手机四层通孔板设计要点

1、手机四层通孔板设计要点（一） (2011-12-13 17:18) 手机山寨化到现在，平台提供商、方案公司、制造商一直在降低手机的成本。在中低端手机的PCB已经由原来的8层甚至更多层的HDI板一直减到4层通孔板，甚至有些产品采用2层板。 2010年以后很多低端手机平台都能采用四层通孔板设计，但这些产品很多质量都不好。很多方案公司的产品存在通话音质差，抗静电骚扰能力差，TDD noise严重，信号不好等问题。 低成本并不等于质量差，好的设计要做到保证产品性能同时做到成本低。现在写一些四层通孔PCB的设计心得，不一定都正确，希望和大家讨论。1 四层通孔板设计要重点关注的问题1.1 手机的通话音质。

2、要着重注意音频信号会不会被电源、数字、射频干扰，尤其是TDD noise的预防，设计时要重点考虑。1.2 ESD性能。 四层通孔板的静电问题大部分公司是处理不好了，很多产品都是6K一枪死。四层通孔板设计时要把抗静电性能重视程度提到很高的高度。1.3 数据信号被射频干扰，引起系统死机。设计时要注意一下数字关键信号。1.4 射频性能。射频性能很多方案公司摆在第一的位置，其实和前面3点比起来要逊色的多，4层通孔板的射频性能实现起来也比较容易，不是太大瓶颈。1.5 一些生产制造的工艺问题。工艺问题也很重要，要引起重视。手机四层通孔板设计要点（二）2.1 地设计 手机PCB属于模拟、数字、射频混合系统，

3、PCB设计基本采用大面积铺地的方法。大面积铺地的主要是主地层和表层地层，信号层不走线的位置也会铺地。在PCB设计时一般做一到两层完整的地做主地层。主地层的作用有：为个信号电源提供参考零电位；为各个信号、电源提供回流路径；为射频微带线、带状线控制阻抗做参考平面；为关键信号做屏蔽作用；增加手机地的电荷容量，以提高抗静电骚扰性能；降低个器件直接地直接的阻抗，以提高EMC性能等。 手机多层PCB设计表层一般都很少走比较长的线，除器件外基本由大面积地覆盖，表层地的作用一般为：形成一个“法拉第笼”，增强抗外界骚扰特性，包括电磁骚扰和静电骚扰等，整个PCBA相当于一个笼体，笼体是一个等位体，内部电势为零，电

4、场为零，骚扰电荷分布在表层地上。外层地也同时增加了手机地的电荷容量，进一步提高抗静电骚扰性能。外层地同样起一个电磁屏蔽作用，屏蔽内部数字信号、数字时钟、电源等产生的辐射，使这些辐射不至于干扰到其自身容易受干扰的电路（主要是射频）和其它电子设备，提高电磁兼容性能；表层地为手机天线提供地平面，目前手机多为单极天线和PIFA或IFA天线，他们都需要一个参考地平面，对于PIFA天线这个地平面会与天线之间形成一个场，但这个场局限于天线下方，地不充分影响不大，对于单极天线表层地为天线提供对场的反射，产生一个天线的镜像，该镜像上的电流分布完全等同于偶极天线的下臂，因此表层地上高频电流很大，对于GSM频段，手

5、机的主板长度几乎就是GSM频段的1/4波长，手机的地已经不是无穷的地，而是天线的一个臂，表层地上会分布很强的高频电流，靠近天线馈点的一段电流密度很大，远离天线馈点的一段电流密度小。如果表层地不完整，为天线提供地平面或者两外一个臂的会变成内层地，那样会使内层地上的高频电流变得很大，由于地阻抗存在，会引起TDD noise问题，再有很多信号会暴露在天线与地之间形成的电场中，这些信号会收到手机自身天线的干扰，产生死机、信号受干扰、TDDnoise等问题。 对于4层板，没有足够的层数来提供上述地层，一般是做法是用和主芯片相对的表层地做主地层，这层具有上述主地和表层地的作用。一般4层通孔板的叠层结构如下

6、：TOP层 芯片、大多数器件、短线、表层地、微带线 2层 信号线、射频参考地 3层 信号线（与2层交叉）、带状线 BOTTOM层 主地、少数器件、按键LCD焊盘等（主芯片、射频区域要错开） 有时没法做到在主芯片相对的表层做全部的地，可能会有些器件或者有按键、LCD焊盘等，堆叠设计时这些要和主芯片、射频区域错开，以保证手机性能。 2.2 地上公共阻抗 8层板或6层板地比较充分，地上阻抗会比较小，设计时不考虑地上阻抗问题一般不会引起人能主观感受的音频噪声等问题。但4层板的地的充分性要差很多，特别是采用沉板的卡座、L型板型、U型板型的时候，设计时要考虑地上阻抗引起的音频噪声，要考虑静电问题等。这一点

7、再下一篇着重叙述。手机四层通孔板设计要点（三）手机四层通孔板设计要点（四）上篇叙述中强调了地阻抗，音频信号中只强调了耳机，spk，rec，机身MIC都没有强调，因为这些信号都是差分的，不会受地上阻抗影响，如果机身MIC接成单端或者假差分时也要注意，其干扰机理和耳机上MIC是一致的。 2.3 手机地与布局下图1是上篇描述有问题的布局，如果电池连接器调到图2中AB两个位置则不会出现上述问题，或者如图3，耳机插口在E，或F的位置，电池连接器这时随便摆放都会不有问题。为了手机做得比较薄和为了节省主板面积现在很多设计把主板做成L型或C型，这时候也要注意几个关键器件的摆放。 下面图为一个L型板型，一般是两

8、面放器件。这种布局设计时有几点要注意：a 屏的铁框要在ABC三点都能做到良好接地，至少要保证AB中一点和C点两点同时良好接地；b 耳机接口应该放在上部，如果放在E的位置layout的时候要注意；c 两个表层地保整连续，屏蔽罩部分轨迹不要和表层地隔开，不然由于板子普遍比较细，地上的天线镜像电流或静电引起的大规模移动电荷会走到内层，引起手机性能差。下面C型板，布局会有些问题，把电池连接器换到上方会好些，或者把耳机移到上方。对于L型板或者C型板，如果基带芯片在电池连接器之间要注意音频部分单点接地，特别是芯片音频部分为内部提供工作点的一个VCOM（或者叫REF，AU_VCM）上的一个4.7u或者10u

9、的一个大电容。如52平台要求AU_VCM上4.7uF电容靠近BB，且这个电容的地要先拉到其对应的参考地C3 脚，再打到地层，如下图：手机四层通孔板设计要点（五）2.4再论连续的表层地 前面论述了表层地连续的重要性，如果做不到表层地的连续，下面提供一些处理方法。2.41 如果信号一定要走在表层，则让表层信号尽量短。如下图，左边图表层地被一个线几乎隔开，这样对PCB性能很不利，右边是优化过的，把一部分线走在内层，使表层地尽量连通。2.42 如果表层有比较长的线，把表层地隔开，则需要将线的两边打一定数量的地孔，以便让表层的电流通过其它层过度一下，再回到表层，以保证地上电流路径短。如果没有这些地孔，表

10、层地上的电流要在表层绕线比较远的路径。2.43 按键间隙的地尽量不要用短线隔断，保证按键间地连续，特别是主芯片在按键的反面时，这点更重要，如图2.44 主芯片下面相对的层要做到地连续。要留一层在主芯片下相对完整的地，然后芯片中间的地要从4个方向充分的接到外部，这样才能很好的保证静电和高速信号的完整性。保证芯片中间的地能4个方向都能很好的连到外部，就要芯片中间少打信号孔，要求是表层线尽量向外拉在打孔，减少芯片内部的孔，选用GPIO时尽量选择靠近芯片外部的。 如图一些不好的设计下面这个芯片下面没有一层有完整的地平面下面这个芯片中心地只有几个很细的路径能出来下面的更差，最完整的底层的地也被割成几块。

11、手机四层通孔板设计要点（六）3 四层通孔板的TDD noise问题预防 （这里没有展开，可以参考前面手机设计杂谈-MIC电路TDD noise问题分析）手机TDD noise俗称电流音，其作用机理比较复杂，希望以后能和大家分享我关于TDD noise的想法，这里只提一下电路，不讲其作用机理。3.1 四层通孔板预防TDD最主要还是有一层完整或相对完整的地，这个最重要，但是很多方案公司不关注的。3.2 receiver电路优化。几乎每家平台参考设计都是把磁珠串在BB输出和小电容之间，如下图上半部分，其实这样对TDD不利。上图下半部分是我一直用的电路，主要是把磁珠放在receiver和小电容之间，这

12、样对TDD noise抑制，对抗静电性能，对天线的稳定性都有提高。很多时候小电容我自己更愿意用47PF。对于地不充分的板子，锌合金壳体的板子，C1、C2要尽量靠近主芯片。V1、V2、FB1、FB2也是越靠近主芯片越好。如果做成本costdown V1、V2可以空贴，磁珠和小电容组成的低通滤波器也能滤掉静电的放电曲线尖峰，起到防静电作用。不建议去掉磁珠做costdown ，磁珠大约2厘$,压敏大约1.5厘$,成本虽然压敏低一些，但是不能确认集成商给板子套什么样的壳子，去掉磁珠后不一定哪套壳子就出了TDD 问题，得不偿失。如果做滑盖机或翻盖机，这部分电路一定放在主板上，很多方案公司把这部分电路放在

13、小板上，结果被TDD整死。3.3 MIC电路优化MIC有真差分接法和假差分接法，本人趋向于假差分性能更好。下面是真差分优化前后的电路。如果进行成本costdown，请把两个磁珠换成100-200欧的电阻，MICBIAS上10u电容可以换成4.7uF。假差分的优化原理图，我做手机6年来除了 25、35平台的双MICBIAS之外用得都是假差分，其BOM成本低，对TDD、ESD抑制都会较真差分好些。MIC尽量放在主板上，如果放在小板上请按下面电路3.4 spk 耳机的TDD noise问题以后有机会再论述，这里由于篇幅已经很长了，不再提及。手机四层通孔板设计要点（七）附（一）音频电路上几十PF小电容

14、靠近基带摆放分析GSM手机因为采用时分多址（TDMA）技术，射频电路干扰音频电路容易产生TDD noise。在音频设计时会在音频线路上放置几十PF的小电容和磁珠等来吸收掉音频电路耦合到的射频信号，防止音频线上吸收到的射频信号窜到基带、放大器、MIC内部，因为内部的半导体器件的非线性特性会把射频信号解调，在音频频谱里产生217Hz及其谐波，既TDD noise，我们常说的电流音。四层通孔板的地不完整，地平面上存在一定数量级的阻抗（主要是对高频的感抗），四层板没有完整的地层的话，地上的阻抗会更大。手机的天线发射时回于主板地之间形成强大的电场，以便把能量辐射出去。在天线发射时会在手机主板地上形成射频

15、的电流，又因为地上高频阻抗的存在，会使主板地于地之间产生射频的电势差。如下图，主板上A点地和B点地之间由于天线辐射的作用产生Vn的射频噪声，图中MIC受天线干扰信号线上耦合到射频噪声，因此要在主板上加小电容（图中C1或C2）来滤掉射频噪声。现在分析这个小电容放在C1位置（接A点地）好还是C2位置（接B点地）好。上面提到AB之间会形成电势差，如果按很多设计指导说的 靠近MIC摆放的话（即C2位置）Vn这个射频噪声会加到BB的MIC输入上，如果小电容靠近BB摆放（即C1位置，没有C2）可以看到Vn的噪声不会加到BB的MIC输入上，这样减少了TDD noise产生的机会。MIC线在主板中走的线可能很

16、长，图中Cx为走线与地之间的寄生电容，这个寄生电容可能会在几个PF的数量级，这个寄生电容和小电容放在C2位置的有些类似，使音频信号耦合到地上的射频噪声，产生TDD noise，如果出现这种情况可以在靠近芯片的地方串磁珠Zb。手机四层通孔板设计要点（八）(2011-12-1317:33)4 四层通孔板静电防护 4层通孔板的特点是地不够充分，主板地的电荷容量也很小，因此4层通孔板静电防护重点也是地的处理，很多主板的设计都是直接打地都过不了6KV。如果打地不好其他信号线靠近静电防护器件把电荷放到地上同样不能有很好的静电防护效果。前面几篇用很大篇幅说地怎么处理，其中很多都是为静电性能，这里不再叙述。线

17、路上尽量用串阻抗或滤波的方法来防静电（参照前边我电路级静电防护技巧）。 VBAT上TVS齐纳二极管尽量靠近PMU摆放。放在给BB的VBAT电源靠近BB的PMU处，从TVS到芯片各个VBAT输入脚之间星形走线。 在VIO、VM上可以预留TVS的位置，关键时候加贴可以起很好的作用。 5 四层通孔关键信号走线规则 4层通孔板很多重要信号没法做到上下左右包地，因此重要信号要重点关注，甚至排一下轻重缓急。下面是我认为的重要性排序：RX微带线：包括天线到ASM、ASM到TC LNA输入、BT射频前端、这些要严格的控制，走微带线。FM天线频率比较低，可以不走阻抗线，但要保护，为了节约板层可以走在表层，相邻层

18、不要平行，最差能接受相邻层交叉。TX微带线：PA到ASM之间比较重要，要按阻抗线控制，但大部分PA和ASM做在一个module，我们不用关注。TC到PA之间的重要行和前面接受的比起来要次之，布局时主要考虑接受的微带线要短，尽量走表层，发射的可以长，走在表层、内层都可以。IQ：IQ还是比较重要的，但是很多设计和很多线交叉也问题不大，四根线成一组，注意IN和IP要在一起，QNQP在一起，不要一根I一个Q间隔走线，左右包地，相邻层不要平行，最差能接受相邻层交叉。APC（RAMP）、AFC，这两个是模拟控制线，直接影响射频性能的，左右包地，相邻层不要平行，最差能接受相邻层交叉。给BB或蓝牙等26MHz

19、 模拟时钟：要注意保护，左右包地，相邻层不要平行，最差能接受相邻层交叉。展讯L平台这跟线受天线干扰会死机，要重点注意与引导板子外部的线隔离，如按键、LCD、TP、camera等信号。 待续 MIC 输入 BB到外部音频PA输出 耳机输出 REC输出 SPK输出 充电电流检测、电阻TP线手机四层通孔板设计要点（九）(2011-12-1317:34)6 四层通孔板RF设计 GSM功能手机四层通孔板RF设计并不难，对于一个不能保证用户使用稳定性的系统，RF指标也不是最重要的。正像前边说的，RF指标没有必要过分关注，主要是现在用的transceiver技术都很成熟，还有就是主要矛盾是把手机主板功能都做

20、稳定是第一位，性能甚至指标没有功能的稳定性重要。 6.1 RF的布局。 现在中低端功能手机主流的transceiver技术都很成熟，如AD6548、MTK集成在SOC内部的、QS518、SC528、Si4210等，这些没必要单独的屏蔽罩，也没有必要把射频屏蔽轨迹与表层地隔开，因为4层板地本来就不充分，隔开对整体性能不利。 4层板布局原则和多层板没有区别，主要要考虑选用的布局能使射频部分下面一层（芯片在TOP层的话只2层）能做一片完整的地。 6.2 RF的阻抗线 4层板由于板层少，对微带线和带状线的运用灵活程度大幅降低，微带线一般走表层，2层要有参考地，带状线只能走三层，对于2层BOTTOM层都要为参考地。设计时尽量把所有阻抗线都走在表层，这样2层为地，三层 4层可以走控制线和电源等。如果要走3层带状线 最好把Transceiver到PA之间的发射线走在3层。 6.3 26M crystal处理 26M crystal非地焊盘下面最好做到2层挖空，以减小焊盘和地之间的等效电容，这样要求3层这个地方不能走线，如果走线只能是2层