手机PCB板接地孔原则分析

2015-06-05佟刚

移动通信 2015年15期

佟刚

（康凯斯信息技术有限公司，广东深圳 518000）

1 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。

2 PCB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1 LT02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、2 100MHz、2 300MHz、2 700MHz，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：

对方程（2）两边取旋度得到公式（5）如下：

又因矢量恒等式（6）：

则由公式（5）（6）得到公式（7）如下：

则有:

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：

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：

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：

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。

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RF IC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RF PA散热的良好性，可以多打几个接地孔。

表1 MT6329输出电压电流值

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DC TO DC，则LDO可根据电压计算效率，具体如公式（17）所示：

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：

计算可得：

因为回流电流要有3 0%到5 0%预留（本文取50%），所以可得实际回路电流如下：

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。

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USB DP DM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。