手機PCB的可靠性設計

隨著(zhù)手機功能的增加,對PCB板的設計要求日益曾高,伴隨著(zhù)一輪藍牙設備、蜂窩電話(huà)和3G時(shí)代來(lái)臨,使得工程師越來(lái)越關(guān)注RF電路的設計技巧。射頻(RF)電路板設計由于在理論上還有很多不確定性，因此常被形容為一種“黑色藝術(shù)”，但這個(gè)觀(guān)點(diǎn)只有部分正確，RF電路板設計也有許多可以遵循的準則和不應該被忽視的法則。不過(guò)，在實(shí)際設計時(shí)，真正實(shí)用的技巧是當這些準則和法則因各種設計約束而無(wú)法準確地實(shí)施時(shí)如何對它們進(jìn)行折衷處理。當然，有許多重要的RF設計課題值得討論，包括阻抗和阻抗匹配、絕緣層材料和層疊板以及波長(cháng)和駐波，所以這些對手機的EMC、EMI影響都很大，下面就對手機PCB板的在設計RF布局時(shí)必須滿(mǎn)足的條件加以總結：

3.1 盡可能地把高功率RF放大器(HPA)和低噪音放大器(LNA)隔離開(kāi)來(lái)，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是讓高功率RF發(fā)射電路遠離低功率RF接收電路。手機功能比較多、元器件很多，但是PCB空間較小，同時(shí)考慮到布線(xiàn)的設計過(guò)程限定最高，所有的這一些對設計技巧的要求就比較高。這時(shí)候可能需要設計四層到六層PCB了，讓它們交替工作，而不是同時(shí)工作。高功率電路有時(shí)還可包括RF緩沖器和壓控制振蕩器(VCO)。確保PCB板上高功率區至少有一整塊地，最好上面沒(méi)有過(guò)孔，當然，銅皮越多越好。敏感的模擬信號應該盡可能遠離高速數字信號和RF信號。

3.2 設計分區可以分解為物理分區和電氣分區。物理分區主要涉及元器件布局、朝向和屏蔽等問(wèn)題；電氣分區可以繼續分解為電源分配、RF走線(xiàn)、敏感電路和信號以及接地等的分區。

3.2.1 我們討論物理分區問(wèn)題。元器件布局是實(shí)現一個(gè)優(yōu)秀RF設計的關(guān)鍵，最有效的技術(shù)是首先固定位于RF路徑上的元器件，并調整其朝向以將RF路徑的長(cháng)度減到最小，使輸入遠離輸出，并盡可能遠地分離高功率電路和低功率電路。

最有效的電路板堆疊方法是將主接地面(主地)安排在表層下的第二層，并盡可能將RF線(xiàn)走在表層上。將RF路徑上的過(guò)孔尺寸減到最小不僅可以減少路徑電感，而且還可以減少主地上的虛焊點(diǎn)，并可減少RF能量泄漏到層疊板內其他區域的機會(huì )。在物理空間上，像多級放大器這樣的線(xiàn)性電路通常足以將多個(gè)RF區之間相互隔離開(kāi)來(lái)，但是雙工器、混頻器和中頻放大器/混頻器總是有多個(gè)RF/IF信號相互干擾，因此必須小心地將這一影響減到最小。

3.2.2 RF與IF走線(xiàn)應盡可能走十字交叉，并盡可能在它們之間隔一塊地。正確的RF路徑對整塊PCB板的性能而言非常重要，這也就是為什么元器件布局通常在手機PCB板設計中占大部分時(shí)間的原因。在手機PCB板設計上，通?？梢詫⒌驮胍舴糯笃麟娐贩旁赑CB板的某一面，而高功率放大器放在另一面，并最終通過(guò)雙工器把它們在同一面上連接到RF端和基帶處理器端的天線(xiàn)上。需要一些技巧來(lái)確保直通過(guò)孔不會(huì )把RF能量從板的一面傳遞到另一面，常用的技術(shù)是在兩面都使用盲孔?？梢酝ㄟ^(guò)將直通過(guò)孔安排在PCB板兩面都不受RF干擾的區域來(lái)將直通過(guò)孔的不利影響減到最小。有時(shí)不太可能在多個(gè)電路塊之間保證足夠的隔離，在這種情況下就必須考慮采用金屬屏蔽罩將射頻能量屏蔽在RF區域內，金屬屏蔽罩必須焊在地上，必須與元器件保持一個(gè)適當距離，因此需要占用寶貴的PCB板空間。盡可能保證屏蔽罩的完整非常重要，進(jìn)入金屬屏蔽罩的數字信號線(xiàn)應該盡可能走內層，而且最好走線(xiàn)層的下面一層PCB是地層。RF信號線(xiàn)可以從金屬屏蔽罩底部的小缺口和地缺口處的布線(xiàn)層上走出去，不過(guò)缺口處周?chē)M可能地多布一些地，不同層上的地可通過(guò)多個(gè)過(guò)孔連在一起。

3.2.3 恰當和有效的芯片電源去耦也非常重要。許多集成了線(xiàn)性線(xiàn)路的RF芯片對電源的噪音非常敏感，通常每個(gè)芯片都需要采用高達四個(gè)電容和一個(gè)隔離電感來(lái)確保濾除所有的電源噪音。一塊集成電路或放大器常常帶有一個(gè)開(kāi)漏極輸出，因此需要一個(gè)上拉電感來(lái)提供一個(gè)高阻抗RF負載和一個(gè)低阻抗直流電源，同樣的原則也適用于對這一電感端的電源進(jìn)行去耦。有些芯片需要多個(gè)電源才能工作，因此你可能需要兩到三套電容和電感來(lái)分別對它們進(jìn)行去耦處理，電感極少并行靠在一起，因為這將形成一個(gè)空芯變壓器并相互感應產(chǎn)生干擾信號，因此它們之間的距離至少要相當于其中一個(gè)器件的高度，或者成直角排列以將其互感減到最小。

3.2.4 電氣分區原則大體上與物理分區相同，但還包含一些其它因素。手機的某些部分采用不同工作電壓，并借助軟件對其進(jìn)行控制，以延長(cháng)電池工作壽命。這意味著(zhù)手機需要運行多種電源，而這給隔離帶來(lái)了更多的問(wèn)題。電源通常從連接器引入，并立即進(jìn)行去耦處理以濾除任何來(lái)自線(xiàn)路板外部的噪聲，然后再經(jīng)過(guò)一組開(kāi)關(guān)或穩壓器之后對其進(jìn)行分配。手機PCB板上大多數電路的直流電流都相當小，因此走線(xiàn)寬度通常不是問(wèn)題，不過(guò)，必須為高功率放大器的電源單獨走一條盡可能寬的大電流線(xiàn)，以將傳輸壓降減到最低。為了避免太多電流損耗，需要采用多個(gè)過(guò)孔來(lái)將電流從某一層傳遞到另一層。此外，如果不能在高功率放大器的電源引腳端對它進(jìn)行充分的去耦，那么高功率噪聲將會(huì )輻射到整塊板上，并帶來(lái)各種各樣的問(wèn)題。高功率放大器的接地相當關(guān)鍵，并經(jīng)常需要為其設計一個(gè)金屬屏蔽罩。在大多數情況下，同樣關(guān)鍵的是確保RF輸出遠離RF輸入。這也適用于放大器、緩沖器和濾波器。在最壞情況下，如果放大器和緩沖器的輸出以適當的相位和振幅反饋到它們的輸入端，那么它們就有可能產(chǎn)生自激振蕩。在最好情況下，它們將能在任何溫度和電壓條件下穩定地工作。實(shí)際上，它們可能會(huì )變得不穩定，并將噪音和互調信號添加到RF信號上。如果射頻信號線(xiàn)不得不從濾波器的輸入端繞回輸出端，這可能會(huì )嚴重損害濾波器的帶通特性。為了使輸入和輸出得到良好的隔離，首先必須在濾波器周?chē)家蝗Φ?，其次濾波器下層區域也要布一塊地，并與圍繞濾波器的主地連接起來(lái)。把需要穿過(guò)濾波器的信號線(xiàn)盡可能遠離濾波器引腳也是個(gè)好方法。