智能锁的PCB设计要点

刘婷

（上海钧正网络科技有限公司，上海，200000）

1 封装设计

封装是PCB设计的基础，也是最重要的部分，如果封装建错将会造成整个PCB板不能用，不仅浪费成本还会影响整个项目的进度。因为PCB板是所有后续工作的基础包括硬件调试、软件调试、整机测试等等都是在PCB板的基础上才能进行，所以PCB板的设计是重中之重，而封装设计是PCB设计的基础，只有封装设计正确才能与电子元件进行很好的匹配。封装设计时除了按照电子元件的规格书上的尺寸图、PIN脚顺序以及图纸的视角是正视图还是底面视图等常规的参考资料设计外，还要根据实际生产PCB制造商的制程能力和制板公差、元件的实物等来设计封装。

1.1 封装设计时要注意板厂的制程能力

板厂的制程能力，即可制造的最小PAD和最小的PAD与PAD之间的间距，0.2mm是本人公司合作的PCB厂商的最小PAD宽度，小于0.2mm的管脚PCB厂无法制作和测试。0.15mm是本人公司合作的PCB厂商的PAD的边到边的最小间距，如果PAD的边与边之间的距离不够0.15mm,那么PAD间将无法做出绿油桥，PAD之间的绿油桥能有效的防止SMT生产时PAD之间短路，所以绿油桥也是非常重要的。

如图1是元件的制造商建议的DFN的封装尺寸。PIN脚的宽度只有0.175mm，这个宽度对于本人公司合作的PCB生产厂商来说是做不到的，鉴于PAD与PAD的中心到中心的间距是0.35mm，所以设计封装时把PAD的宽度加大到0.2mm。PAD改为0.2后正好能满足PAD的最小值和PAD边到边的最小值0.35＝0.1+0.15+0.1（其中两个0.1分别代表PAD的一半，0.15是PAD边到边的距离）。这样即保证PAD能做出来也保证PAD中间的绿油桥能制作出来。在封装设计时把板厂的制成能力考虑进去，就避免了后续的PCB制作和SMT焊接问题。

图1 芯片厂建议的DFN封装尺寸

1.2 封装设计时要加上PCB板的制板公差

封装制作时一定要考虑到PCB板的制板公差，如不考虑就很容易出现元器件和PCB板配合不好的问题。举个实例，图2是一个螺母的规格尺寸，1.5±0.03是实物的PIN脚尺寸，这个螺母是要焊到PCB板上，然后上面在固定转接板，螺母不能焊歪，因为螺母的平整度直接关系到固定在上面的转接板是否平整。PCB板上的封装孔开圆孔孔的直径是1.6mm，1.6大于实物的最大值1.53这看似没问题。但实际生产的过程中发现SMT贴片时出现抛料的现象。后面分析发现是PCB封装建立的时候没有考虑到PCB板制作时也是存在误差的，此PCB供应商的PTH孔的制作公差是±0.075mm，那么加上这个公差PCB走下公差，板上孔的尺寸就是1.525mm。正巧螺丝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的物料配合当然就会出问题了。最后把PCB板上的封装孔加大到1.675mm这样即使是PCB走下公差孔的直径也有1.6mm。在后续批量生产中就没有再出现抛料的现象了。很多时候看是很小的细节恰恰照成大错，所以一定要把控好每个细节。

图2 螺母的尺寸图

1.3 插件的封装要结合实物设计

很多插件的封装，只看封装尺寸图很难判断实物的PIN脚是圆的还是方形的。如图3是插件连接器的尺寸图，图中只能看出侧面看管脚的尺寸是0.64mm可是如果把PCB板上的孔建为1mm看似孔比实物大出0.36mm，加上实物的0.1mm的公差以及PCB板的工差0.075mm，也不会出问题，可实际组装时还是装不进去，问题出在哪里呢？问题是实物的PIN脚不是圆的而是长方体的，最大的地方是横截面的对角线，0.64mm加上公差0.1mm等于0.74mm。0.74的根号2倍是1.05。PCB板上的孔受画图软件的限制是圆形的，直径是1mm的圆孔要放1.05mm的实物肯定是放不进去的，再有上面也说到了PCB板制作本身也存在误差，PCB板制作时再走下公差就更装不上了。所以建封装时要考虑实物的PIN脚是圆的还是方的。是方形的话要按横截面的对角线来算最大值。这样PCB板上的孔才不会比实物小。才不会出现配合问题。

图3 插件连接器的侧视图

2 PCB层叠设计

智能锁的PCB层叠结构要根据不同的成本、MCU的封装形式以及PCB板的大小来决定，如果主芯片选用的是MTK2503那么不管是做4层板还是6层或是8层都必须是HDI板，因为MTK2503此芯片的PAD的中心间距是0.4mm,如果使用通孔按照本人公司PCB供应商的制程能力最小只能做到通孔是0.2mm,孔环是0.4mm（相信很多板厂通孔也都这个标准）.这么大的孔是不能打在MTK2503的PAD脚之间的，所以这一个条件就决定必须使用HDI板。具体是几层要根据PCB板的外形和元器件的多少来决定，在板子外框比较正常主芯片在正面的情况下的层叠一般是这样分布L1元件层—L2信号层（此层只是MCU下面出线大部分空间还是地）—L3主地层—L4信号层—L5地层—L6元件层。孔的分布是L1-L2和L5-L6是激光孔，L2-L5是内层埋孔，L1-L6是通孔。本人做过一个项目板框是长条型的，宽度只有25mm长200mm.这么窄的板子，主芯片刚刚能放的下，出线难度非常的大，所以叠层结构定为8层一阶L1元件层—L2信号层（此层只是MCU下面出线大部分空间还是地）—L3主地层— L4信号层—L5地层—L6信号层—L7地层—L8元件层。孔的分布是L1-L2和L7-L8是激光孔，L2-L7是内层埋孔，L1-L8是通孔。

随着4G的普及，智能锁也在不断的更新迭代，4G产品一般是应用4G模组，这类的智能锁的PCB叠构设计就主要取决于主MCU，比如GD32F450VGT6这个芯片的封装是LQFP100，由于封装比较大，所以大部分情况下都是设计为通孔板，即能满足布线需求又可以节约成本。主MCU在TOP面时的叠层结构为L1元件层—L2主地层—L3信号层—L4主地层—L5信号层—L6元件层。但有时也要根据实际的摆件空间，根据布线的需要改为HDI板，在正反面都布满器件的情况下，通孔没有空间打特别是在电源部分，走线都比较宽这时就要选择HDI板。本人做过一个摆件空间非常极限的PCB板，所用的MCU的封装是LQFP100，4G天线部分用的是4G模组，但因为器件太多，PCB板上的电源就有12路之多，PCB板上有两千三百多个PIN脚，宽度也只有39mm，所以考虑到板子的整体性能和布线打孔，最终堆叠设计为6层一阶，具体的叠层结构是L1元件层—L2主地层（有横跨线）— L3信号层—L4主地层—L5信号层—L6元件层。孔的分布是L1-L2和L5-L6是激光孔，L2-L5是内层埋孔，L1-L6是通孔。叠层结构对PCB板的性能至关重要要所以在定叠构的时候一定要综合考虑各方面的因素。确保后续的布线能顺利进行。

3 天线的PCB设计

天线的放置位置直接影响到各个天线的功能，智能锁的天线一般包括WIFI、BLE、GPS以及2G或4G天线。2G或4G是为了连网和软件的升级。GPS和WIFI是定位用，定位主要还是靠GPS定位，WIFI定位只是在室内或GPS信号弱的地方搜索热点也就是路由器来定位。BLE可以用来开关锁，适配道钉。每个天线的功能不同设计要求也不同。共享单车用户用车以及运维找车都需要定位所以GPS天线尤为重要，GPS一般使用陶瓷天线因为陶瓷天线灵敏度高、工作稳定，陶瓷天线要占用很大的PCB布局空间，因为此器件是要焊到PCB板上的。WIFI、BLE和GPS一般采用顶针或弹片与天线相连。智能锁的天线弹片布局和布线注意点：第一，布局时要注意天线弹片或顶针旁边的元件不要高于它特别是一些金属件，因为金属件对天线性能影响比较大。第二，天线与天线之间要留够足够的空间，因为天线与天线之间也会相互干扰。第三，天线最好放在PCB板的板边位置，这些位置比较容易外接天线，结构工程师和射频工程师放置天线时有足够的空间，特别是4G的天线弹片因为4G天线需要的面积比较大。第四，天线弹片的匹配电路尽量离弹片近。第五，与天线有关的布线要做50欧姆阻抗控制，天线弹片到对应芯片的PIN脚处的布线都要做包地处理，走线(表层的微带线或者内层的带状线)上下左右包地[1]，还要保证射频线与地线之间2倍的间距，射频信号线两旁要均匀的打地孔，并且地孔不能露出参考边，要保证参考地的平滑不能因为地孔而使参考面凸起。第六，为了保证表层的射频线的宽度要根据PCB板的叠层结构来选择合适的参考层，比如是6层HDI板，一般1到2层比较薄做出来的阻抗线就比较细，线细了损耗就大，对射频的调试不利，这时就要参考次下层做阻抗控制。例如本人做过的一个项目中一个6层HDI板，板厚是1.6mm,表层第6层的50欧姆阻抗线参考L5时线宽只有3.5mil,而改为参考L4层后线宽就能达到20mil。这对射频调试是非常有利的。

4 连接器和电源模块的PCB设计

在一块PCB板上，天线的位置定好后，下一个重要的点就是连接器的位置，连接器的位置关系到成品的组装以及后续的维修所以连接器的布局要注意一下几点：第一，连接器的位置要考虑与外界的器件连接方便，比如SPK的连接器的出线要尽量到结构上喇叭的位置连接要顺，不能在板子上绕来绕去，特别是天线部分更不允许有连接线。第二，结构的限高，连接器一般都比较高，要放在结构空间比较大的地方，不能在高度上有干涉。第三，连接器的位置要考虑到后续的布线，特别是大电源部分的布线，要使布线顺，尽量保证输入口与输出口在板子的两边。第四，连接器的防护器件如TVS管摆件时要尽量靠近连接器，布线的时候也要先经过TVS管再到其他的线路，还要注意TVS管的接地一定要好，要在地管脚旁边就近打地孔。

连接器定好接下来就是电源模块的PCB设计了，电源芯片的种类非常之多，智能锁的电源模块除了要给电池充电外还要通过LDO或DCDC转换为5V、3.3V、2.8V的电压给MCU、SPK、MOTO、485、BT、BLE、开关等供电，电源系统非常复杂。电源模块设计时要注意一下几点：第一、电源模块一般热量比较大布局时要远离对热量比较敏感的器件，比如热敏电阻等感温器件，当然如果感温器件就是要检测电源部分的温度那就要就近摆放。第二、电源模块一般会有比较大的电解电容在摆放电解电容的时候一定要注意结构上的限高，很多时候为了满足结构上的限高，大电解电容放置的位置会有点绕，布局的时候一定要考虑好这部分的布线走向，不然后面很难调整。第三、电源部分摆件时还要注意电源芯片要远离敏感的器件像射频天线、SPK、晶振、CLK等容易受干扰的部分，电源部分在离天线净空比较近的时候，摆件时一定要注意留出打一排大地孔的空间，以减少电源电感对射频的影响。第四、布线的时候电源线要从电容后面星型出线，并且要注意线宽，如充电的线宽要保证2mm以上，MOTO的线宽要2mm以上，SPK的线宽要0.8mm以上，BLE的线宽要0.5mm以上，布线拉的比较长的情况下还要适当的加宽线宽以减少损耗等等。第五、电源部分的布局还要注意输入端和输出端的电容都要尽量靠近电源的管脚，输入端的容值从大到小排列到输入管脚[2]，输出端要大容值靠近管脚，从大到小依次排列。第六、要仔细阅读电源芯片的说明文档，看是否有需要单点下地或者共面下主地的点。第七、电源模块一般要罩在屏蔽罩内，以减少与敏感线路之间的相互干扰，设计屏蔽罩时一定要注意高度，不能与内部的器件发生短路。

5 G-sensor和SPK的PCB设计

智能锁中的G-sensor 是判断车子有没有倒，是否正常运行的关键器件，PCB布局时也有严格的要求。G-sensor的PCB设计时要注意：第一，所放的位置不能受到硬力，不能放的离板边、屏蔽罩太近要与这些器件保持3mm以上的距离。第二，要远离电源芯片，特别是大电感的地方。第三，要远离射频的器件。第四，G-sensor布线时要注意所有PIN脚的出线宽度都要一样，为了保证电源脚的过电流，一般所有PIN脚的线宽都与电源脚的线宽一致都按0.2mm出线。第五，G-sensor下放要保证所有的层都不能走线，再布线特别挤的情况下也要保证其下方两层不能布线。

SPK是用来播放语音的，SPK的信号是模拟信号，非常容易受外界的干扰，放置时更要注意远离干扰源比如：射频、电感、电源、sensor等，以AW87337为例说明下SPK的PCB设计注意点。第一：芯片上外挂的电容要靠近PIN脚摆放。第二，电源输入电容的GND、PVDD脚电容的GND以及芯片的GND要共地到最近层（地面积尽量大）然后到主地。第三，电源线如果太长线宽要加宽，比如本人在一个项目中布线时电源长度大约30mm，此时要保证线宽大于1mm。第四，SPK+与SPK-尽量走差分并要上下左右保护好,线宽要保证在0.5mm以上。

6 结束语

在整个智能锁的PCB设计中除了本人上面提到的封装设计要点、叠层设计、天线设计和连接器、电源的设计、G-sensor和SPK的设计要点外，可以说每一步都至关重要，有时一个很小的细节就会影响到整个PCB板的性能，所以PCB的设计必须细致小心。随着产品的不断发展和芯片的不断更新，PCB设计面临的挑战越来越大，只有不断的创新、不断的学习摸索才能更好的提高产品的质量和可靠性。