首页 > 应用 > EDA
[导读]由于体积和尺寸都很小,对日益增长的可穿戴物联网市场来说几乎没有现成的印刷电路板标准。在这些标准面世之前,我们不得不依靠在板级开发中所学的知识和制造经验,并思考如何将它们应用于独特的新兴挑战。有三个领域需要我们特别加以关注,它们是:电路板表面材料,射频/微波设计和射频传输线。

由于体积和尺寸都很小,对日益增长的可穿戴物联网市场来说几乎没有现成的印刷电路板标准。在这些标准面世之前,我们不得不依靠在板级开发中所学的知识和制造经验,并思考如何将它们应用于独特的新兴挑战。有三个领域需要我们特别加以关注,它们是:电路板表面材料,射频/微波设计和射频传输线。

本文引用地址: app/eda/201712/746413.htm

PCB材料

PCB一般由叠层组成,这些叠层可能用纤维增强型环氧树脂(FR4)、聚酰亚胺或罗杰斯(Rogers)材料或其它层压材料制造。不同层之间的绝缘材料被称为半固化片。

可穿戴设备要求很高的可靠性,因此当PCB设计师面临着使用FR4(具有最高性价比的PCB制造材料)或更先进更昂贵材料的选择时,这将成为一个问题。

如果可穿戴PCB应用要求高速、高频材料,FR4可能不是最佳选择。FR4的介电常数(Dk)是4.5,更先进的Rogers 4003系列材料的介电常数是3.55,而兄弟系列Rogers 4350的介电常数是3.66。

图1:多层电路板的叠层图,图中展示了FR4材料和Rogers 4350以及核心层厚度。

一个叠层的介电常数指的是叠层附近一对导体之间的电容或能量与真空中这对导体之间电容或能量的比值。在高频时,最好是有很小的损耗,因此,介电系数为3. 66的Roger 4350比介电常数是4.5的FR4更适合更高频率的应用。

正常情况下,可穿戴设备用的PCB层数从4层到8层。层的构建原则是,如果是8层PCB,它应能提供足够的地层和电源层并将布线层夹在中间。这样,串扰中的纹波效应就能保持最小,并能显着减少电磁干扰(EMI)。

在电路板版图设计阶段,版图安排方案一般是将大块地层紧靠电源分配层。这样可以形成很低的纹波效应,系统噪声也能被减小到几乎为零。这对射频子系统来说尤其重要。

与Rogers材料相比,FR4具有较高的耗散因数(Df),特别是在高频的时候。对于更高性能的FR4叠层来说,Df值在0.002左右,比普通FR4要好一个数量级。不过Rogers的叠层只有0.001或更小。当将FR4材料用于高频应用时,就会在插损方面产生明显的差异。插损被定义为在使用FR4、Rogers或其它材料时信号从A点传输到B点的功率损失。

制造问题

可穿戴PCB要求更加严格的阻抗控制,对可穿戴设备来说这是一个重要的因素,阻抗匹配可以产生更加干净的信号传输。在较早前,信号承载走线的标准公差是±10%。这个指标对今天的高频高速电路来显然不够好。现在的要求是±7%,在有些情况下甚至达±5%或更小。这个参数以及其它变量会严重影响这些阻抗控制特别严格的可穿戴PCB的制造,进而限制了能够制造它们的商家数量。

采用Rogers特高频材料做的叠层的介电常数公差一般保持在±2%,有些产品甚至可以达到±1%,相比之下FR4叠层的介电常数公差高达10%,因此,比较这两种材料可以发现Rogers的插损特别低。与传统的FR4材料相比,Rogers叠层的传输损耗和插损要低一半。

在大多数情况下,成本最重要。然而,Rogers能以可接受的价位提供相对低损耗的高频叠层性能。对商业应用来说,Rogers可以和基于环氧树脂的FR4一起做成混合PCB,其中一些层采用Rogers材料,其它层采用FR4。

在选择Rogers叠层时,频率是首要考虑因素。当频率超过500MHz时,PCB设计师倾向于选择Rogers材料,特别是对射频/微波电路来说,因为上面的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。

与FR4材料相比,Rogers材料还能提供更低的介电损耗,其介电常数在很宽的频率范围内都很稳定。另外,Rogers材料可以提供高频工作要求的理想低插损性能。

Rogers 4000系列材料的热膨胀系数(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循环时,电路板的热胀冷缩可以在更高频率和更高温度循环下保持在一个稳定的限值。

在混合叠层情形下,可以轻松地使用通用制造工艺技术将Rogers和高性能FR4混合在一起使用,因此也相对容易实现高的制造良率。Rogers叠层不需要专门的过孔准备工序。

普通FR4无法实现非常可靠的电气性能,但高性能FR4材料确实有良好的可靠特性,比如更高的Tg,仍然相对较低的成本,并能用于种类广泛的应用,从简单的音频设计到复杂的微波应用。

射频/微波设计考虑

便携式技术和蓝牙为可穿戴设备中的射频/微波应用铺平了道路。今天的频率范围正变得越来越动态。还在几年前,甚高频(VHF)被定义为2GHz~3GHz。但现在我们可以见到范围在10GHz到25GHz之间的超高频(UHF)应用。

因此对可穿戴PCB来说,射频部分要求更加密切地关注布线方面的问题,要把信号单独分开,使产生高频信号的走线远离地。其它考虑因素包括:提供旁路滤波器,足够的去耦电容,接地,将传输线和回路线设计的几乎相等。

旁路滤波器可以抑制噪声内容和串扰的纹波效应。去耦电容需要放置在更靠近承载电源信号的器件引脚旁边。

高速传输线和信号回路要求在电源层信号间布置一个地层,用于平滑噪声信号产生的抖动。在较高的信号速度时,很小的阻抗失配都会造成不平衡的传输和接收信号,从而产生失真。因此必须特别留意与射频信号有关的阻抗匹配问题,因为射频信号具有很高的速度和特殊的容限。

射频传输线要求控制阻抗以便将射频信号从特定的IC基底传送到PCB。这些传输线可以在外层、顶层和底层实现,也可以设计在中间层。

在PCB射频设计版图期间使用的方法有微带线、悬浮的带状线、共面型波导或接地。微带线由固定长度的金属或走线以及位于正下方的整个地平面或部分地平面组成。一般微带线结构中的特征阻抗从50Ω到75Ω。

图2:共面波导可以在射频线路和需要走线靠很近的线路附近提供更好的隔离。

悬浮带状线是另外一种布线和抑制噪声的方法。这种线由内层上固定宽度的布线和中心导体上下的大块地平面组成。地平面夹在电源层中间,因此可以提供非常有效的接地效果。对可穿戴PCB射频信号布线来说这是优选的一种方法。

共面波导可以在射频线路和需要走线靠近的线路附近提供更好的隔离。这种介质由一段中心导体和两旁或下方的地平面组成。传送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走线之间提供更好的隔离。

在共面波导两边推荐使用所谓的“过孔围栏”。这种方法可以在中心导体的每个金属地平面上提供一排接地过孔。在中间运行的主要走线在每边都有围栏,因此给返回电流提供了到下面地层的捷径。这种方法可以减少与射频信号高纹波效应有关的噪声电平。4.5的介电常数保持与半固化片FR4材料相同,而半固化片—从微带线、带状线或偏移带状线—的介电常数约3.8到3.9。

图3:在共面波导的两侧推荐使用过孔围栏。

在使用地平面的某些设备中,可能会使用盲孔来提高电源电容的去耦性能,并提供从器件到地的分流路径。到地的分流路径可以缩短过孔的长度,这样可以达成两个目的:你不仅创建了分流或地,而且可以减少具有小块地的器件的传输距离,这是一个重要的射频设计因素。

换一批

延伸阅读

[真心话] VR当红,智能手表要胎死腹中?

VR当红,智能手表要胎死腹中?

在2016年的MWC大会上,几乎没有重磅厂商发布智能手表。相反,厂商把精力都集中在虚拟现实(VR)和物联网上。这一反常现象让人感到意外,因为在MWC大会召开前夕,许多报道都称,可穿戴产品将成为今年的热点。 ......

关键字:VR 虚拟现实 智能手表 可穿戴设备

[趣科技] 就是这么6!这条项链是你的私人外语教练

就是这么6!这条项链是你的私人外语教练

现如今这个世界越来越小,走在大街上和一两个老外搭话也不是什么百年难遇的事情了。如果听不明白,或者说不出口,这个有趣的 ili 或许可以帮到你。 ......

关键字:可穿戴设备 智能科技 翻译

[趣科技] 可怕!这个智能手环给你255伏电击“防剁手”

可怕!这个智能手环给你255伏电击“防剁手”

对于我们普通人来说,每个月刚发工资的那几天是最幸福的日子,不过如果对花钱没有周全的计划,很容易到月末就感到捉襟见肘,变成不折不扣的“月光族”。因此,如果能够对每个月的花销进行提前规划,防止过度消费,就可以避免出现这种尴尬的问题。好消息是,现......

关键字:可穿戴设备 智能手环 月光族 电击

[新鲜事] 头骨当密码!可穿戴设备解锁新玩法6到家

头骨当密码!可穿戴设备解锁新玩法6到家

指纹解锁、密码解锁……这些已经成为了给手机加密的标配,然而即使是指纹,也可能被盗用;即使是密码,就算在地铁上也可以轻松看到邻座输了些什么。 ......

关键字:VR/AR 可穿戴设备 解锁

[趣科技] 这个超薄的可穿戴设备,能凭汗水读出你的健康数据

这个超薄的可穿戴设备,能凭汗水读出你的健康数据

据《每日邮报》报道,美国西北大学的 John A. Rogers 教授团队研发出了一款超薄的“皮肤贴片”,可以根据使用者运动时产生汗水里的代谢物和电解质,监测到用户的身体健康情况,并将数据实时同步到智能手机......

关键字:可穿戴设备 健康

[真心话] 运动也科技:里约奥运会运动员们的“科技范”

运动也科技:里约奥运会运动员们的“科技范”

2016里约奥运会已经开幕,想必很多朋友都非常期待精彩的比赛,尤其是中国队的表现。科技对人们生活产生了方方面面的影响,体育竞技也不例外。事实上,很多国家的运动员都开始使用可穿戴设备进行训练、体征监测,更好......

关键字:奥运会 可穿戴设备

[新鲜事] 苹果又出戒指或胸针?其实是心电图设备新专利

苹果又出戒指或胸针?其实是心电图设备新专利

据科技网站9to5Mac报道,Patently Apple刊文称,苹果申请了一项与可穿戴心电图设备有关的专利,设备可以采用手表、戒指、胸针等外形。苹果心电图设备示意图可穿戴设备可以佩戴在人体四肢,例如手腕或踝关节处,而且不......

关键字:苹果 可穿戴设备

[新鲜事] 谷歌曝神自拍专利:旋转跳跃踢腿样样都能拍

谷歌曝神自拍专利:旋转跳跃踢腿样样都能拍

据科技网站siliconbeat报道,自拍存在的问题不是人们拍摄照片过多了,而是还不够多。这是谷歌当地时间周二获得的一件专利的“暗示”,这件专利解决了用户在自拍时一个最为紧迫的问题:在踢足球、跳舞或扇其......

关键字:自拍 可穿戴设备

[趣科技] 比你更敏感!中科院石墨烯电子皮肤问世

比你更敏感!中科院石墨烯电子皮肤问世

手术室里,穿着电子皮肤的机器人正在做手术,它将另一块电子皮肤植入病人体内。操作者是室外的医生,他可以感知到病人的细微反应,并实时监控患者术后的愈合情况…… ......

关键字:科技 石墨烯 电子皮肤 可穿戴设备
条评论

我 要 评 论

网友评论

技术子站

更多

项目外包

更多

推荐博客

博聚网