,因爲射頻信號具有很高的速度和特殊的容限。

射頻傳輸線要求控制阻抗以便將射頻信號從特定的IC基底傳送到PCB。這些傳輸線可以在外層、頂層和底層實現,也可以設計在中間層。

在PCB射頻設計版圖期間使用的方法有微帶線、懸浮的帶狀線、共面型波導或接地。微帶線由固定長度的金屬或走線以及位于正下方的整個地平面或部分地平面組成。一般微帶線結構中的特征阻抗從50Ω到75Ω。

圖2:共面波導可以在射頻線路和需要走線靠很近的線路附近提供更好的隔離。

懸浮帶狀線是另外一種布線和抑制噪聲的方法。這種線由內層上固定寬度的布線和中心導體上下的大塊地平面組成。地平面夾在電源層中間,因此可以提供非常有效的接地效果。對可穿戴PCB射頻信號布線來說這是優選的一種方法。

共面波導可以在射頻線路和需要走線靠近的線路附近提供更好的隔離。這種介質由一段中心導體和兩旁或下方的地平面組成。傳送射頻信號的最佳方法是懸浮帶狀線或共面波導。這兩種方法可以在信號和射頻走線之間提供更好的隔離。

在共面波導兩邊推薦使用所謂的“過孔圍欄”。這種方法可以在中心導體的每個金屬地平面上提供一排接地過孔。在中間運行的主要走線在每邊都有圍欄,因此給返回電流提供了到下面地層的捷徑。這種方法可以減少與射頻信號高紋波效應有關的噪聲電平。4.5的介電常數保持與半固化片FR4材料相同,而半固化片—從微帶線、帶狀線或偏移帶狀線—的介電常數約3.8到3.9。

圖3:在共面波導的兩側推薦使用過孔圍欄。

在使用地平面的某些設備中,可能會使用盲孔來提高電源電容的去耦性能,並提供從器件到地的分流路徑。到地的分流路徑可以縮短過孔的長度,這樣可以達成兩個目的:你不僅創建了分流或地,而且可以減少具有小塊地的器件的傳輸距離,這是一個重要的射頻設計因素。

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