可穿戴PCB设计的设计说明

可穿戴设备现在已经成为我们日常生活的一部分。心率、睡眠-觉醒节律、锻炼、电子支付、通话、电子邮件和通知：这些只是来自智能手表、健身追踪器、智能眼镜和其他已经上市或即将上市的配件的众多信息中的一部分释放。对于未来，可以预见到进一步的用途，这将允许对我们的生活进行更大程度的整合和 360 度持续监控。从工程的角度来看，可穿戴设备的设计难度很大，因为它们需要在尺寸、功率吸收、散热、重量和成本方面满足非常严格的要求。与大多数先进的电子设计一样，成功的第一步是构建能够支持所需功能而不影响性能和安全性的印刷电路板。

材料选择

由于可穿戴设备的可用空间非常有限，并且需要为组件提供足够的散热，因此最常见的选择是使用多层 PCB，层数从 2 到 8（即 4 层解决方案）最广泛使用的）。8 层 PCB 解决方案的优势在于提供更多层数，可用于创建接地层和电源层，以插入包含组件的层和传输线之间。这样，可以消除串扰产生的影响并提高电磁兼容性（EMC）。图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。我们可以看到大量组件都封装在狭小的空间中，我们可以看到数字、模拟和射频区域是如何保持分离的，以及如何使用创新的解决方案（例如柔性 PCB）。

图 1：现代智能手表 PCB

选择正确的材料非常重要，因为整个电路的性能和操作都取决于它。层压板使用最广泛的材料是 FR-4（阻燃等级 4），一种具有成本效益的玻璃增强环氧树脂层压板材料。但是，如果可穿戴设备电路包含高频信号，则 FR-4 等材料可能会显示其局限性；在这些情况下，最好的选择是为射频应用使用特定材料，例如罗杰斯层压板，即使这些材料涉及更高的成本。与 FR-4 相比，Rogers 层压板的第一个优势在于介电常数 （Dk），标准 FR-4 层压板中的介电常数约为 4.5，而在大多数先进的 Rogers 材料中，RO4700 可低至 2.55天线级层压板。介电常数将决定信号如何沿 PCB 走线传播：它越低，信号沿迹线传播的速度越快。这意味着 Rogers 材料具有更高的效率，比 FR-4 以更慢的速度损失能量。在高频率下，例如在可穿戴设备上发现的频率，必须减少功率损耗并最大限度地提高效率，记住该设备是电池供电的。Rogers 层压板的另一个优点是其极低的耗散因数 （Df），在 RO4700 天线级层压板中，它在 2.5 GHz 时可低至 0.0022，而在标准 FR-4 中，它在 1 GHz 时等于 0.005。耗散因数，也称为损耗角正切，是高频 PCB（例如可穿戴设备中使用的 PCB）的重要参数。实际上，Df 是插入损耗的代名词，这意味着选择具有低 Df 值的 PCB 材料通常可以确保 PCB 即使在高频下也能表现出最小的插入损耗。还应该注意的是，罗杰斯层压板在一个重要的频率范围内保持 Dk 和 Df，而在 FR-4 材料中它们更依赖于频率。为了降低总成本，在许多应用中，Rogers 层压板可以与环氧树脂基 FR-4 组合以获得混合 PCB，其中一些层由 Rogers 材料制成，其他层由标准 FR-4 制成。罗杰斯材料的第三个优点是线性热膨胀系数 （CTE） 的出色稳定性。该参数测量 PCB 随频率和温度变化的热膨胀和收缩。即使电路板经过冷、热、

布局指南

就像大多数射频电路一样，可穿戴设备 PCB 需要严格的阻抗控制，因为精心设计的阻抗匹配电路可以导致更好的信号传输质量。缺乏阻抗匹配的电路不仅会导致功率损耗，而且更有可能沿 PCB 传输线产生危险的信号反射。由于大多数射频电路、模块和组件都具有 50 Ω 的特性阻抗，因此通常的做法是确保 PCB 走线也与该阻抗值匹配。给定阻抗 Z （50 Ω），可以使用 IPC2141A 标准中包含的公式计算作为走线厚度 T 和距地平面距离 H 的函数的走线宽度 W。最广泛使用的迹线是微带线、悬浮带线和共面波导。悬挂带状线更适合于可穿戴 PCB 的布线，因为它们提供了非常有效的接地效果。

另一个需要注意的话题是高频信号的路由（射频）。如果附近有两条传输线，则两个磁场有可能相互作用，从而导致串扰效应。根据特定的电路，可能会发生电感耦合、电容耦合或两者兼而有之。防止串扰的常用方法是走线分离、在层之间插入实心（即不中断）接地层，以及使用低介电材料。走线应尽可能短而直。如果需要改变方向，应避免直角，因为它们会增加拐角区域的电容值，改变特性阻抗并引起反射。这个问题可以通过用两个45°角代替90°角来解决（形成所谓的斜接角）；最小阻抗变化可以通过半径 R 至少为走线宽度三倍的圆弯布线来获得。当传输线占用一层以上时，需要插入一些通孔。插入多个较小的过孔（从一个到另一个的每条迹线过渡至少两个）是一种很好的做法，以保持低电感并为电流提供额外的路径，以防任何过孔出现故障。图 2显示了 PCB 中使用的主要过孔类型。

图 2：通过类型

其他重要规则包括提供旁路滤波器和去耦电容器。旁路电容应尽可能靠近电源引脚放置，其电容应根据电路工作频率进行选择。驱动电容器选择的一个相关参数也是自谐振频率 （ SRF ）：高于此值，电容器充当电感器，使去耦功能无效。

柔性PCB是一种简化设计并提高最终产品质量的技术。由于对可穿戴设备的需求迫使设计人员将更多组件安装到更小的空间中，因此需要一种传统 FR-4 材料的替代品。灵活的技术提供了几个优势，它是与可穿戴设备相关的许多设计问题的最佳解决方案。例如，外部传感器或控制接口与刚性 PCB 的连接可以建立在单个柔性 PCB 上，从而消除了基于传统电缆的复杂布线。这种技术简化了连接和布线，提供了一种更可靠的解决方案，可以适应狭小的空间。使用柔性PCB，可以比传统的刚性解决方案占用更小的空间来定位组件和执行走线的布线，提高连接的可靠性，

即使在图 1中，我们也可以观察到柔性 PCB 的存在，它允许连接到用于控制智能手表的按钮的主要刚性 PCB。

热管理

可穿戴设备的特点是在狭小的空间内有大量的组件和连接，从一开始就应该进行热管理。考虑到。当PCB封闭在外壳内时，与外部的空气交换几乎为零，因此应尽量减少热量的产生。这是通过选择高效组件和基板材料、在 PCB 中插入能够将热量从产生点传递到合适的散热平面的散热孔，最后在 PCB 上创建散热器或整个金属平面来实现的（如图所示）图 1 ） 为最耗电的组件实现热交换。

审核编辑：郭婷