【原創(chuàng)】WLAN及其他無(wú)線射頻芯片的 PCB板設(shè)計(jì)要點(diǎn)

小融一號(hào)

射頻PCB板設(shè)計(jì)是開發(fā)中關(guān)鍵一環(huán)，這里我們以WLAN芯片的PCB為例來(lái)具體談一下PCB layout的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

WLAN和藍(lán)牙芯片的開發(fā)板的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，可以分為電源部分，晶振部分，射頻部分及接口（I/F）部分。下面我們分布談一下各部分的設(shè)計(jì)思想和注意點(diǎn)。

一、首先是電源部分，

著手設(shè)計(jì)PCB之前，首先需要仔細(xì)查看SOC的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，比如常見的40nm/28nm的WLAN芯片，它的電源常分為1.2V Buck Regulator，2.5V Regulator，3.3V Regulator。低電壓Reg主要供數(shù)字及PLL部分使用，高電壓Reg主要供射頻PA使用。各Buck輸出部分，一般都有輸出物理端口， 這是因?yàn)檩敵龆丝诮痈鱾�(gè)block是采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在下一級(jí)有物理輸入接口，應(yīng)用中需要接旁路電容。電源部分的layout設(shè)計(jì)主要有兩大問題，Cbuck的輸出電感，旁路電容的選取及設(shè)置，還有電源走線的設(shè)計(jì)。

旁路電容的選取對(duì)各Buck輸入/輸出 noise，輸出電壓性能有重要影響。現(xiàn)在的Buck DC regulator采用PFM (Pulse Frequency Modulation)方式的較多。相比以前的方式，PFM一般有更小的Vout Ripple電壓。輸出一般都串接大電感后在接去耦電容。

電感的選取，建議參考各家SOC  Vendor推薦的型號(hào)。如果考慮成本選取其他Local廠商時(shí)，務(wù)必要check DCR（影響定格電流，效率），ACR（影響AC Loss）還有最大定格電流和電感&DC電流的profile圖。這幾個(gè)參數(shù)對(duì)電感來(lái)說(shuō)都是相互關(guān)聯(lián)的，一般DCR高的話，定格電流就低。有條件的話，可以之間測(cè)一下Ind端AC信號(hào)，看看Peak-peak電壓變化情況。

下面是一例實(shí)測(cè)CBuck的輸出電壓，電流波形，輸出波形（藍(lán)色）相對(duì)穩(wěn)定，電感上的電流波形保持穩(wěn)定的線性特性，600mA的DC偏置輸出，AC電流變化差不多380mA 。 設(shè)計(jì)問題不大。

去耦電容的選取要考慮到電流capacity，定格最大電壓及誤差。要確保實(shí)際有效去耦電容的設(shè)置，要盡量靠近Reg輸入輸出端，在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)里，電容要安置在星型節(jié)點(diǎn)附近。 這是因?yàn)槊總�(gè)拓展出去的電源trace都會(huì)產(chǎn)生電感效應(yīng)。主節(jié)點(diǎn)放置大容量的電容可以起到高頻噪聲濾波功能。

電源的布線，要重點(diǎn)考慮2點(diǎn)：

1）避開對(duì)其他對(duì)noise敏感的布線的coupling；

2）降低電源EMI loop的影響。

先談?wù)劦?點(diǎn)，對(duì)noise敏感的布線，比如SOC的一些總線，RF相關(guān)端口，還需要查看datasheet的keep out區(qū)域。對(duì)一些功耗大的Reg電源布線要充分考慮到散熱設(shè)計(jì)。一般來(lái)說(shuō)SOC的主Buck的輸入輸出pin也常分布在芯片的轉(zhuǎn)角附近，這樣的Pin布局，有利于PCB設(shè)計(jì)，電源的布線考慮到散熱效應(yīng)，一般在layer1，layer2上的較多。電源的接地設(shè)計(jì)，依據(jù)PCB層數(shù)， 有條件的話， 可以單獨(dú)設(shè)置一層放PMU布線。在WLAN設(shè)計(jì)里，一般性都采用4層以上的PCB，第一層（top）一般設(shè)計(jì)成PMU的GND island，與周邊的其他布線加強(qiáng)隔離度。

第2點(diǎn)是 EMI loop, 現(xiàn)代SOC的switching 電源本身就是個(gè)noise源，如何優(yōu)化EMI Loop是個(gè)必須關(guān)心的問題。Cbuck的輸入側(cè)的Loop和輸出側(cè)的loop，每個(gè)loop經(jīng)電源輸入或輸出端口，經(jīng)過(guò)旁路電容，再到ground。每個(gè)Loop都要設(shè)計(jì)成盡可能短的物理layout，確保noise不會(huì)干擾的其他布線。電源走線在上下層改變時(shí)，要盡可能設(shè)計(jì)多的過(guò)孔（）2個(gè)）。

二、談?wù)劸д瘢╔tal）部分。

隨著SOC設(shè)計(jì)及工藝提高，以前常見的PLL LPF外接，最近一般都完全設(shè)計(jì)在芯片里面了。 所以晶振部分成了PLL這一環(huán)主要care的問題。一般現(xiàn)在的mobile應(yīng)用， 常用到19.2MHz, 26MHz，及37.4MHz的頻率。Xtal 電容值的選取超過(guò)了本文的scope，這里略過(guò)主要談?wù)剎tal的布線。常見的xtal都是帶輸入，輸出的端子。 曾經(jīng)有遇到過(guò)最深刻的一個(gè)問題就是Xtal對(duì)RF端口之間產(chǎn)生影響，晶振頻率的諧波能量導(dǎo)致了認(rèn)證測(cè)試失敗。后來(lái)吸取教訓(xùn)，在xtal的top layer布線（輸入，輸出及xtal cap的布線）設(shè)計(jì)成獨(dú)立的island。（參考下圖）如果space不允許的話，至少簡(jiǎn)易在xtal靠近RF一層，在GND里加一條Slot， 也可以降低xtal諧波干擾的風(fēng)險(xiǎn)。

Xtal布線的下面一層，建議不要設(shè)計(jì)其他敏感的走線（比如I/F，其他電源走線等）。

三、談一下射頻部分的走線要點(diǎn)。

總的來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在主流的WLAN SOC芯片，Rx的性能相比Tx性能，spec上余量更多，所以布線的時(shí)候，一般常優(yōu)先考慮Tx側(cè)的布線。比如FEM可以設(shè)計(jì)在離Tx近一點(diǎn)的地方。RF走線(50歐)設(shè)計(jì)，常用的方法是：

1 ）挖空下面一層的metal，使50ohm線寬變粗，減少走線和元件pad的不連續(xù)性。

2 ）RF走線兩端的GND一定要設(shè)計(jì)盡可能多的GND via。特別是在最后接ANT的地方， GND via過(guò)少直接會(huì)影響到RF loss。

3 ）RF走線一般盡量少?gòu)澢?0度以上，space余度不多的地方，可以90度彎曲。

4 ）注意Tx和Rx之間的isolation，現(xiàn)在的WLAN芯片，很多都是2x2以上的MIMO，射頻部分的走線變得愈加復(fù)雜。雖然WLAN采用的是TDM方式，但是在FEM的layout pattern設(shè)計(jì)，還是兼顧電源，Tx和Rx的coupling影響。

四、接口部分的走線設(shè)計(jì)。

作者接觸到SDIO，SPI及PCIE的I/F較多。接口bus速度越快，對(duì)layout設(shè)計(jì)要求越高。 SDIO 3.0的話，保證每個(gè)走線都是50ohm并且長(zhǎng)度要小于10cm，確保各數(shù)據(jù)線間的走線長(zhǎng)度差要小于100mil (2.54mm 相當(dāng)于17.5ps jitter)。 走線一般滿足thumb of rule即2：1的經(jīng)驗(yàn)公式，比如trace width=4mil, 則gap最好8mil以上。另外clock走線最容易產(chǎn)生noise，所以clock走線要與其他數(shù)據(jù)線隔開，最好加入gnd glitch。

接口的走線一般都是比較noise敏感的，盡量避開和電源走線layer的交迭重合。 比如下面一例，電源層（藍(lán)色）和數(shù)據(jù)接口層（黃線）在層與層上面盡量做到?jīng)]有交迭重合。主要電源走線的下面layer一般布置了GND走線。

在實(shí)際應(yīng)用中， 常常會(huì)首先遇到是單面PCB設(shè)計(jì)還是雙面PCB設(shè)計(jì)。如果是單面PCB設(shè)計(jì)的話，各路元件的布置需要遠(yuǎn)近取舍，考慮優(yōu)先度。

還有部分朋友接觸的可能不是SOC芯片，而是集成了SOC芯片的模塊，比如Murata， TDK等廠商的WLAN模塊。這些模板因?yàn)閮?nèi)部完成了對(duì)Xtal，RF FEM/Trace的集成，進(jìn)一步降低了PCB的設(shè)計(jì)，但是對(duì)電源走線，還是需要PCB板級(jí)設(shè)計(jì)的注意。  

小結(jié)

此文主要介紹了射頻SOC芯片的PCB板設(shè)計(jì)的4大要點(diǎn)，其實(shí)每個(gè)要點(diǎn)都離不開GND的配置設(shè)計(jì)。 在客戶的設(shè)計(jì)案例中，我們也遇到不少因?yàn)閘ayout設(shè)計(jì)缺陷而改版的案子，很多問題我們?cè)谏厦娑家颜劦剑�相信不少同領(lǐng)域的朋友應(yīng)該會(huì)有同感。

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