可穿戴設(shè)備現(xiàn)在已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?。心率、睡?覺醒節(jié)律、鍛煉、電子支付、通話、電子郵件和通知：這些只是來自智能手表、健身追蹤器、智能眼鏡和其他已經(jīng)上市或即將上市的配件的眾多信息中的一部分釋放。對于未來，可以預(yù)見到進(jìn)一步的用途，這將允許對我們的生活進(jìn)行更大程度的整合和 360 度持續(xù)監(jiān)控。從工程的角度來看，可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)難度很大，因?yàn)樗鼈冃枰诔叽?、功率吸收、散熱、重量和成本方面滿足非常嚴(yán)格的要求。與大多數(shù)先進(jìn)的電子設(shè)計(jì)一樣，成功的第一步是構(gòu)建能夠支持所需功能而不影響性能和安全性的印刷電路板。

材料選擇

由于可穿戴設(shè)備的可用空間非常有限，并且需要為組件提供足夠的散熱，因此最常見的選擇是使用多層 PCB，層數(shù)從 2 到 8（即 4 層解決方案）最廣泛使用的）。8 層 PCB 解決方案的優(yōu)勢在于提供更多層數(shù)，可用于創(chuàng)建接地層和電源層，以插入包含組件的層和傳輸線之間。這樣，可以消除串?dāng)_產(chǎn)生的影響并提高電磁兼容性（EMC）。圖1展示了用于上一代智能手表的高度集成的可穿戴 PCB 示例。我們可以看到大量組件都封裝在狹小的空間中，我們可以看到數(shù)字、模擬和射頻區(qū)域是如何保持分離的，以及如何使用創(chuàng)新的解決方案（例如柔性 PCB）。

圖 1：現(xiàn)代智能手表 PCB

選擇正確的材料非常重要，因?yàn)檎麄€電路的性能和操作都取決于它。層壓板使用最廣泛的材料是 FR-4（阻燃等級 4），一種具有成本效益的玻璃增強(qiáng)環(huán)氧樹脂層壓板材料。但是，如果可穿戴設(shè)備電路包含高頻信號，則 FR-4 等材料可能會顯示其局限性；在這些情況下，最好的選擇是為射頻應(yīng)用使用特定材料，例如羅杰斯層壓板，即使這些材料涉及更高的成本。與 FR-4 相比，Rogers 層壓板的第一個優(yōu)勢在于介電常數(shù) （Dk），標(biāo)準(zhǔn) FR-4 層壓板中的介電常數(shù)約為 4.5，而在大多數(shù)先進(jìn)的 Rogers 材料中，RO4700 可低至 2.55天線級層壓板。介電常數(shù)將決定信號如何沿 PCB 走線傳播：它越低，信號沿跡線傳播的速度越快。這意味著 Rogers 材料具有更高的效率，比 FR-4 以更慢的速度損失能量。在高頻率下，例如在可穿戴設(shè)備上發(fā)現(xiàn)的頻率，必須減少功率損耗并最大限度地提高效率，記住該設(shè)備是電池供電的。Rogers 層壓板的另一個優(yōu)點(diǎn)是其極低的耗散因數(shù) （Df），在 RO4700 天線級層壓板中，它在 2.5 GHz 時可低至 0.0022，而在標(biāo)準(zhǔn) FR-4 中，它在 1 GHz 時等于 0.005。耗散因數(shù)，也稱為損耗角正切，是高頻 PCB（例如可穿戴設(shè)備中使用的 PCB）的重要參數(shù)。實(shí)際上，Df 是插入損耗的代名詞，這意味著選擇具有低 Df 值的 PCB 材料通?？梢源_保 PCB 即使在高頻下也能表現(xiàn)出最小的插入損耗。還應(yīng)該注意的是，羅杰斯層壓板在一個重要的頻率范圍內(nèi)保持 Dk 和 Df，而在 FR-4 材料中它們更依賴于頻率。為了降低總成本，在許多應(yīng)用中，Rogers 層壓板可以與環(huán)氧樹脂基 FR-4 組合以獲得混合 PCB，其中一些層由 Rogers 材料制成，其他層由標(biāo)準(zhǔn) FR-4 制成。羅杰斯材料的第三個優(yōu)點(diǎn)是線性熱膨脹系數(shù) （CTE） 的出色穩(wěn)定性。該參數(shù)測量 PCB 隨頻率和溫度變化的熱膨脹和收縮。即使電路板經(jīng)過冷、熱、

布局指南

就像大多數(shù)射頻電路一樣，可穿戴設(shè)備 PCB 需要嚴(yán)格的阻抗控制，因?yàn)榫脑O(shè)計(jì)的阻抗匹配電路可以導(dǎo)致更好的信號傳輸質(zhì)量。缺乏阻抗匹配的電路不僅會導(dǎo)致功率損耗，而且更有可能沿 PCB 傳輸線產(chǎn)生危險的信號反射。由于大多數(shù)射頻電路、模塊和組件都具有 50 Ω 的特性阻抗，因此通常的做法是確保 PCB 走線也與該阻抗值匹配。給定阻抗 Z （50 Ω），可以使用 IPC2141A 標(biāo)準(zhǔn)中包含的公式計(jì)算作為走線厚度 T 和距地平面距離 H 的函數(shù)的走線寬度 W。最廣泛使用的跡線是微帶線、懸浮帶線和共面波導(dǎo)。懸掛帶狀線更適合于可穿戴 PCB 的布線，因?yàn)樗鼈兲峁┝朔浅Ｓ行У慕拥匦Ч?/p>

另一個需要注意的話題是高頻信號的路由（射頻）。如果附近有兩條傳輸線，則兩個磁場有可能相互作用，從而導(dǎo)致串?dāng)_效應(yīng)。根據(jù)特定的電路，可能會發(fā)生電感耦合、電容耦合或兩者兼而有之。防止串?dāng)_的常用方法是走線分離、在層之間插入實(shí)心（即不中斷）接地層，以及使用低介電材料。走線應(yīng)盡可能短而直。如果需要改變方向，應(yīng)避免直角，因?yàn)樗鼈儠黾庸战菂^(qū)域的電容值，改變特性阻抗并引起反射。這個問題可以通過用兩個45°角代替90°角來解決（形成所謂的斜接角）；最小阻抗變化可以通過半徑 R 至少為走線寬度三倍的圓彎布線來獲得。當(dāng)傳輸線占用一層以上時，需要插入一些通孔。插入多個較小的過孔（從一個到另一個的每條跡線過渡至少兩個）是一種很好的做法，以保持低電感并為電流提供額外的路徑，以防任何過孔出現(xiàn)故障。圖 2顯示了 PCB 中使用的主要過孔類型。

圖 2：通過類型

其他重要規(guī)則包括提供旁路濾波器和去耦電容器。旁路電容應(yīng)盡可能靠近電源引腳放置，其電容應(yīng)根據(jù)電路工作頻率進(jìn)行選擇。驅(qū)動電容器選擇的一個相關(guān)參數(shù)也是自諧振頻率 （ SRF ）：高于此值，電容器充當(dāng)電感器，使去耦功能無效。

柔性PCB是一種簡化設(shè)計(jì)并提高最終產(chǎn)品質(zhì)量的技術(shù)。由于對可穿戴設(shè)備的需求迫使設(shè)計(jì)人員將更多組件安裝到更小的空間中，因此需要一種傳統(tǒng) FR-4 材料的替代品。靈活的技術(shù)提供了幾個優(yōu)勢，它是與可穿戴設(shè)備相關(guān)的許多設(shè)計(jì)問題的最佳解決方案。例如，外部傳感器或控制接口與剛性 PCB 的連接可以建立在單個柔性 PCB 上，從而消除了基于傳統(tǒng)電纜的復(fù)雜布線。這種技術(shù)簡化了連接和布線，提供了一種更可靠的解決方案，可以適應(yīng)狹小的空間。使用柔性PCB，可以比傳統(tǒng)的剛性解決方案占用更小的空間來定位組件和執(zhí)行走線的布線，提高連接的可靠性，

即使在圖 1中，我們也可以觀察到柔性 PCB 的存在，它允許連接到用于控制智能手表的按鈕的主要剛性 PCB。

熱管理

可穿戴設(shè)備的特點(diǎn)是在狹小的空間內(nèi)有大量的組件和連接，從一開始就應(yīng)該進(jìn)行熱管理?？紤]到。當(dāng)PCB封閉在外殼內(nèi)時，與外部的空氣交換幾乎為零，因此應(yīng)盡量減少熱量的產(chǎn)生。這是通過選擇高效組件和基板材料、在 PCB 中插入能夠?qū)崃繌漠a(chǎn)生點(diǎn)傳遞到合適的散熱平面的散熱孔，最后在 PCB 上創(chuàng)建散熱器或整個金屬平面來實(shí)現(xiàn)的（如圖所示）圖 1 ） 為最耗電的組件實(shí)現(xiàn)熱交換。

審核編輯：郭婷