手機(jī)四層通孔板設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1、手機(jī)四層通孔板設(shè)計(jì)要點(diǎn)（一） (2011-12-13 17:18) 手機(jī)山寨化到現(xiàn)在，平臺(tái)提供商、方案公司、制造商一直在降低手機(jī)的成本。在中低端手機(jī)的PCB已經(jīng)由原來(lái)的8層甚至更多層的HDI板一直減到4層通孔板，甚至有些產(chǎn)品采用2層板。 2010年以后很多低端手機(jī)平臺(tái)都能采用四層通孔板設(shè)計(jì)，但這些產(chǎn)品很多質(zhì)量都不好。很多方案公司的產(chǎn)品存在通話音質(zhì)差，抗靜電騷擾能力差，TDD noise嚴(yán)重，信號(hào)不好等問(wèn)題。 低成本并不等于質(zhì)量差，好的設(shè)計(jì)要做到保證產(chǎn)品性能同時(shí)做到成本低?，F(xiàn)在寫一些四層通孔PCB的設(shè)計(jì)心得，不一定都正確，希望和大家討論。1 四層通孔板設(shè)計(jì)要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題1.1 手機(jī)的通話音質(zhì)。

2、要著重注意音頻信號(hào)會(huì)不會(huì)被電源、數(shù)字、射頻干擾，尤其是TDD noise的預(yù)防，設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)考慮。1.2 ESD性能。 四層通孔板的靜電問(wèn)題大部分公司是處理不好了，很多產(chǎn)品都是6K一槍死。四層通孔板設(shè)計(jì)時(shí)要把抗靜電性能重視程度提到很高的高度。1.3 數(shù)據(jù)信號(hào)被射頻干擾，引起系統(tǒng)死機(jī)。設(shè)計(jì)時(shí)要注意一下數(shù)字關(guān)鍵信號(hào)。1.4 射頻性能。射頻性能很多方案公司擺在第一的位置，其實(shí)和前面3點(diǎn)比起來(lái)要遜色的多，4層通孔板的射頻性能實(shí)現(xiàn)起來(lái)也比較容易，不是太大瓶頸。1.5 一些生產(chǎn)制造的工藝問(wèn)題。工藝問(wèn)題也很重要，要引起重視。手機(jī)四層通孔板設(shè)計(jì)要點(diǎn)（二）2.1 地設(shè)計(jì) 手機(jī)PCB屬于模擬、數(shù)字、射頻混合系統(tǒng)，

3、PCB設(shè)計(jì)基本采用大面積鋪地的方法。大面積鋪地的主要是主地層和表層地層，信號(hào)層不走線的位置也會(huì)鋪地。在PCB設(shè)計(jì)時(shí)一般做一到兩層完整的地做主地層。主地層的作用有：為個(gè)信號(hào)電源提供參考零電位；為各個(gè)信號(hào)、電源提供回流路徑；為射頻微帶線、帶狀線控制阻抗做參考平面；為關(guān)鍵信號(hào)做屏蔽作用；增加手機(jī)地的電荷容量，以提高抗靜電騷擾性能；降低個(gè)器件直接地直接的阻抗，以提高EMC性能等。 手機(jī)多層PCB設(shè)計(jì)表層一般都很少走比較長(zhǎng)的線，除器件外基本由大面積地覆蓋，表層地的作用一般為：形成一個(gè)“法拉第籠”，增強(qiáng)抗外界騷擾特性，包括電磁騷擾和靜電騷擾等，整個(gè)PCBA相當(dāng)于一個(gè)籠體，籠體是一個(gè)等位體，內(nèi)部電勢(shì)為零，電

4、場(chǎng)為零，騷擾電荷分布在表層地上。外層地也同時(shí)增加了手機(jī)地的電荷容量，進(jìn)一步提高抗靜電騷擾性能。外層地同樣起一個(gè)電磁屏蔽作用，屏蔽內(nèi)部數(shù)字信號(hào)、數(shù)字時(shí)鐘、電源等產(chǎn)生的輻射，使這些輻射不至于干擾到其自身容易受干擾的電路（主要是射頻）和其它電子設(shè)備，提高電磁兼容性能；表層地為手機(jī)天線提供地平面，目前手機(jī)多為單極天線和PIFA或IFA天線，他們都需要一個(gè)參考地平面，對(duì)于PIFA天線這個(gè)地平面會(huì)與天線之間形成一個(gè)場(chǎng)，但這個(gè)場(chǎng)局限于天線下方，地不充分影響不大，對(duì)于單極天線表層地為天線提供對(duì)場(chǎng)的反射，產(chǎn)生一個(gè)天線的鏡像，該鏡像上的電流分布完全等同于偶極天線的下臂，因此表層地上高頻電流很大，對(duì)于GSM頻段，手

5、機(jī)的主板長(zhǎng)度幾乎就是GSM頻段的1/4波長(zhǎng)，手機(jī)的地已經(jīng)不是無(wú)窮的地，而是天線的一個(gè)臂，表層地上會(huì)分布很強(qiáng)的高頻電流，靠近天線饋點(diǎn)的一段電流密度很大，遠(yuǎn)離天線饋點(diǎn)的一段電流密度小。如果表層地不完整，為天線提供地平面或者兩外一個(gè)臂的會(huì)變成內(nèi)層地，那樣會(huì)使內(nèi)層地上的高頻電流變得很大，由于地阻抗存在，會(huì)引起TDD noise問(wèn)題，再有很多信號(hào)會(huì)暴露在天線與地之間形成的電場(chǎng)中，這些信號(hào)會(huì)收到手機(jī)自身天線的干擾，產(chǎn)生死機(jī)、信號(hào)受干擾、TDDnoise等問(wèn)題。 對(duì)于4層板，沒(méi)有足夠的層數(shù)來(lái)提供上述地層，一般是做法是用和主芯片相對(duì)的表層地做主地層，這層具有上述主地和表層地的作用。一般4層通孔板的疊層結(jié)構(gòu)如下

6、：TOP層 芯片、大多數(shù)器件、短線、表層地、微帶線 2層 信號(hào)線、射頻參考地 3層 信號(hào)線（與2層交叉）、帶狀線 BOTTOM層 主地、少數(shù)器件、按鍵LCD焊盤等（主芯片、射頻區(qū)域要錯(cuò)開(kāi)） 有時(shí)沒(méi)法做到在主芯片相對(duì)的表層做全部的地，可能會(huì)有些器件或者有按鍵、LCD焊盤等，堆疊設(shè)計(jì)時(shí)這些要和主芯片、射頻區(qū)域錯(cuò)開(kāi)，以保證手機(jī)性能。 2.2 地上公共阻抗 8層板或6層板地比較充分，地上阻抗會(huì)比較小，設(shè)計(jì)時(shí)不考慮地上阻抗問(wèn)題一般不會(huì)引起人能主觀感受的音頻噪聲等問(wèn)題。但4層板的地的充分性要差很多，特別是采用沉板的卡座、L型板型、U型板型的時(shí)候，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮地上阻抗引起的音頻噪聲，要考慮靜電問(wèn)題等。這一點(diǎn)

7、再下一篇著重?cái)⑹觥Ｊ謾C(jī)四層通孔板設(shè)計(jì)要點(diǎn)（三）手機(jī)四層通孔板設(shè)計(jì)要點(diǎn)（四）上篇敘述中強(qiáng)調(diào)了地阻抗，音頻信號(hào)中只強(qiáng)調(diào)了耳機(jī)，spk，rec，機(jī)身MIC都沒(méi)有強(qiáng)調(diào)，因?yàn)檫@些信號(hào)都是差分的，不會(huì)受地上阻抗影響，如果機(jī)身MIC接成單端或者假差分時(shí)也要注意，其干擾機(jī)理和耳機(jī)上MIC是一致的。 2.3 手機(jī)地與布局下圖1是上篇描述有問(wèn)題的布局，如果電池連接器調(diào)到圖2中AB兩個(gè)位置則不會(huì)出現(xiàn)上述問(wèn)題，或者如圖3，耳機(jī)插口在E，或F的位置，電池連接器這時(shí)隨便擺放都會(huì)不有問(wèn)題。為了手機(jī)做得比較薄和為了節(jié)省主板面積現(xiàn)在很多設(shè)計(jì)把主板做成L型或C型，這時(shí)候也要注意幾個(gè)關(guān)鍵器件的擺放。 下面圖為一個(gè)L型板型，一般是兩

8、面放器件。這種布局設(shè)計(jì)時(shí)有幾點(diǎn)要注意：a 屏的鐵框要在ABC三點(diǎn)都能做到良好接地，至少要保證AB中一點(diǎn)和C點(diǎn)兩點(diǎn)同時(shí)良好接地；b 耳機(jī)接口應(yīng)該放在上部，如果放在E的位置layout的時(shí)候要注意；c 兩個(gè)表層地保整連續(xù)，屏蔽罩部分軌跡不要和表層地隔開(kāi)，不然由于板子普遍比較細(xì)，地上的天線鏡像電流或靜電引起的大規(guī)模移動(dòng)電荷會(huì)走到內(nèi)層，引起手機(jī)性能差。下面C型板，布局會(huì)有些問(wèn)題，把電池連接器換到上方會(huì)好些，或者把耳機(jī)移到上方。對(duì)于L型板或者C型板，如果基帶芯片在電池連接器之間要注意音頻部分單點(diǎn)接地，特別是芯片音頻部分為內(nèi)部提供工作點(diǎn)的一個(gè)VCOM（或者叫REF，AU_VCM）上的一個(gè)4.7u或者10u

9、的一個(gè)大電容。如52平臺(tái)要求AU_VCM上4.7uF電容靠近BB，且這個(gè)電容的地要先拉到其對(duì)應(yīng)的參考地C3 腳，再打到地層，如下圖：手機(jī)四層通孔板設(shè)計(jì)要點(diǎn)（五）2.4再論連續(xù)的表層地 前面論述了表層地連續(xù)的重要性，如果做不到表層地的連續(xù)，下面提供一些處理方法。2.41 如果信號(hào)一定要走在表層，則讓表層信號(hào)盡量短。如下圖，左邊圖表層地被一個(gè)線幾乎隔開(kāi)，這樣對(duì)PCB性能很不利，右邊是優(yōu)化過(guò)的，把一部分線走在內(nèi)層，使表層地盡量連通。2.42 如果表層有比較長(zhǎng)的線，把表層地隔開(kāi)，則需要將線的兩邊打一定數(shù)量的地孔，以便讓表層的電流通過(guò)其它層過(guò)度一下，再回到表層，以保證地上電流路徑短。如果沒(méi)有這些地孔，表

10、層地上的電流要在表層繞線比較遠(yuǎn)的路徑。2.43 按鍵間隙的地盡量不要用短線隔斷，保證按鍵間地連續(xù)，特別是主芯片在按鍵的反面時(shí)，這點(diǎn)更重要，如圖2.44 主芯片下面相對(duì)的層要做到地連續(xù)。要留一層在主芯片下相對(duì)完整的地，然后芯片中間的地要從4個(gè)方向充分的接到外部，這樣才能很好的保證靜電和高速信號(hào)的完整性。保證芯片中間的地能4個(gè)方向都能很好的連到外部，就要芯片中間少打信號(hào)孔，要求是表層線盡量向外拉在打孔，減少芯片內(nèi)部的孔，選用GPIO時(shí)盡量選擇靠近芯片外部的。 如圖一些不好的設(shè)計(jì)下面這個(gè)芯片下面沒(méi)有一層有完整的地平面下面這個(gè)芯片中心地只有幾個(gè)很細(xì)的路徑能出來(lái)下面的更差，最完整的底層的地也被割成幾塊。

11、手機(jī)四層通孔板設(shè)計(jì)要點(diǎn)（六）3 四層通孔板的TDD noise問(wèn)題預(yù)防 （這里沒(méi)有展開(kāi)，可以參考前面手機(jī)設(shè)計(jì)雜談-MIC電路TDD noise問(wèn)題分析）手機(jī)TDD noise俗稱電流音，其作用機(jī)理比較復(fù)雜，希望以后能和大家分享我關(guān)于TDD noise的想法，這里只提一下電路，不講其作用機(jī)理。3.1 四層通孔板預(yù)防TDD最主要還是有一層完整或相對(duì)完整的地，這個(gè)最重要，但是很多方案公司不關(guān)注的。3.2 receiver電路優(yōu)化。幾乎每家平臺(tái)參考設(shè)計(jì)都是把磁珠串在BB輸出和小電容之間，如下圖上半部分，其實(shí)這樣對(duì)TDD不利。上圖下半部分是我一直用的電路，主要是把磁珠放在receiver和小電容之間，這

12、樣對(duì)TDD noise抑制，對(duì)抗靜電性能，對(duì)天線的穩(wěn)定性都有提高。很多時(shí)候小電容我自己更愿意用47PF。對(duì)于地不充分的板子，鋅合金殼體的板子，C1、C2要盡量靠近主芯片。V1、V2、FB1、FB2也是越靠近主芯片越好。如果做成本costdown V1、V2可以空貼，磁珠和小電容組成的低通濾波器也能濾掉靜電的放電曲線尖峰，起到防靜電作用。不建議去掉磁珠做costdown ，磁珠大約2厘$,壓敏大約1.5厘$,成本雖然壓敏低一些，但是不能確認(rèn)集成商給板子套什么樣的殼子，去掉磁珠后不一定哪套殼子就出了TDD 問(wèn)題，得不償失。如果做滑蓋機(jī)或翻蓋機(jī)，這部分電路一定放在主板上，很多方案公司把這部分電路放在

13、小板上，結(jié)果被TDD整死。3.3 MIC電路優(yōu)化MIC有真差分接法和假差分接法，本人趨向于假差分性能更好。下面是真差分優(yōu)化前后的電路。如果進(jìn)行成本costdown，請(qǐng)把兩個(gè)磁珠換成100-200歐的電阻，MICBIAS上10u電容可以換成4.7uF。假差分的優(yōu)化原理圖，我做手機(jī)6年來(lái)除了 25、35平臺(tái)的雙MICBIAS之外用得都是假差分，其BOM成本低，對(duì)TDD、ESD抑制都會(huì)較真差分好些。MIC盡量放在主板上，如果放在小板上請(qǐng)按下面電路3.4 spk 耳機(jī)的TDD noise問(wèn)題以后有機(jī)會(huì)再論述，這里由于篇幅已經(jīng)很長(zhǎng)了，不再提及。手機(jī)四層通孔板設(shè)計(jì)要點(diǎn)（七）附（一）音頻電路上幾十PF小電容

14、靠近基帶擺放分析GSM手機(jī)因?yàn)椴捎脮r(shí)分多址（TDMA）技術(shù)，射頻電路干擾音頻電路容易產(chǎn)生TDD noise。在音頻設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)在音頻線路上放置幾十PF的小電容和磁珠等來(lái)吸收掉音頻電路耦合到的射頻信號(hào)，防止音頻線上吸收到的射頻信號(hào)竄到基帶、放大器、MIC內(nèi)部，因?yàn)閮?nèi)部的半導(dǎo)體器件的非線性特性會(huì)把射頻信號(hào)解調(diào)，在音頻頻譜里產(chǎn)生217Hz及其諧波，既TDD noise，我們常說(shuō)的電流音。四層通孔板的地不完整，地平面上存在一定數(shù)量級(jí)的阻抗（主要是對(duì)高頻的感抗），四層板沒(méi)有完整的地層的話，地上的阻抗會(huì)更大。手機(jī)的天線發(fā)射時(shí)回于主板地之間形成強(qiáng)大的電場(chǎng)，以便把能量輻射出去。在天線發(fā)射時(shí)會(huì)在手機(jī)主板地上形成射頻

15、的電流，又因?yàn)榈厣细哳l阻抗的存在，會(huì)使主板地于地之間產(chǎn)生射頻的電勢(shì)差。如下圖，主板上A點(diǎn)地和B點(diǎn)地之間由于天線輻射的作用產(chǎn)生Vn的射頻噪聲，圖中MIC受天線干擾信號(hào)線上耦合到射頻噪聲，因此要在主板上加小電容（圖中C1或C2）來(lái)濾掉射頻噪聲?，F(xiàn)在分析這個(gè)小電容放在C1位置（接A點(diǎn)地）好還是C2位置（接B點(diǎn)地）好。上面提到AB之間會(huì)形成電勢(shì)差，如果按很多設(shè)計(jì)指導(dǎo)說(shuō)的 靠近MIC擺放的話（即C2位置）Vn這個(gè)射頻噪聲會(huì)加到BB的MIC輸入上，如果小電容靠近BB擺放（即C1位置，沒(méi)有C2）可以看到Vn的噪聲不會(huì)加到BB的MIC輸入上，這樣減少了TDD noise產(chǎn)生的機(jī)會(huì)。MIC線在主板中走的線可能很

16、長(zhǎng)，圖中Cx為走線與地之間的寄生電容，這個(gè)寄生電容可能會(huì)在幾個(gè)PF的數(shù)量級(jí)，這個(gè)寄生電容和小電容放在C2位置的有些類似，使音頻信號(hào)耦合到地上的射頻噪聲，產(chǎn)生TDD noise，如果出現(xiàn)這種情況可以在靠近芯片的地方串磁珠Zb。手機(jī)四層通孔板設(shè)計(jì)要點(diǎn)（八）(2011-12-1317:33)4 四層通孔板靜電防護(hù) 4層通孔板的特點(diǎn)是地不夠充分，主板地的電荷容量也很小，因此4層通孔板靜電防護(hù)重點(diǎn)也是地的處理，很多主板的設(shè)計(jì)都是直接打地都過(guò)不了6KV。如果打地不好其他信號(hào)線靠近靜電防護(hù)器件把電荷放到地上同樣不能有很好的靜電防護(hù)效果。前面幾篇用很大篇幅說(shuō)地怎么處理，其中很多都是為靜電性能，這里不再敘述。線

17、路上盡量用串阻抗或?yàn)V波的方法來(lái)防靜電（參照前邊我電路級(jí)靜電防護(hù)技巧）。 VBAT上TVS齊納二極管盡量靠近PMU擺放。放在給BB的VBAT電源靠近BB的PMU處，從TVS到芯片各個(gè)VBAT輸入腳之間星形走線。 在VIO、VM上可以預(yù)留TVS的位置，關(guān)鍵時(shí)候加貼可以起很好的作用。 5 四層通孔關(guān)鍵信號(hào)走線規(guī)則 4層通孔板很多重要信號(hào)沒(méi)法做到上下左右包地，因此重要信號(hào)要重點(diǎn)關(guān)注，甚至排一下輕重緩急。下面是我認(rèn)為的重要性排序：RX微帶線：包括天線到ASM、ASM到TC LNA輸入、BT射頻前端、這些要嚴(yán)格的控制，走微帶線。FM天線頻率比較低，可以不走阻抗線，但要保護(hù)，為了節(jié)約板層可以走在表層，相鄰層

18、不要平行，最差能接受相鄰層交叉。TX微帶線：PA到ASM之間比較重要，要按阻抗線控制，但大部分PA和ASM做在一個(gè)module，我們不用關(guān)注。TC到PA之間的重要行和前面接受的比起來(lái)要次之，布局時(shí)主要考慮接受的微帶線要短，盡量走表層，發(fā)射的可以長(zhǎng)，走在表層、內(nèi)層都可以。IQ：IQ還是比較重要的，但是很多設(shè)計(jì)和很多線交叉也問(wèn)題不大，四根線成一組，注意IN和IP要在一起，QNQP在一起，不要一根I一個(gè)Q間隔走線，左右包地，相鄰層不要平行，最差能接受相鄰層交叉。APC（RAMP）、AFC，這兩個(gè)是模擬控制線，直接影響射頻性能的，左右包地，相鄰層不要平行，最差能接受相鄰層交叉。給BB或藍(lán)牙等26MHz

19、 模擬時(shí)鐘：要注意保護(hù)，左右包地，相鄰層不要平行，最差能接受相鄰層交叉。展訊L平臺(tái)這跟線受天線干擾會(huì)死機(jī)，要重點(diǎn)注意與引導(dǎo)板子外部的線隔離，如按鍵、LCD、TP、camera等信號(hào)。 待續(xù) MIC 輸入 BB到外部音頻PA輸出 耳機(jī)輸出 REC輸出 SPK輸出 充電電流檢測(cè)、電阻TP線手機(jī)四層通孔板設(shè)計(jì)要點(diǎn)（九）(2011-12-1317:34)6 四層通孔板RF設(shè)計(jì) GSM功能手機(jī)四層通孔板RF設(shè)計(jì)并不難，對(duì)于一個(gè)不能保證用戶使用穩(wěn)定性的系統(tǒng)，RF指標(biāo)也不是最重要的。正像前邊說(shuō)的，RF指標(biāo)沒(méi)有必要過(guò)分關(guān)注，主要是現(xiàn)在用的transceiver技術(shù)都很成熟，還有就是主要矛盾是把手機(jī)主板功能都做

20、穩(wěn)定是第一位，性能甚至指標(biāo)沒(méi)有功能的穩(wěn)定性重要。 6.1 RF的布局。 現(xiàn)在中低端功能手機(jī)主流的transceiver技術(shù)都很成熟，如AD6548、MTK集成在SOC內(nèi)部的、QS518、SC528、Si4210等，這些沒(méi)必要單獨(dú)的屏蔽罩，也沒(méi)有必要把射頻屏蔽軌跡與表層地隔開(kāi)，因?yàn)?層板地本來(lái)就不充分，隔開(kāi)對(duì)整體性能不利。 4層板布局原則和多層板沒(méi)有區(qū)別，主要要考慮選用的布局能使射頻部分下面一層（芯片在TOP層的話只2層）能做一片完整的地。 6.2 RF的阻抗線 4層板由于板層少，對(duì)微帶線和帶狀線的運(yùn)用靈活程度大幅降低，微帶線一般走表層，2層要有參考地，帶狀線只能走三層，對(duì)于2層BOTTOM層都要為參考地。設(shè)計(jì)時(shí)盡量把所有阻抗線都走在表層，這樣2層為地，三層 4層可以走控制線和電源等。如果要走3層帶狀線 最好把Transceiver到PA之間的發(fā)射線走在3層。 6.3 26M crystal處理 26M crystal非地焊盤下面最好做到2層挖空，以減小焊盤和地之間的等效電容，這樣要求3層這個(gè)地方不能走線，如果走線只能是2層