手机PCB板接地孔原则分析

手机PCB板接地孔原则分析手机PCBlayout打地孔没有统一的指导原则，打地孔大多是根据以往经验，这导致了手机PCB地孔疏密不一，因此尝试总结PCB地孔间距的最大距离值。首先从空腔谐振理论看，PCB可以认为是由大大小小的空腔组成的，因此根据空腔谐振理论可以找到理论的孔间距最大值;其次从器件地回路计算出回路最大电流值，从而可以得出应该打多少个回流地孔;最后从避免EMI发生的角度上可计算出合适的孔间距值。根据这3个方面总结出了一个PCB接地孔最大间距的最大限度值：PCB板上最大频率的二十分之一波长。主地孔波长屏蔽避位PCBAnalysisonPrincipleofCellPhonePCBGroundHoleTONGGangThereisnounifiedguidingprincipleofcellphonePCBlayoutgroundhole.Ingeneral，groundholeisgetaccordingtopastexperiences.ItleadstounevengroundholeofcellphonePCB.Therefore，themaximumdistancebetweenPCBgroundholeswastentativelysummarized.First，fromtheaspectofcavityresonancetheory，PCBcouldbedeemedasthecompositionofcavitieswithdifferentsizesandthemaximumholedistancecouldbederivedfromcavityresonancetheory.Second，themaximumcurrentvalueofloopscouldbecalculatedaccordingtogroundloopstoderivethenumberofgroundhole.Third，fromtheperspectiveofEMI，whichfrequencycouldavoidtheoccurrenceofEMI.Accordingtothesynthesisofaboveaspects，themaximumdistancebetweenPCBgroundholesisonetwentiethofwavelengthofthehighestfrequencyonPCB.maingroundholewavelengthshieldingavoidancePCB1引言现今手机已经成为实时信息终端，有打电话、发短信、发彩信、GPS导航、照相、摄像、上网浏览、视频播放、游戏娱乐、信息共享等功能，但是复杂的外部环境和强大的自身功能也导致了手机设计的困难。回顾我国手机PCB板的设计历史，1998年我们国家开始涉足手机行业，刚开始几年基本以购买南朝鲜主板自己组装或购买南朝鲜主控制板自己做外围板为主，2001年到2002年国内很多公司开始涉猎手机PCB设计开发，到2003年基本已可以自己设计并开发手机PCB板。时至今日，手机设计已成为一个成熟产业，但很多公司的设计经验并没有形成文字信息，因此本文总结出了手机PCB设计的相关经验，并得出PCB接地孔最大间距的最大限度值。2PCB板边接主地手机PCB板的地与EMC/EMI、地回路以及地电平密切相关，这里只针对地回路讨论PCB板接地打孔问题。如图1所示，手机PCB周边需要打一圈小孔，但不同公司手机板边孔疏密不一，针对这个问题，下面对手机PCB周边孔距进行探讨。图1LT02局部地孔现阶段手机PCB板厚为0.8mm至1.2mm，通信频率为450MHz、850MHz、900MHz、2100MHz、2300MHz、2700MHz，波长为111mm至666mm，因此即使是两层板，板与板的间距也远小于波长，按空腔谐振理论，此时PCB板可以看成四周为磁壁，上下为电壁的谐振空腔，而此谐振空腔满足以下条件：电场只有Ez分量，磁场只有Hz和Hy分量，其中z向为TM型场;内场不随z坐标变化;四周边缘处电源无“法向分量”。根据如下麦克斯韦方程得到以下公式：（1）（2）（3）（4）对方程（2）两边取旋度得到公式（5）如下：（5）又因矢量恒等式（6）：（6）则由公式（5）（6）得到公式（7）如下：（7）设E=E（XYZ）ψmn（8）则有：（9）（10）PCB板边长为a，宽为b，PCB板TM波沿着a边有m个谐振点，其中n是磁法向分量，则由公式（7）（8）（9）（10）得到亥姆霍兹方程，如公式（11）所示：（11）其中Ψmn是磁壁法向向量，需要满足边界条件。根据规则板边界条件将变量Ψmn和K分离，用公式（12）和公式（13）表示如下：（12）（13）其中x、y为自然数，v为光速。将公式（12）（13）代入到公式（11），得到空腔谐振频率，具体如公式（14）所示：（14）其中，fmn为空腔谐振最低点，再由光的波长公式就可计算空腔谐振的λmn波长。谐振空腔有多个谐振点，依据EMC经验，只要空腔中心间距小于，就不会发生谐振，所以打地孔最大中心间距为。3手机其它部分接地手机主板上有各种屏蔽罩，比如基带屏蔽罩和射频屏蔽罩，这些屏蔽罩起到两个作用：一是减少屏蔽罩内干扰源干扰屏蔽罩外器件;二是减少屏蔽罩外干扰源干扰屏蔽罩内器件。根据等效电路法计算屏蔽罩屏蔽效果（SE），具体如公式（15）所示：SE=-20lg（15）其中，E为屏蔽罩中心的电场强度，E0为干扰源电场的电场强度。现今手机基带的最高频率为2.2GHz，估计以后基带的最高频率可达到3.6GHz。若为四合一芯片（WIFI、GPS、BT、FM），则WIFI频率为5.8GHz，计算时取PCB板的最高频率为5.8GHz。手机主板屏蔽罩焊盘接主地，最低要求是单边最少要接2到4个主地，如果屏蔽罩接地不好，会出现屏蔽效果（SE）差、静电效果不良（比如打静电不识别SIM卡）或其它EMI问题。同时，最好保持PA有良好的独立的屏蔽罩，否则很有可能会降低接收灵敏度或在低功率等级时引起P-V-T失败。为焊接和维修方便，需引进屏蔽避位，并且要考虑屏蔽效果（SE）不良的问题。根据空腔谐振理论可以计算出屏蔽避位的最小谐振长度，并根据这个波长开屏蔽避位。或者也可以采用更为简便的方法：取PCB板最高工作频率为计算波长，即取为计算波长。如果屏蔽罩根据空腔谐振理论有谐振问题，屏蔽罩谐振（驻波）可以简化成公式（16）：f（16）其中j、m、n为整数，L、W、H分别表示屏蔽罩的长、宽和高。当屏蔽罩发生谐振时，屏蔽能力下下降，为防止屏蔽罩发生谐振并加强屏蔽效果，L、W、H之间的比例应为无理数。大功率器件接地时，射频PA一般要求7到15个接主地点（地过孔应该直接接到RFIC接地的焊盘上，不要用细长走线将器件连接至地过孔，否则可能会因引入等效电感而改变电路的性）。GSM手机的峰值电流最大可达3.5A，现阶段大小为0.25mm至0.5mm的孔，手机通孔电镀厚度一般为10um至15um，温升为10度。按IPC2221标准，其峰值承载电流为0.83A，长时间工作时电流为0.5A，所以PA地最少需要打7个主地孔，若是为了保持RFPA散热的良好性，可以多打几个接地孔。智能手机电源处理芯片和基带也要根据功耗计算需要打几个接主地孔，一般来说为7到15个主地孔，这个情况依据功率计算而定。表1是PMIC的一个例子。其中假设电池3.7V供电，电源转化效率为85%，电压转换为DCTODC，则LDO可根据电压计算效率，具体如公式（17）所示：（17）其中V为电压，I为电流，η为效率。将数据代入到公式（17）可得：3.7×I×85%=1×1+1.8×1+1×1.5+1.8×0.25+3×0.8计算可得：Ibat=1.93A因为回流电流要有30%到50%预留（本文取50%），所以可得实际回路电流如下：Ibat=1.93×1.5=2.89A根据计算得到回路电流为2.89A，接着便可探讨PCB的打孔情况。按IPC2221A标准，1盎司铜温升为10度，主地孔工作电流接近0.833A，而0.1mm至0.3mm的手机激光孔，电镀厚度一般为10um，1盎司温升为10度，按IPC2221标准激光孔承受0.33A的电流，因此可以得到结论：需打4个主地孔以及10个激光孔。音频功放一般为0.5W至2.5W，一般喇叭电阻为4Ω至8Ω，因此根据公式（18）、（19）可计算出电流。P=I2R（18）P（19）比如一个电阻为4Ω、功放为1.2W的喇叭，根据理论公式（18）计算出电流为0.56A（均方根电流），而均方根电流乘以1.5到1.8之间的系数可得到峰值电流（其中孔只能取大的整数，为了散热可加几个散热孔）。手机PCB敏感线需要地保护，需要在保护线旁边加地孔，按空腔谐振理论确认PCB的最高频率和PCB介电常数便可计算孔中心距。以USBDPDM地保护为例，手机为4G（最高频率3.8GHz）带蓝牙功能（最高频率2.5GHz），PCB介电常数为4，假设USB线靠板边或DP、DM紧临发射线，则可计算出地保护孔最大中心距为1.38mm。SAW和功分器（含耦合器）需要注意地打地孔问题，SAW至少要打4个激光孔到地，功分器至少要打6个激光孔到地，并且至少有3个通孔或埋孔到主地，若是不接主地会出现灵敏度下降3dB至5dB的问题。而收发IC至少需要5个接主地孔，并均匀分布。若是元件无法直接连至地平面，则其接地线应尽可能宽，使用热焊盘时应注意热焊盘接地比灌铜接地多一些电容和电感效应，但由于使用这个方法设计GSM手机可能导致音频电路出现电流声，因此一般不建议使用。元器件灌铜接地散热会很快，有时会导致吃锡不良，为解决SMT“立碑”现象的工艺问题，要求使用热焊盘，而且热焊盘中心必须接主地。ESD频率从100MHz到1.35GHz，已在2G、3G、4G手机频率范围内，不用另外计算。PCB工程强调通过ESD测试需要PCB板边接主地的孔加密，但实际上只要测试高于空腔谐振理论要求，就可以通过ESD测试。手机顶层和底层大面积铺地是为了防止出现悬浮地情况，并且遵照波长接主地的原则删除因大面积铺地而形成的孤立铺铜区，此外，大面积铺地形成尖端地也要就近打孔接主地。4结束语从2G手机开始大规模商用到今天进入4G时代，5G提上日程，PCB板打孔技术也在不断进步中。现阶段5G通信频率为4.8GHz，这对PCB板打孔提出更高要求。总而言之，现今手机PCB打孔仍处于探索阶段，而形成一套有效简单数理方法一直是我们努力的方向。参考文献：[1]房丽丽.ANSYS信号完整性分析与仿真实例[M].北京：中国水利水电出版社，2013.[2]王守三.PCB的电磁兼容设计技术、技艺和工艺[M].北京：机械工业出版社，2008.[3]邱扬，赵?l殳.屏蔽效果计算方法的讨论[J].电子机械工程，1992（1）：42-48.[4]姚建永，胡振威.屏蔽体孔洞电磁泄漏研究与对策[J].科技创业月刊，2007（5）：188-188.[5]IPC标准委员会.IPC-2221A印制版设计通用标准[S].2004.[6]MTK公司.MT6329v0.4规格书[Z].2012.[7]RFMD公司.RF9801TR13规格书[Z].2009.[8]USB2.0PromoterGroup.Hi-SpeedUSB2.0[EB/OL].[2015-07-23].http：//[9]程守洙，江之永.普通物理学[M].北京：高等教育出版社，2010.[10]林为干.综论空腔谐振器基本理论及运行特性[J].电信科学，1957（6）.