手機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)今手機已經(jīng)成為實時信息終端，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、信息共享等功能，但是復(fù)雜的外部環(huán)境和強大的自身功能也導(dǎo)致了手機設(shè)計的困難?；仡櫸覈謾CPCB板的設(shè)計歷史，1998年我們國家開始涉足手機行業(yè)，剛開始幾年基本以購買南朝鮮主板自己組裝或購買南朝鮮主控制板自己做外圍板為主，2001年到2002年國內(nèi)很多公司開始涉獵手機PCB設(shè)計開發(fā)，到2003年基本已可以自己設(shè)計并開發(fā)手機PCB板。時至今日，手機設(shè)計已成為一個成熟產(chǎn)業(yè)，但很多公司的設(shè)計經(jīng)驗并沒有形成文字信息，因此本文總結(jié)出了手機PCB設(shè)計的相關(guān)經(jīng)驗，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)，這里只針對地回路討論PCB板接地打孔問題。

如圖1所示，手機PCB周邊需要打一圈小孔，但不同公司手機板邊孔疏密不一，針對這個問題，下面對手機PCB周邊孔距進行探討。

圖1 LT02局部地孔

現(xiàn)階段手機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，按空腔諧振理論，此時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：

◆電場只有Ez分量，磁場只有Hz和Hy分量，其中z向為TM型場；

◆內(nèi)場不隨z坐標(biāo)變化；

◆四周邊緣處電源無“法向分量”。

根據(jù)如下麥克斯韋方程得到以下公式：

對方程（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板邊長為a，寬為b，PCB板TM波沿著a邊有m個諧振點，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 手機其它部分接地

手機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強度，E0為干擾源電場的電場強度。

現(xiàn)今手機基帶的最高頻率為2.2GHz，估計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，計算時取PCB板的最高頻率為5.8GHz。

手機主板屏蔽罩焊盤接主地，最低要求是單邊最少要接2到4個主地，如果屏蔽罩接地不好，會出現(xiàn)屏蔽效果（SE）差、靜電效果不良（比如打靜電不識別SIM卡）或其它EMI問題。同時，最好保持PA有良好的獨立的屏蔽罩，否則很有可能會降低接收靈敏度或在低功率等級時引起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、寬和高。

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

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

GSM手機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，長時間工作時電流為0.5A，所以PA地最少需要打7個主地孔，若是為了保持RF PA散熱的良好性，可以多打幾個接地孔。

表1 MT6329輸出電壓電流值

智能手機電源處理芯片和基帶也要根據(jù)功耗計算需要打幾個接主地孔，一般來說為7到15個主地孔，這個情況依據(jù)功率計算而定。表1是PMIC的一個例子。

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：

計算可得：

因為回流電流要有3 0%到5 0%預(yù)留（本文取50%），所以可得實際回路電流如下：

根據(jù)計算得到回路電流為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個主地孔以及10個激光孔。

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）可計算出電流。

比如一個電阻為4Ω、功放為1.2W的喇叭，根據(jù)理論公式（18）計算出電流為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)，為了散熱可加幾個散熱孔）。

手機PCB敏感線需要地保護，需要在保護線旁邊加地孔，按空腔諧振理論確認(rèn)PCB的最高頻率和PCB介電常數(shù)便可計算孔中心距。以USB DP DM地保護為例，手機為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，則可計算出地保護孔最大中心距為1.38mm。

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

若是元件無法直接連至地平面，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)，但由于使用這個方法設(shè)計GSM手機可能導(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很快，有時會導(dǎo)致吃錫不良，為解決SMT“立碑”現(xiàn)象的工藝問題，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手機頻率范圍內(nèi)，不用另外計算。PCB工程強調(diào)通過ESD測試需要PCB板邊接主地的孔加密，但實際上只要測試高于空腔諧振理論要求，就可以通過ESD測試。

4 結(jié)束語

從2G手機開始大規(guī)模商用到今天進入4G時代，5G提上日程，PCB板打孔技術(shù)也在不斷進步中。現(xiàn)階段5G通信頻率為4.8GHz，這對PCB板打孔提出更高要求?？偠灾?，現(xiàn)今手機PCB打孔仍處于探索階段，而形成一套有效簡單數(shù)理方法一直是我們努力的方向。

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