Tres factores a tener en cuenta durante el diseño portátil de PCB

Debido al pequeño tamaño y tamaño, casi no existen estándares de placa de circuito impreso para el creciente mercado de IoT portátil. Antes de que estos estándares salieran a la calle, teníamos que confiar en el conocimiento y la experiencia de fabricación aprendidos en el desarrollo a nivel de la junta y pensar en cómo aplicarlos a desafíos emergentes únicos. Hay tres áreas que requieren nuestra atención especial. Son: materiales de superficie de placa de circuito, diseño rf / microondas y líneas de transmisión de RF.

 

Material pcb


Los PCB generalmente consisten en laminados, que pueden estar hechos de epoxi reforzado con fibra (FR4), poliimida, o materiales Rogers u otros materiales laminados. El material aislante entre las diferentes capas se denomina prepreg.

 

Los dispositivos portátiles requieren alta fiabilidad, por lo que cuando los diseñadores de PCB se enfrentan a la elección de usar FR4 (el material de fabricación de PCB más rentable) o materiales más avanzados y más caros, esto se convertirá en un problema.

 

Si las aplicaciones de PCB portátiles requieren materiales de alta velocidad y alta frecuencia, FR4 puede no ser la mejor opción. La constante dieléctrica (Dk) de FR4 es de 4,5, la constante dieléctrica del material más avanzado de la serie Rogers 4003 es de 3,55, y la constante dieléctrica de la serie de hermanos Rogers 4350 es de 3,66.


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Figura 1: Diagrama de apilamiento de una placa de circuito multicapa, que muestra el material FR4 y Rogers 4350 y el grosor de la capa central.

     

La constante dieléctrica de un laminado se refiere a la relación de la capacitancia o energía entre un par de conductores cerca del laminado a la capacitancia o energía entre el par de conductores en vacío. A altas frecuencias, lo mejor es tener una pequeña pérdida. Por lo tanto, Roger 4350 con una constante dieléctrica de 3,66 es más adecuado para aplicaciones de mayor frecuencia que FR4 con una constante dieléctrica de 4,5.

 

En circunstancias normales, el número de capas pcb para dispositivos portátiles oscila entre 4 y 8 capas. El principio de la construcción de capas es que si es un PCB de 8 capas, debe ser capaz de proporcionar suficiente tierra y capas de potencia y emparedar la capa de cableado. De esta manera, el efecto dominó en el diafonía se puede mantener al mínimo y la interferencia electromagnética (EMI) se puede reducir significativamente.

 

En la etapa de diseño de la placa de circuito, el plan de diseño es generalmente poner una capa de tierra grande cerca de la capa de distribución de energía. Esto puede formar un efecto de ondulación muy bajo, y el ruido del sistema también se puede reducir a casi cero. Esto es especialmente importante para el subsistema de radiofrecuencia.

 

En comparación con el material Rogers, FR4 tiene un factor de disipación más alto (Df), especialmente a frecuencias altas. Para laminados FR4 de mayor rendimiento, el valor Df es aproximadamente 0,002, que es un orden de magnitud mejor que fr4 ordinario. Sin embargo, la pila de Rogers es sólo 0.001 o menos. Cuando el material FR4 se utiliza para aplicaciones de alta frecuencia, habrá una diferencia significativa en la pérdida de inserción. La pérdida de inserción se define como la pérdida de potencia de la transmisión de señal del punto A al punto B cuando se utiliza FR4, Rogers u otros materiales.

 

Problema de fabricación


Pcb portátil requiere un control de impedancia más estricto, que es un factor importante para los dispositivos portátiles. La coincidencia de impedancia puede producir una transmisión de señal más limpia. Anteriormente, la tolerancia estándar para las trazas de transporte de señal era ±10%. Este indicador obviamente no es lo suficientemente bueno para los circuitos de alta frecuencia y alta velocidad de hoy en día. El requisito actual es ±7%, y en algunos casos incluso ±5% o menos. Este parámetro y otras variables afectarán seriamente a la fabricación de estos PCB portátiles con un control de impedancia particularmente estricto, limitando así el número de empresas que pueden fabricarlos.

 

La tolerancia constante dieléctrica del laminado hecho de materiales Rogers UHF generalmente se mantiene en ±2%, y algunos productos pueden incluso alcanzar ±1%. Por el contrario, la tolerancia constante dieléctrica del laminado FR4 es tan alta como el 10%. Por lo tanto, compare estos dos materiales se puede encontrar que la pérdida de inserción de Rogers es particularmente baja. En comparación con el material FR4 tradicional, la pérdida de transmisión y la pérdida de inserción de la pila Rogers son medio menores.

 

En la mayoría de los casos, el costo es el más importante. Sin embargo, Rogers puede proporcionar un rendimiento laminado de alta frecuencia de pérdida relativamente baja a un precio aceptable. Para aplicaciones comerciales, Rogers se puede convertir en un PCB híbrido con FR4 basado en epoxi, algunas capas de las cuales utilizan material Rogers, y otras capas utilizan FR4.

 

Al elegir una pila rogers, la frecuencia es la consideración principal. Cuando la frecuencia supera los 500MHz, los diseñadores de PCB tienden a elegir materiales Rogers, especialmente para circuitos rf/microondas, ya que estos materiales pueden proporcionar un mayor rendimiento cuando las trazas anteriores están estrictamente controladas por impedancia.

 

En comparación con el material FR4, el material Rogers también puede proporcionar una menor pérdida dieléctrica, y su constante dieléctrica es estable en un amplio rango de frecuencia. Además, el material Rogers puede proporcionar el rendimiento ideal de baja pérdida de inserción requerido por el funcionamiento de alta frecuencia.

 

El coeficiente de expansión térmica (CTE) de los materiales de la serie Rogers 4000 tiene una excelente estabilidad dimensional. Esto significa que en comparación con FR4, cuando el PCB se somete a ciclos de reflujo fríos, calientes y muy calientes, la expansión térmica y la contracción de la placa de circuito se pueden mantener en un límite estable bajo mayor frecuencia y ciclos de temperatura más altos.

 

En el caso del apilamiento mixto, es fácil utilizar la tecnología de proceso de fabricación común para mezclar Rogers y FR4 de alto rendimiento, por lo que es relativamente fácil lograr un alto rendimiento de fabricación. Rogers pila no requiere especial a través de procedimientos de preparación.


Fr4 ordinario no puede lograr un rendimiento eléctrico muy confiable, pero los materiales FR4 de alto rendimiento tienen buenas características de fiabilidad, como Tg más alto, todavía relativamente bajo costo, y se pueden utilizar en una amplia gama de aplicaciones, desde diseño de audio simple hasta aplicaciones complejas de microondas.

  

Consideraciones de diseño de RF/Microondas


La tecnología portátil y Bluetooth han allanado el camino para aplicaciones de RF /microondas en dispositivos portátiles. El rango de frecuencias actual es cada vez más dinámico. Hace unos años, VHF se definió como 2GHz ~ 3GHz. Pero ahora podemos ver aplicaciones de ultra alta frecuencia (UHF) que van desde 10GHz a 25GHz.

  

Por lo tanto, para el PCB portátil, la parte de radiofrecuencia requiere más atención a los problemas de cableado, y las señales deben separarse por separado, y las trazas que generan señales de alta frecuencia deben mantenerse alejadas del suelo. Otras consideraciones incluyen: proporcionar un filtro de derivación, capacitores de desacoplamiento adecuados, puesta a tierra y diseñar la línea de transmisión y la línea de retorno para que sean casi iguales.

  

El filtro de derivación puede suprimir el contenido de ruido y el efecto de ondulación del diafonía. Los capacitores de desacoplamiento deben colocarse más cerca de los pines del dispositivo que transportan señales de alimentación.

  

Las líneas de transmisión de alta velocidad y los bucles de señal requieren que se coloque una capa de tierra entre las señales de la capa de potencia para suavizar el jitter generado por las señales de ruido. A velocidades de señal más altas, pequeños desajustes de impedancia causarán transmisión desequilibrada y recepción de señales, lo que resulta en distorsión. Por lo tanto, se debe prestar especial atención al problema de coincidencia de impedancia relacionado con la señal de radiofrecuencia, porque la señal de radiofrecuencia tiene una alta velocidad y una tolerancia especial.

  

Las líneas de transmisión RF requieren impedancia controlada para transmitir señales rf de un sustrato IC específico al PCB. Estas líneas de transmisión se pueden implementar en la capa externa, la capa superior y la capa inferior, o se pueden diseñar en la capa media.

  

Los métodos utilizados durante el diseño de rf PCB son líneas de microstrip, líneas de tira flotante, guías de ondas coplanares o puesta a tierra. La línea de microstrip consiste en un metal o traza de longitud fija y todo el plano de tierra o parte del plano de tierra directamente debajo de él. La impedancia característica en la estructura general de la línea de microstrip oscila entre 50Ω y 75Ω.


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Figura 2: Las guías de onda coplanares pueden proporcionar un mejor aislamiento cerca de las líneas y líneas rf que necesitan ser enrutadas en las cercanías.

  

La línea de striptease suspendida es otro método de cableado y supresión del ruido. Esta línea consiste en cableado de ancho fijo en la capa interna y un gran plano de tierra por encima y por debajo del conductor central. El plano de tierra está intercalado entre el avión de potencia, por lo que puede proporcionar un efecto de puesta a tierra muy eficaz. Este es el método preferido para el cableado de señal de RF PCB portátil.

  

Las guías de onda coplanares pueden proporcionar un mejor aislamiento entre las líneas de RF y las líneas que necesitan ser enrutadas más cerca. Este medio consiste en una sección de conductor central y planos de tierra a ambos lados o por debajo. La mejor manera de transmitir señales rf es suspender una línea de striptease o guía de onda coplanar. Estos dos métodos pueden proporcionar un mejor aislamiento entre la señal y las trazas rf.

  

Se recomienda utilizar las llamadas "a través de vallas" a ambos lados de la guía de ondas coplanar. Este método puede proporcionar una fila de vías terrestres en cada plano de tierra metálico del conductor central. El rastro principal que corre en el medio tiene vallas en cada lado, proporcionando así un atajo para la corriente de retorno al suelo de abajo. Este método puede reducir el nivel de ruido asociado con el efecto de ondulación alta de la señal RF. La constante dieléctrica de 4,5 sigue siendo la misma que el material FR4 del prepreg, mientras que la constante dieléctrica del prepreg ,desde la microstrip, la línea de striptease o la línea de desfase, es de aproximadamente 3,8 a 3,9.


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Figura 3: A través de vallas se recomiendan a ambos lados de una guía de ondas coplanar.

    

En algunos dispositivos que utilizan un plano de tierra, las vías ciegas se pueden utilizar para mejorar el rendimiento de desacoplamiento del condensador de potencia y proporcionar una trayectoria de derivación desde el dispositivo hasta el suelo. El camino de derivación al suelo puede acortar la longitud de la vía, que puede lograr dos propósitos: no sólo crear una derivación o tierra, sino también reducir la distancia de transmisión de los dispositivos con terreno pequeño, que es un factor de diseño rf importante.