手機(jī)PCB板接地孔原則分析

佟剛

（康凱斯信息技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518000）

1 引言

現(xiàn)今手機(jī)已經(jīng)成為實(shí)時(shí)信息終端，有打電話、發(fā)短信、發(fā)彩信、GPS導(dǎo)航、照相、攝像、上網(wǎng)瀏覽、視頻播放、游戲娛樂(lè)、信息共享等功能，但是復(fù)雜的外部環(huán)境和強(qiáng)大的自身功能也導(dǎo)致了手機(jī)設(shè)計(jì)的困難。回顧我國(guó)手機(jī)PCB板的設(shè)計(jì)歷史，1998年我們國(guó)家開始涉足手機(jī)行業(yè)，剛開始幾年基本以購(gòu)買南朝鮮主板自己組裝或購(gòu)買南朝鮮主控制板自己做外圍板為主，2001年到2002年國(guó)內(nèi)很多公司開始涉獵手機(jī)PCB設(shè)計(jì)開發(fā)，到2003年基本已可以自己設(shè)計(jì)并開發(fā)手機(jī)PCB板。時(shí)至今日，手機(jī)設(shè)計(jì)已成為一個(gè)成熟產(chǎn)業(yè)，但很多公司的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并沒(méi)有形成文字信息，因此本文總結(jié)出了手機(jī)PCB設(shè)計(jì)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，并得出PCB接地孔最大間距的最大限度值。

2 PCB板邊接主地

手機(jī)PCB板的地與EMC/EMI、地回路以及地電平密切相關(guān)，這里只針對(duì)地回路討論P(yáng)CB板接地打孔問(wèn)題。

如圖1所示，手機(jī)PCB周邊需要打一圈小孔，但不同公司手機(jī)板邊孔疏密不一，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，下面對(duì)手機(jī)PCB周邊孔距進(jìn)行探討。

圖1 LT02局部地孔

現(xiàn)階段手機(jī)PCB板厚為0.8mm至1.2mm，通信頻率為450MHz、850MHz、900MHz、2 100MHz、2 300MHz、2 700MHz，波長(zhǎng)為111mm至666mm，因此即使是兩層板，板與板的間距也遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，按空腔諧振理論，此時(shí)PCB板可以看成四周為磁壁，上下為電壁的諧振空腔，而此諧振空腔滿足以下條件：

◆電場(chǎng)只有Ez分量，磁場(chǎng)只有Hz和Hy分量，其中z向?yàn)門M型場(chǎng)；

◆內(nèi)場(chǎng)不隨z坐標(biāo)變化；

◆四周邊緣處電源無(wú)“法向分量”。

根據(jù)如下麥克斯韋方程得到以下公式：

對(duì)方程（2）兩邊取旋度得到公式（5）如下：

又因矢量恒等式（6）：

則由公式（5）（6）得到公式（7）如下：

則有:

PCB板邊長(zhǎng)為a，寬為b，PCB板TM波沿著a邊有m個(gè)諧振點(diǎn)，其中n是磁法向分量，則由公式（7）（8）（9）（10）得到亥姆霍茲方程，如公式（11）所示：

其中x、y為自然數(shù)，v為光速。將公式（12）（13）代入到公式（11），得到空腔諧振頻率，具體如公式（14）所示：

3 手機(jī)其它部分接地

手機(jī)主板上有各種屏蔽罩，比如基帶屏蔽罩和射頻屏蔽罩，這些屏蔽罩起到兩個(gè)作用：一是減少屏蔽罩內(nèi)干擾源干擾屏蔽罩外器件；二是減少屏蔽罩外干擾源干擾屏蔽罩內(nèi)器件。

根據(jù)等效電路法計(jì)算屏蔽罩屏蔽效果（SE），具體如公式（15）所示：

其中，E為屏蔽罩中心的電場(chǎng)強(qiáng)度，E0為干擾源電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度。

現(xiàn)今手機(jī)基帶的最高頻率為2.2GHz，估計(jì)以后基帶的最高頻率可達(dá)到3.6GHz。若為四合一芯片（WIFI、GPS、BT、FM），則WIFI頻率為5.8GHz，計(jì)算時(shí)取PCB板的最高頻率為5.8GHz。

手機(jī)主板屏蔽罩焊盤接主地，最低要求是單邊最少要接2到4個(gè)主地，如果屏蔽罩接地不好，會(huì)出現(xiàn)屏蔽效果（SE）差、靜電效果不良（比如打靜電不識(shí)別SIM卡）或其它EMI問(wèn)題。同時(shí)，最好保持PA有良好的獨(dú)立的屏蔽罩，否則很有可能會(huì)降低接收靈敏度或在低功率等級(jí)時(shí)引起P-V-T失敗。

其中j、m、n為整數(shù)，L、W、H分別表示屏蔽罩的長(zhǎng)、寬和高。

當(dāng)屏蔽罩發(fā)生諧振時(shí)，屏蔽能力下下降，為防止屏蔽罩發(fā)生諧振并加強(qiáng)屏蔽效果，L、W、H之間的比例應(yīng)為無(wú)理數(shù)。

大功率器件接地時(shí)，射頻PA一般要求7到15個(gè)接主地點(diǎn)（地過(guò)孔應(yīng)該直接接到RF IC接地的焊盤上，不要用細(xì)長(zhǎng)走線將器件連接至地過(guò)孔，否則可能會(huì)因引入等效電感而改變電路的性）。

GSM手機(jī)的峰值電流最大可達(dá)3.5A，現(xiàn)階段大小為0.25mm至0.5mm的孔，手機(jī)通孔電鍍厚度一般為10um至15um，溫升為10度。按IPC2221標(biāo)準(zhǔn)，其峰值承載電流為0.83A，長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)電流為0.5A，所以PA地最少需要打7個(gè)主地孔，若是為了保持RF PA散熱的良好性，可以多打幾個(gè)接地孔。

表1 MT6329輸出電壓電流值

智能手機(jī)電源處理芯片和基帶也要根據(jù)功耗計(jì)算需要打幾個(gè)接主地孔，一般來(lái)說(shuō)為7到15個(gè)主地孔，這個(gè)情況依據(jù)功率計(jì)算而定。表1是PMIC的一個(gè)例子。

其中假設(shè)電池3.7V供電，電源轉(zhuǎn)化效率為85%，電壓轉(zhuǎn)換為DC TO DC，則LDO可根據(jù)電壓計(jì)算效率，具體如公式（17）所示：

其中V為電壓，I為電流，η為效率。

將數(shù)據(jù)代入到公式（17）可得：

計(jì)算可得：

因?yàn)榛亓麟娏饕? 0%到5 0%預(yù)留（本文取50%），所以可得實(shí)際回路電流如下：

根據(jù)計(jì)算得到回路電流為2.89A，接著便可探討PCB的打孔情況。按IPC2221A標(biāo)準(zhǔn)，1盎司銅溫升為10度，主地孔工作電流接近0.833A，而0.1mm至0.3mm的手機(jī)激光孔，電鍍厚度一般為10um，1盎司溫升為10度，按IPC2221標(biāo)準(zhǔn)激光孔承受0.33A的電流，因此可以得到結(jié)論：需打4個(gè)主地孔以及10個(gè)激光孔。

音頻功放一般為0.5W至2.5W，一般喇叭電阻為4Ω至8Ω，因此根據(jù)公式（18）、（19）可計(jì)算出電流。

比如一個(gè)電阻為4Ω、功放為1.2W的喇叭，根據(jù)理論公式（18）計(jì)算出電流為0.56A（均方根電流），而均方根電流乘以1.5到1.8之間的系數(shù)可得到峰值電流（其中孔只能取大的整數(shù)，為了散熱可加幾個(gè)散熱孔）。

手機(jī)PCB敏感線需要地保護(hù)，需要在保護(hù)線旁邊加地孔，按空腔諧振理論確認(rèn)PCB的最高頻率和PCB介電常數(shù)便可計(jì)算孔中心距。以USB DP DM地保護(hù)為例，手機(jī)為4G（最高頻率3.8GHz）帶藍(lán)牙功能（最高頻率2.5GHz），PCB介電常數(shù)為4，假設(shè)USB線靠板邊或DP、DM緊臨發(fā)射線，則可計(jì)算出地保護(hù)孔最大中心距為1.38mm。

SAW和功分器（含耦合器）需要注意地打地孔問(wèn)題，SAW至少要打4個(gè)激光孔到地，功分器至少要打6個(gè)激光孔到地，并且至少有3個(gè)通孔或埋孔到主地，若是不接主地會(huì)出現(xiàn)靈敏度下降3dB至5dB的問(wèn)題。而收發(fā)IC至少需要5個(gè)接主地孔，并均勻分布。

若是元件無(wú)法直接連至地平面，則其接地線應(yīng)盡可能寬，使用熱焊盤時(shí)應(yīng)注意熱焊盤接地比灌銅接地多一些電容和電感效應(yīng)，但由于使用這個(gè)方法設(shè)計(jì)GSM手機(jī)可能導(dǎo)致音頻電路出現(xiàn)電流聲，因此一般不建議使用。元器件灌銅接地散熱會(huì)很快，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致吃錫不良，為解決SMT“立碑”現(xiàn)象的工藝問(wèn)題，要求使用熱焊盤，而且熱焊盤中心必須接主地。

ESD頻率從100MHz到1.35GHz，已在2G、3G、4G手機(jī)頻率范圍內(nèi)，不用另外計(jì)算。PCB工程強(qiáng)調(diào)通過(guò)ESD測(cè)試需要PCB板邊接主地的孔加密，但實(shí)際上只要測(cè)試高于空腔諧振理論要求，就可以通過(guò)ESD測(cè)試。

4 結(jié)束語(yǔ)

從2G手機(jī)開始大規(guī)模商用到今天進(jìn)入4G時(shí)代，5G提上日程，PCB板打孔技術(shù)也在不斷進(jìn)步中。現(xiàn)階段5G通信頻率為4.8GHz，這對(duì)PCB板打孔提出更高要求。總而言之，現(xiàn)今手機(jī)PCB打孔仍處于探索階段，而形成一套有效簡(jiǎn)單數(shù)理方法一直是我們努力的方向。

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