PCB per dispositivi indossabili: note di design

Introduzione

Il settore dell’elettronica indossabile (PCB) è attualmente dominato da smartwatch, dispositivi per il fitness e dispositivi tracker per il monitoraggio della forma fisica e della salute in grado di rilevare in tempo reale parametri vitali come frequenza cardiaca ed ECG. I dispositivi di ultima generazione hanno dimensioni estremamente compatte, utilizzano materiali molto leggeri e posti a contatto con la pelle forniscono misurazioni molto accurate operando in totale sicurezza. Le più recenti tendenze nelle soluzioni elettroniche indossabili includono smartwatch, smart glasses, occhiali e dispositivi per la realtà virtuale (VR) e aumentata (AR), auricolari intelligenti e dispositivi per il gaming. La progettazione dei circuiti stampati per dispositivi indossabili pone delle sfide impegnative ai progettisti elettronici, in quanto richiede l’applicazione di alcune regole che non sono necessariamente riferibili alla progettazione di un dispositivo elettronico standard. La maggior parte di questi dispositivi, infatti, richiede dimensioni estremamente compatte, peso e assorbimento di potenza ultraridotti, ai quali si aggiunge un’eccellente gestione termica. Nei prossimi paragrafi verranno presentate alcune linee guide in grado di assistere il progettista nel soddisfacimento di questi requisiti stringenti.

Dimensione e forma

I progettisti sanno che la differenza fondamentale esistente tra i dispositivi elettronici ordinari e i dispositivi indossabili è la dimensione. Integrare un elevato numero di funzionalità in una frazione dello spazio occupato da un dispositivo di dimensioni normali non è un’impresa facile. I componenti devono anzitutto essere posizionati nel modo più efficiente possibile, in modo tale da ridurre le dimensioni del prodotto. Inoltre, il routing delle tracce deve essere eseguito creando percorsi efficienti; il routing automatico non è molto adatto ai progetti di una certa complessità, quindi è meglio optare per uno sbroglio del PCB di tipo manuale. Oltre alla dimensione, anche la forma del PCB riveste un’importanza fondamentale. Infatti, è assai raro che il circuito stampato di un dispositivo indossabile abbia una forma regolare, come quella classica di rettangolo rigido. Viceversa, è molto più comune e facile incontrare PCB multistrato con contorni curvi o sagomati, in grado di adattarsi perfettamente all’involucro del prodotto. In Figura 1 è visibile il PCB assemblato di una recente versione di indossabile per il fitness. I progettisti devono inoltre assicurarsi che l’involucro del dispositivo indossabile sia ben sigillato in modo che l’umidità, presente nell’ambiente esterno o generata dal corpo umano, non possa penetrarlo facilmente. Nel caso in cui il prodotto non possa essere sigillato, il circuito stampato dovrebbe essere dotato di un rivestimento protettivo (conformal coating). Questo rivestimento impedisce all’umidità di penetrare, con possibile ossidazione e danno dei componenti.

Figura 1: PCB assemblato di un recente fitness tracker

I materiali

I materiali utilizzati nei dispositivi indossabili sono complessi e non si limitano ai materiali di tipo tradizionale. Per quanto riguarda lo stack-up del PCB, la soluzione più comune è il multistrato, con numero totale di layer compreso tra 4 e 8. Aumentando il numero di layer, cresce la complessità del circuito, ma si guadagna in termini di maggiore spazio, utilizzabile sia per ottimizzare il routing che per realizzare ampi piani di massa.

Al fine di massimizzare il trasferimento di potenza elettrica tra sorgente e carico e ottenere una propagazione più pulita del segnale, è fondamentale che nei PCB indossabili sia eseguito uno stretto controllo dell’impedenza. Ciò avviene selezionando, per ogni traccia o linea di trasmissione del segnale, un’impedenza di 50 Ω, oppure compresa tra 50 Ω e 75 Ω. Le formule contenute nello standard IPC2141A e successive versioni consentono di calcolare l’impedenza, note le caratteristiche geometriche (larghezza, spessore e distanza dal piano di massa) e il tipo (stripline o microstrip) di ogni traccia.

Gli indossabili possono essere considerati dei circuiti con segnali ad elevata velocità (frequenze operative superiori a 1 MHz) e, pertanto, gli standard con tolleranze ±10% non sono più applicabili. Le tracce di trasmissione del segnale devono essere realizzate con tolleranze ±7% e ±5% o addirittura inferiori. Oltre al tradizionale FR-4, la soluzione più economica e con minore difficoltà di fabbricazione, si stanno imponendo nuovi materiali, come i PCB metallici, utilizzati nelle applicazioni di potenza e nell’illuminazione, e i laminati Rogers, una scelta quasi obbligata per circuiti che includono segnali a radiofrequenza (RF) o ad elevata velocità.

I materiali ad alta frequenza come i Rogers richiedono una tolleranza di ±2% per il valore della costante dielettrica (Dk). Al contrario, per i laminati FR-4 è normale avere tolleranze di Dk pari a ±10%. I materiali Rogers presentano perdite di inserzione molto inferiori rispetto ai laminati FR-4. Anche se il laminato Rogers offre basse perdite con ottimr prestazioni ad alta frequenza a costi ragionevoli, le applicazioni commerciali usano comunemente PCB ibridi con strati FR-4 depositati tra i laminati Rogers. Tralasciando alcuni materiali “esotici” (come tessuti, plastica, carta o cartone), poco interessanti dal punto di vista elettronico, una soluzione particolarmente innovativa consiste nell’utilizzo di PCB flessibili e rigido-flessibili.

Come il nome stesso suggerisce, un PCB rigido flessibile, noto anche come rigid-flex), è una combinazione di substrati rigidi e flessibili. Uno o più circuiti flessibili vengono utilizzati per collegare altre parti del circuito a un PCB rigido. I PCB rigido flessibili sono normalmente realizzati con pellicole flessibili di materiale poliimmide (PI) su un substrato di rivestimento in rame e collegate a una scheda FR-4 rigida. La componente flessibile del PCB rigid-flex è solitamente un multistrato costruito con fori di via passanti che assicurano l’interconnessione tra gli strati.

I PCB rigido flessibili si sono evoluti passando da un semplice utilizzo del substrato flessibile in sostituzione dei cablaggi elettrici, ad avere dei veri e propri circuiti con componenti assemblati direttamente sulla stessa area flessibile. I principali vantaggi dei PCB rigido flessibili sono maggiore affidabilità, risparmio di spazio, riduzione dei costi e semplificazione del cablaggio e del test del dispositivo. In Figura 2 è visibile un PCB rigid-flex per applicazioni indossabili.

Figura 2: PCB rigid-flex per indossabile

Alimentazione

Normalmente, i dispositivi indossabili fanno affidamento alle batterie come fonte di alimentazione e, considerando le dimensioni ridotte, anche le batterie devono essere piccole. L’obiettivo è ridurre il più possibile il consumo energetico, ma allo stesso tempo mantenere un’alta efficienza. Alcuni dispositivi sono progettati per funzionare ininterrottamente per diversi giorni, mentre altri funzionano per meno di 24 ore.

Per ottimizzare il consumo energetico occorre tabulare tutti i componenti e stabilire a priori dove e come verrà utilizzata la potenza, quindi elaborare un profilo di possibile assorbimento, allocando, se possibile, un budget massimo di potenza. Materiali utilizzati nel PCB, tipo di componenti utilizzati e tensioni di alimentazione sono tutti fattori che influenzano l’assorbimento totale. Utilizzare i più moderni microcontrollori, che dispongono di modalità di funzionamento deep sleep con correnti di quiscenza quasi nulla, e ottimizzare il firmware in modo da attivare le periferiche con maggiore assorbimento solo quando è necessario.

Connettività e antenna

Gli indossabili includono moduli che forniscono la connettività tramite Wi-Fi, Bluetooth e altri protocolli. Trattandosi di componenti essenziali, è fondamentale trovare sul PCB uno spazio adatto a ospitare questi moduli. Grazie alla crescente diffusione di questi dispositivi, utilizzati ampiamente anche nelle applicazioni IoT, sul mercato sono disponibili moduli per la connettività e componenti RF progettati specificamente per l’uso nei dispositivi indossabili. Questi moduli presentano inoltre il vantaggio di possedere già le certificazioni richieste per l’uso commerciale, riducendo il time to market del dispositivo progettato.

Nei casi in cui fosse necessario progettare un’antenna dedicata, occorre tenere presente che negli indossabili la vicinanza con il corpo umano può facilmente causare la dissipazione di potenza elettrica. È possibile preservare la potenza del segnale utilizzando componenti come amplificatori a basso rumore (LNA) in grado di concentrare i campi elettromagnetici il più possibile lontano dal corpo. Le prestazioni di connettività wireless del dispositivo dipendono in larga misura dal progetto dell’antenna, dal layout del PCB e dal contenitore.

Un’antenna ben progettata aumenta la distanza operativa della funzionalità wireless. Allo stesso modo, una radio ben sintonizzata sul lato ricevitore può funzionare con una minima incidenza di radiazione sull’antenna. Il layout RF deve essere adeguatamente progettato per garantire che la maggior parte della potenza della radio raggiunga l’antenna. La scelta di un’antenna dipende dall’applicazione, dalla dimensione disponibile, dal costo, dalla banda RF e dalla direttività. Le applicazioni Bluetooth Low Energy (BLE) richiedono un intervallo RF di una decina di metri e una velocità di trasmissione di pochi kbps. Tuttavia, per un’applicazione di controllo remoto con riconoscimento vocale, un’antenna dovrebbe avere una portata più ampia in una configurazione indoor e con una velocità di trasmissione in termini di kbps nettamente superiore.

Per applicazioni audio wireless, è necessaria la diversità di antenna. Per la diversità dell’antenna, due antenne sono posizionate ortogonalmente sullo stesso PCB in modo che almeno una di loro riceva sempre una certa radiazione mentre l’altra può essere oscurata dalla riflessione. Ciò è necessario quando vengono trasmessi i dati audio in tempo reale e si richiede un elevato throughput senza perdita di pacchetti dati.

Redazione Fare Elettronica