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优化电路板设计布局 改善微型化设计造成的机内杂讯

发布时间 :2018-05-26 10:27 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCB设计部
一般产品的PCB设计,多数先决定元件布局,再进行线路连接,于元件位置就先改善干扰问题,再从线路细节着手改善产品。
一般产品的PCB设计,多数先决定元件布局,再进行线路连接,于元件位置就先改善干扰问题,再从线路细节着手改善产品。
 
以目前移动电话、平板电脑的设计架构,产品体积不断压缩、变薄,但追加的功能项目不减反增,甚至核心的处理器元件运作时脉持续攀升,目前这类行动装置产品所应用的行动处理器,时脉已有1~1.5GHz之谱,设备内的大量高频元件若不善加处理电路板元件布局,不良设计恐影响视讯、音讯等多媒体应用呈现效果...
 
以移动电话、智能手机为例,内部的机构设计可用空间可以说是极致狭小的状态,不但是电池、面板、背光模组、相机模组、逻辑电路载板...等元件或子系统在极度堆迭、高密度的设置状态,加上产品对效能、功能性的要求较高,也让这类行动装置的设计方案更趋复杂化,开发者不但要解决各元件、子系统的确实连接/运行,也必须针对系统间可能的干扰问题,进行问题改善。
 
音讯电路讯号品质,是影响操作体验的关键,电路布局要特别注意。
音讯电路讯号品质,是影响操作体验的关键,电路布局要特别注意。
 
手机可用的PCB空间相当小,而1片式的设计是节省成本的作法,如何做到区隔不同子系统、降低杂讯干扰,是设计关键。
手机可用的PCB空间相当小,而1片式的设计是节省成本的作法,如何做到区隔不同子系统、降低杂讯干扰,是设计关键。
 
尤其在印刷电路板的布局设计,在移动电话设计方面可以说是最严苛的挑战,手机内的各个子系统,都可能存在呈现冲突的设计要求,例如,无线模组要求的是最佳的天线场型和最佳的无线连接传输效能,而数位逻辑运算核心系统,却要求最稳定的运算环境,当两个系统同时整合到一个极致小巧的装置中时,无线射频必须要求最佳化传输、数位逻辑电路又必须在可隔离外部杂讯的环境下稳定运作,设计时如何让单一载板能存在两个系统,彼此各司其职又同时不互相干扰,成为产品开发的关键工作。
 
设计良好的印刷电路板,必须能针对每个元件、功能区块或模组,能提供最佳化的运行条件与环境,同时又必须维持各个子系统间不会产生相互干扰!但现实的状况是,各子系统出现冲突的设计要求,必须利用工程手段实施部分设计妥协,或改采增设金属屏障等补强措施,但这类元件布局处理或补强措施,也会造成PCB载板的尺寸无可避免的加大,这又与轻薄短小的产品设计目标产生冲突。
 
这类射频讯号干扰问题,在面对数位逻辑电路的影响,其实是相对容易改善的项目,因为数位逻辑电路子系统,在处理讯息部分不是0就是1,数位讯号处理可以忽略轻微的射频干扰,反而是针对多媒体应用(如影片播放、MP3音乐欣赏)时,射频干扰音讯或是让视讯出现波纹干扰时,用户的体验就会相当糟糕。
 
以正常的开发流程,PCB板设计前第一件事就是先处理元件布局,即安排元件该摆在PCB上的哪个位置,此阶段工作除需考量对元件最佳的布线效益(最短距离或最省PCB空间的布局),但在简化讯号走线的同时,还须考量接地面的设置,将杂讯可能产生的问题降到最低。
 
而元件的布局,多数的状况可将功能子系统分处不同区块来进行布局,具干扰疑虑的射频元件,尽可能靠近设备的天线位置,例如载板的角落,再透过金属屏蔽射频功能子系统,而数位逻辑的核心系统,因为也是高频运作,多数都是设置于PCB载板中央,一方面处理器的散热模块可以同时达到为整体载板散热的效用,对于连接个别子系统来说,将核心逻辑电路摆在载板中央也有利功能布局。最影响使用观感的音讯回路,对于载板开发就成为关键问题,尤其是走线设计布局还要回避干扰的作法,必须累积大量设计经验,才能达到最佳化。
 
以移动电话这种结合通讯、网路、数位运算的混合系统电路,如何有效区隔类比电路与数位电路,让这两类运行系统可以分开不互相干扰,设计方面有相当多作法可用。常见的作法是干脆将不同电路分成不同载板,载板间的关键联系资讯线路则采排线来进行连接,即可达到功能系统有效的切割分离设计。
 
但碍于成本考量,目前采多载板设计的形式,会朝向最少载板达到最大功能整合,这对区隔数位、类比电路会遭遇较大的挑战,设计方向可以将整体载板区隔成数位区块与类比区块,彼此采线路的类型进行区隔,可以达到近似载板分离的设计效果。另外,虽然射频电路也是类比电路的一种,但毕竟与音讯这类类比处理不同,因为射频讯号会藕合影响音讯回路,让音效出现干扰杂音,将射频电路、无线网路电路与音讯电路区隔越清晰、子系统距离越远越好,可让设备干扰音讯的问题降低。
 
而类比电路不比数位电路,其设计复杂度会更高,需要更多设计经验来进行功能改善。例如,音讯放大晶片可以置放在越靠近音讯接头处,让输出讯号尽可能避免PCB板线路耗损,让声音输出更为纯净,同时这类行动装置大多会采高效能的D类音讯放大电路,放大回路要能在设计方面考量电磁干扰问题(Electromagnetic interference;EMI)。
 
将印刷电路板分隔为类比、数位与射频区后,接着必须选择类比部分的元件安排,此时,必须符合音讯讯号路经距离最短的原则,将音讯放大器尽可能地接近耳机插孔与喇叭,将可有效地把D类喇叭放大器发射的电磁干扰(EMI)降到最低,同时必须处理抑制耳机讯号所产生的额外杂讯问题,再搭配有效缩短音讯传递的电路距离,让产品的音讯表现更趋完美。
 
如果行动设备也具备喇叭功能,喇叭与音讯输出电路若距离较远,也可能衍生新的设计问题!例如,喇叭若未能接近音讯输出孔,设计方案肯定要利用音讯线路来衔接喇叭输出,但D类音讯放大电路会因为喇叭线路较长而造成EMI干扰,甚至这类设计会造成测试认证的设计瓶颈,而当线路较长也会因为线材本身的电阻值,增加D类放大电路的功率输出。
 
多数针对喇叭应用的放大器电路,通常经由产品的电池模组直接取用电源,因为这类驱动电路需要较高的电流支援,但电源的走线若显得既长又窄,即会造成电源连波问题加剧,对音讯的处理方式,则可以利用差动式讯号设计方案,让音讯电路提升对抗外部杂讯的能力,同时滤除产品系统中的数位电路可能产生的杂讯,对产品整体音讯表现也会有提升的效用。


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