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可穿戴PCB設計需要考慮的三大問題

2018/08/06

  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準。在這些標準面世之前,我們不得不依靠在板級開發中所學的知識和制造經驗,并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)、聚酰亞胺或羅杰斯(Rogers)材料或其它層壓材料制造。不同層之間的絕緣材料被稱為半固化片。
  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,這將成為一個問題。
  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。
  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,介電系數為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并將布線層夾在中間。這樣,串擾中的紋波效應就能保持最小,并能顯著減少電磁干擾(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為零。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,就會在插損方面產生明顯的差異。插損被定義為在使用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,阻抗匹配可以產生更加干凈的信號傳輸。在較早前,信號承載走線的標準公差是±10%。這個指標對今天的高頻高速電路來顯然不夠好?,F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%,有些產品甚至可以達到±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,因為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范圍內都很穩定。另外,Rogers材料可以提供高頻工作要求的理想低插損性能。

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