智能鎖的PCB設(shè)計要點

劉婷

（上海鈞正網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，上海，200000）

1 封裝設(shè)計

封裝是PCB設(shè)計的基礎(chǔ)，也是最重要的部分，如果封裝建錯將會造成整個PCB板不能用，不僅浪費成本還會影響整個項目的進度。因為PCB板是所有后續(xù)工作的基礎(chǔ)包括硬件調(diào)試、軟件調(diào)試、整機測試等等都是在PCB板的基礎(chǔ)上才能進行，所以PCB板的設(shè)計是重中之重，而封裝設(shè)計是PCB設(shè)計的基礎(chǔ)，只有封裝設(shè)計正確才能與電子元件進行很好的匹配。封裝設(shè)計時除了按照電子元件的規(guī)格書上的尺寸圖、PIN腳順序以及圖紙的視角是正視圖還是底面視圖等常規(guī)的參考資料設(shè)計外，還要根據(jù)實際生產(chǎn)PCB制造商的制程能力和制板公差、元件的實物等來設(shè)計封裝。

1.1 封裝設(shè)計時要注意板廠的制程能力

板廠的制程能力，即可制造的最小PAD和最小的PAD與PAD之間的間距，0.2mm是本人公司合作的PCB廠商的最小PAD寬度，小于0.2mm的管腳PCB廠無法制作和測試。0.15mm是本人公司合作的PCB廠商的PAD的邊到邊的最小間距，如果PAD的邊與邊之間的距離不夠0.15mm,那么PAD間將無法做出綠油橋，PAD之間的綠油橋能有效的防止SMT生產(chǎn)時PAD之間短路，所以綠油橋也是非常重要的。

如圖1是元件的制造商建議的DFN的封裝尺寸。PIN腳的寬度只有0.175mm，這個寬度對于本人公司合作的PCB生產(chǎn)廠商來說是做不到的，鑒于PAD與PAD的中心到中心的間距是0.35mm，所以設(shè)計封裝時把PAD的寬度加大到0.2mm。PAD改為0.2后正好能滿足PAD的最小值和PAD邊到邊的最小值0.35＝0.1+0.15+0.1（其中兩個0.1分別代表PAD的一半，0.15是PAD邊到邊的距離）。這樣即保證PAD能做出來也保證PAD中間的綠油橋能制作出來。在封裝設(shè)計時把板廠的制成能力考慮進去，就避免了后續(xù)的PCB制作和SMT焊接問題。

圖1 芯片廠建議的DFN封裝尺寸

1.2 封裝設(shè)計時要加上PCB板的制板公差

封裝制作時一定要考慮到PCB板的制板公差，如不考慮就很容易出現(xiàn)元器件和PCB板配合不好的問題。舉個實例，圖2是一個螺母的規(guī)格尺寸，1.5±0.03是實物的PIN腳尺寸，這個螺母是要焊到PCB板上，然后上面在固定轉(zhuǎn)接板，螺母不能焊歪，因為螺母的平整度直接關(guān)系到固定在上面的轉(zhuǎn)接板是否平整。PCB板上的封裝孔開圓孔孔的直徑是1.6mm，1.6大于實物的最大值1.53這看似沒問題。但實際生產(chǎn)的過程中發(fā)現(xiàn)SMT貼片時出現(xiàn)拋料的現(xiàn)象。后面分析發(fā)現(xiàn)是PCB封裝建立的時候沒有考慮到PCB板制作時也是存在誤差的，此PCB供應(yīng)商的PTH孔的制作公差是±0.075mm，那么加上這個公差PCB走下公差，板上孔的尺寸就是1.525mm。正巧螺絲柱的物料走的是上公差最大值就是1.53mm。那么1.525mm的孔和1.53mm的物料配合當(dāng)然就會出問題了。最后把PCB板上的封裝孔加大到1.675mm這樣即使是PCB走下公差孔的直徑也有1.6mm。在后續(xù)批量生產(chǎn)中就沒有再出現(xiàn)拋料的現(xiàn)象了。很多時候看是很小的細(xì)節(jié)恰恰照成大錯，所以一定要把控好每個細(xì)節(jié)。

圖2 螺母的尺寸圖

1.3 插件的封裝要結(jié)合實物設(shè)計

很多插件的封裝，只看封裝尺寸圖很難判斷實物的PIN腳是圓的還是方形的。如圖3是插件連接器的尺寸圖，圖中只能看出側(cè)面看管腳的尺寸是0.64mm可是如果把PCB板上的孔建為1mm看似孔比實物大出0.36mm，加上實物的0.1mm的公差以及PCB板的工差0.075mm，也不會出問題，可實際組裝時還是裝不進去，問題出在哪里呢？問題是實物的PIN腳不是圓的而是長方體的，最大的地方是橫截面的對角線，0.64mm加上公差0.1mm等于0.74mm。0.74的根號2倍是1.05。PCB板上的孔受畫圖軟件的限制是圓形的，直徑是1mm的圓孔要放1.05mm的實物肯定是放不進去的，再有上面也說到了PCB板制作本身也存在誤差，PCB板制作時再走下公差就更裝不上了。所以建封裝時要考慮實物的PIN腳是圓的還是方的。是方形的話要按橫截面的對角線來算最大值。這樣PCB板上的孔才不會比實物小。才不會出現(xiàn)配合問題。

圖3 插件連接器的側(cè)視圖

2 PCB層疊設(shè)計

智能鎖的PCB層疊結(jié)構(gòu)要根據(jù)不同的成本、MCU的封裝形式以及PCB板的大小來決定，如果主芯片選用的是MTK2503那么不管是做4層板還是6層或是8層都必須是HDI板，因為MTK2503此芯片的PAD的中心間距是0.4mm,如果使用通孔按照本人公司PCB供應(yīng)商的制程能力最小只能做到通孔是0.2mm,孔環(huán)是0.4mm（相信很多板廠通孔也都這個標(biāo)準(zhǔn)）.這么大的孔是不能打在MTK2503的PAD腳之間的，所以這一個條件就決定必須使用HDI板。具體是幾層要根據(jù)PCB板的外形和元器件的多少來決定，在板子外框比較正常主芯片在正面的情況下的層疊一般是這樣分布L1元件層—L2信號層（此層只是MCU下面出線大部分空間還是地）—L3主地層—L4信號層—L5地層—L6元件層?？椎姆植际荓1-L2和L5-L6是激光孔，L2-L5是內(nèi)層埋孔，L1-L6是通孔。本人做過一個項目板框是長條型的，寬度只有25mm長200mm.這么窄的板子，主芯片剛剛能放的下，出線難度非常的大，所以疊層結(jié)構(gòu)定為8層一階L1元件層—L2信號層（此層只是MCU下面出線大部分空間還是地）—L3主地層— L4信號層—L5地層—L6信號層—L7地層—L8元件層?？椎姆植际荓1-L2和L7-L8是激光孔，L2-L7是內(nèi)層埋孔，L1-L8是通孔。

隨著4G的普及，智能鎖也在不斷的更新迭代，4G產(chǎn)品一般是應(yīng)用4G模組，這類的智能鎖的PCB疊構(gòu)設(shè)計就主要取決于主MCU，比如GD32F450VGT6這個芯片的封裝是LQFP100，由于封裝比較大，所以大部分情況下都是設(shè)計為通孔板，即能滿足布線需求又可以節(jié)約成本。主MCU在TOP面時的疊層結(jié)構(gòu)為L1元件層—L2主地層—L3信號層—L4主地層—L5信號層—L6元件層。但有時也要根據(jù)實際的擺件空間，根據(jù)布線的需要改為HDI板，在正反面都布滿器件的情況下，通孔沒有空間打特別是在電源部分，走線都比較寬這時就要選擇HDI板。本人做過一個擺件空間非常極限的PCB板，所用的MCU的封裝是LQFP100，4G天線部分用的是4G模組，但因為器件太多，PCB板上的電源就有12路之多，PCB板上有兩千三百多個PIN腳，寬度也只有39mm，所以考慮到板子的整體性能和布線打孔，最終堆疊設(shè)計為6層一階，具體的疊層結(jié)構(gòu)是L1元件層—L2主地層（有橫跨線）— L3信號層—L4主地層—L5信號層—L6元件層?？椎姆植际荓1-L2和L5-L6是激光孔，L2-L5是內(nèi)層埋孔，L1-L6是通孔。疊層結(jié)構(gòu)對PCB板的性能至關(guān)重要要所以在定疊構(gòu)的時候一定要綜合考慮各方面的因素。確保后續(xù)的布線能順利進行。

3 天線的PCB設(shè)計

天線的放置位置直接影響到各個天線的功能，智能鎖的天線一般包括WIFI、BLE、GPS以及2G或4G天線。2G或4G是為了連網(wǎng)和軟件的升級。GPS和WIFI是定位用，定位主要還是靠GPS定位，WIFI定位只是在室內(nèi)或GPS信號弱的地方搜索熱點也就是路由器來定位。BLE可以用來開關(guān)鎖，適配道釘。每個天線的功能不同設(shè)計要求也不同。共享單車用戶用車以及運維找車都需要定位所以GPS天線尤為重要，GPS一般使用陶瓷天線因為陶瓷天線靈敏度高、工作穩(wěn)定，陶瓷天線要占用很大的PCB布局空間，因為此器件是要焊到PCB板上的。WIFI、BLE和GPS一般采用頂針或彈片與天線相連。智能鎖的天線彈片布局和布線注意點：第一，布局時要注意天線彈片或頂針旁邊的元件不要高于它特別是一些金屬件，因為金屬件對天線性能影響比較大。第二，天線與天線之間要留夠足夠的空間，因為天線與天線之間也會相互干擾。第三，天線最好放在PCB板的板邊位置，這些位置比較容易外接天線，結(jié)構(gòu)工程師和射頻工程師放置天線時有足夠的空間，特別是4G的天線彈片因為4G天線需要的面積比較大。第四，天線彈片的匹配電路盡量離彈片近。第五，與天線有關(guān)的布線要做50歐姆阻抗控制，天線彈片到對應(yīng)芯片的PIN腳處的布線都要做包地處理，走線(表層的微帶線或者內(nèi)層的帶狀線)上下左右包地[1]，還要保證射頻線與地線之間2倍的間距，射頻信號線兩旁要均勻的打地孔，并且地孔不能露出參考邊，要保證參考地的平滑不能因為地孔而使參考面凸起。第六，為了保證表層的射頻線的寬度要根據(jù)PCB板的疊層結(jié)構(gòu)來選擇合適的參考層，比如是6層HDI板，一般1到2層比較薄做出來的阻抗線就比較細(xì)，線細(xì)了損耗就大，對射頻的調(diào)試不利，這時就要參考次下層做阻抗控制。例如本人做過的一個項目中一個6層HDI板，板厚是1.6mm,表層第6層的50歐姆阻抗線參考L5時線寬只有3.5mil,而改為參考L4層后線寬就能達(dá)到20mil。這對射頻調(diào)試是非常有利的。

4 連接器和電源模塊的PCB設(shè)計

在一塊PCB板上，天線的位置定好后，下一個重要的點就是連接器的位置，連接器的位置關(guān)系到成品的組裝以及后續(xù)的維修所以連接器的布局要注意一下幾點：第一，連接器的位置要考慮與外界的器件連接方便，比如SPK的連接器的出線要盡量到結(jié)構(gòu)上喇叭的位置連接要順，不能在板子上繞來繞去，特別是天線部分更不允許有連接線。第二，結(jié)構(gòu)的限高，連接器一般都比較高，要放在結(jié)構(gòu)空間比較大的地方，不能在高度上有干涉。第三，連接器的位置要考慮到后續(xù)的布線，特別是大電源部分的布線，要使布線順，盡量保證輸入口與輸出口在板子的兩邊。第四，連接器的防護器件如TVS管擺件時要盡量靠近連接器，布線的時候也要先經(jīng)過TVS管再到其他的線路，還要注意TVS管的接地一定要好，要在地管腳旁邊就近打地孔。

連接器定好接下來就是電源模塊的PCB設(shè)計了，電源芯片的種類非常之多，智能鎖的電源模塊除了要給電池充電外還要通過LDO或DCDC轉(zhuǎn)換為5V、3.3V、2.8V的電壓給MCU、SPK、MOTO、485、BT、BLE、開關(guān)等供電，電源系統(tǒng)非常復(fù)雜。電源模塊設(shè)計時要注意一下幾點：第一、電源模塊一般熱量比較大布局時要遠(yuǎn)離對熱量比較敏感的器件，比如熱敏電阻等感溫器件，當(dāng)然如果感溫器件就是要檢測電源部分的溫度那就要就近擺放。第二、電源模塊一般會有比較大的電解電容在擺放電解電容的時候一定要注意結(jié)構(gòu)上的限高，很多時候為了滿足結(jié)構(gòu)上的限高，大電解電容放置的位置會有點繞，布局的時候一定要考慮好這部分的布線走向，不然后面很難調(diào)整。第三、電源部分?jǐn)[件時還要注意電源芯片要遠(yuǎn)離敏感的器件像射頻天線、SPK、晶振、CLK等容易受干擾的部分，電源部分在離天線凈空比較近的時候，擺件時一定要注意留出打一排大地孔的空間，以減少電源電感對射頻的影響。第四、布線的時候電源線要從電容后面星型出線，并且要注意線寬，如充電的線寬要保證2mm以上，MOTO的線寬要2mm以上，SPK的線寬要0.8mm以上，BLE的線寬要0.5mm以上，布線拉的比較長的情況下還要適當(dāng)?shù)募訉捑€寬以減少損耗等等。第五、電源部分的布局還要注意輸入端和輸出端的電容都要盡量靠近電源的管腳，輸入端的容值從大到小排列到輸入管腳[2]，輸出端要大容值靠近管腳，從大到小依次排列。第六、要仔細(xì)閱讀電源芯片的說明文檔，看是否有需要單點下地或者共面下主地的點。第七、電源模塊一般要罩在屏蔽罩內(nèi)，以減少與敏感線路之間的相互干擾，設(shè)計屏蔽罩時一定要注意高度，不能與內(nèi)部的器件發(fā)生短路。

5 G-sensor和SPK的PCB設(shè)計

智能鎖中的G-sensor 是判斷車子有沒有倒，是否正常運行的關(guān)鍵器件，PCB布局時也有嚴(yán)格的要求。G-sensor的PCB設(shè)計時要注意：第一，所放的位置不能受到硬力，不能放的離板邊、屏蔽罩太近要與這些器件保持3mm以上的距離。第二，要遠(yuǎn)離電源芯片，特別是大電感的地方。第三，要遠(yuǎn)離射頻的器件。第四，G-sensor布線時要注意所有PIN腳的出線寬度都要一樣，為了保證電源腳的過電流，一般所有PIN腳的線寬都與電源腳的線寬一致都按0.2mm出線。第五，G-sensor下放要保證所有的層都不能走線，再布線特別擠的情況下也要保證其下方兩層不能布線。

SPK是用來播放語音的，SPK的信號是模擬信號，非常容易受外界的干擾，放置時更要注意遠(yuǎn)離干擾源比如：射頻、電感、電源、sensor等，以AW87337為例說明下SPK的PCB設(shè)計注意點。第一：芯片上外掛的電容要靠近PIN腳擺放。第二，電源輸入電容的GND、PVDD腳電容的GND以及芯片的GND要共地到最近層（地面積盡量大）然后到主地。第三，電源線如果太長線寬要加寬，比如本人在一個項目中布線時電源長度大約30mm，此時要保證線寬大于1mm。第四，SPK+與SPK-盡量走差分并要上下左右保護好,線寬要保證在0.5mm以上。

6 結(jié)束語

在整個智能鎖的PCB設(shè)計中除了本人上面提到的封裝設(shè)計要點、疊層設(shè)計、天線設(shè)計和連接器、電源的設(shè)計、G-sensor和SPK的設(shè)計要點外，可以說每一步都至關(guān)重要，有時一個很小的細(xì)節(jié)就會影響到整個PCB板的性能，所以PCB的設(shè)計必須細(xì)致小心。隨著產(chǎn)品的不斷發(fā)展和芯片的不斷更新，PCB設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)越來越大，只有不斷的創(chuàng)新、不斷的學(xué)習(xí)摸索才能更好的提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。