可穿戴設備現在已經成為我們日常生活的一部分。心率、睡眠-覺醒節律、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，可以預見到進一步的用途，這將允許對我們的生活進行更大程度的整合和 360 度持續監控。從工程的角度來看，可穿戴設備的設計難度很大，因為它們需要在尺寸、功率吸收、散熱、重量和成本方面滿足非常嚴格的要求。與大多數先進的電子設計一樣，成功的第一步是構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 解決方案的優勢在于提供更多層數，可用于創建接地層和電源層，以插入包含組件的層和傳輸線之間。這樣，可以消除串擾產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，我們可以看到數字、模擬和射頻區域是如何保持分離的，以及如何使用創新的解決方案（例如柔性 PCB）。

圖 1：現代智能手表 PCB

選擇正確的材料非常重要，因為整個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環氧樹脂層壓板材料。但是，如果可穿戴設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 層壓板的第一個優勢在于介電常數 （Dk），標準 FR-4 層壓板中的介電常數約為 4.5，而在大多數先進的 Rogers 材料中，RO4700 可低至 2.55天線級層壓板。介電常數將決定信號如何沿 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，例如在可穿戴設備上發現的頻率，必須減少功率損耗并最大限度地提高效率，記住該設備是電池供電的。Rogers 層壓板的另一個優點是其極低的耗散因數 （Df），在 RO4700 天線級層壓板中，它在 2.5 GHz 時可低至 0.0022，而在標準 FR-4 中，它在 1 GHz 時等于 0.005。耗散因數，也稱為損耗角正切，是高頻 PCB（例如可穿戴設備中使用的 PCB）的重要參數。實際上，Df 是插入損耗的代名詞，這意味著選擇具有低 Df 值的 PCB 材料通常可以確保 PCB 即使在高頻下也能表現出最小的插入損耗。還應該注意的是，羅杰斯層壓板在一個重要的頻率范圍內保持 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，在許多應用中，Rogers 層壓板可以與環氧樹脂基 FR-4 組合以獲得混合 PCB，其中一些層由 Rogers 材料制成，其他層由標準 FR-4 制成。羅杰斯材料的第三個優點是線性熱膨脹系數 （CTE） 的出色穩定性。該參數測量 PCB 隨頻率和溫度變化的熱膨脹和收縮。即使電路板經過冷、熱、

布局指南

就像大多數射頻電路一樣，可穿戴設備 PCB 需要嚴格的阻抗控制，因為精心設計的阻抗匹配電路可以導致更好的信號傳輸質量。缺乏阻抗匹配的電路不僅會導致功率損耗，而且更有可能沿 PCB 傳輸線產生危險的信號反射。由于大多數射頻電路、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 標準中包含的公式計算作為走線厚度 T 和距地平面距離 H 的函數的走線寬度 W。最廣泛使用的跡線是微帶線、懸浮帶線和共面波導。懸掛帶狀線更適合于可穿戴 PCB 的布線，因為它們提供了非常有效的接地效果。

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，從而導致串擾效應。根據特定的電路，可能會發生電感耦合、電容耦合或兩者兼而有之。防止串擾的常用方法是走線分離、在層之間插入實心（即不中斷）接地層，以及使用低介電材料。走線應盡可能短而直。如果需要改變方向，應避免直角，因為它們會增加拐角區域的電容值，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

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

柔性PCB是一種簡化設計并提高最終產品質量的技術。由于對可穿戴設備的需求迫使設計人員將更多組件安裝到更小的空間中，因此需要一種傳統 FR-4 材料的替代品。靈活的技術提供了幾個優勢，它是與可穿戴設備相關的許多設計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電纜的復雜布線。這種技術簡化了連接和布線，提供了一種更可靠的解決方案，可以適應狹小的空間。使用柔性PCB，可以比傳統的剛性解決方案占用更小的空間來定位組件和執行走線的布線，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

可穿戴設備的特點是在狹小的空間內有大量的組件和連接，從一開始就應該進行熱管理。考慮到。當PCB封閉在外殼內時，與外部的空氣交換幾乎為零，因此應盡量減少熱量的產生。這是通過選擇高效組件和基板材料、在 PCB 中插入能夠將熱量從產生點傳遞到合適的散熱平面的散熱孔，最后在 PCB 上創建散熱器或整個金屬平面來實現的（如圖所示）圖 1 ） 為最耗電的組件實現熱交換。

審核編輯：郭婷