今天的文章給同行朋友們重點(diǎn)介紹一款虛擬家用產(chǎn)品的PCB設(shè)計,該產(chǎn)品涵蓋了目前業(yè)界一些常用的主流的電路模塊,包含了DCDC開關(guān)電源、千兆以太網(wǎng)、無線WIFI射頻模塊、HDMI高清視頻接口、USB3.0高速串行接口、DDR4高速存儲器電路、模擬音頻(MIC、Audio、Speaker)等。為了讓大家更好的理解并掌握這些模塊的PCB設(shè)計,我將對每個模塊的PCB設(shè)計要求一一列出并配圖說明,希望學(xué)習(xí)本文 后能提高大家的PCB設(shè)計水平。
1.PCB總體設(shè)計要求:
(1)PCB外形為長方形,尺寸按照PCB文件中板框設(shè)計(130mmX110mm);
(2)所有電路接口全部放在板左側(cè)(位置已固定,不可移動);
(3)2個喇叭插座放在板右側(cè)(垂直位置不限);
(4)板厚1.6mm,層數(shù)無要求,但是應(yīng)盡可能減少層數(shù)以降低成本;
(5)DDR4(2400MT/s)以及USB-3.0,HDMI等高速電路設(shè)計應(yīng)滿足相應(yīng)規(guī)范要求;
(6)音頻電路模塊以及無線網(wǎng)絡(luò)電路模塊需要加屏蔽罩保護(hù);
(7)選手應(yīng)充分考慮加工制造方面的工藝性要求,做好DFM可制造性設(shè)計。
該P(yáng)CB如下圖所示
2.層疊阻抗設(shè)計
因?yàn)樵摦a(chǎn)品是一款消費(fèi)類產(chǎn)品,在做層疊設(shè)計時遵循以下原則即可:
(1)滿足各種類型高速信號的阻抗控制要求;
(2)滿足DDR信號與高速串行信號的參考層要求;
(3)滿足電源供應(yīng)與地平面的設(shè)計要求;
(4)合理設(shè)計參考層疊結(jié)構(gòu)以及控制層數(shù)和成本;
(5)注意假八層和六層板的成本與性能差異的均衡。
其層疊設(shè)計如下圖所示
根據(jù)層疊結(jié)構(gòu)計算出來的各阻抗線寬線距如下圖所示
3.以太網(wǎng)接口設(shè)計
常見以太網(wǎng)口集成網(wǎng)絡(luò)變壓器和非集成網(wǎng)絡(luò)變壓器兩種:
A.集成在以太網(wǎng)口內(nèi)部,外面有屏蔽鐵殼,對外界抗干擾和自身電磁輻射干擾其他元件的影響減小,也可以節(jié)省PCB上的空間:
B.非集成以太網(wǎng)口,如果不同系統(tǒng)需要的網(wǎng)絡(luò)變壓器不同,因?yàn)橐蕴W(wǎng)接口卻是標(biāo)準(zhǔn)的,只需替換網(wǎng)絡(luò)變壓器,就能滿足不同的設(shè)計要求,且分離的網(wǎng)絡(luò)變壓器結(jié)構(gòu)更簡單,成本更低。
在該項(xiàng)目中網(wǎng)口為非集成以太網(wǎng)接口,其模塊電路主要由以太網(wǎng)接口RJ45,網(wǎng)絡(luò)變壓器,PHY芯片三部分組成,如下圖所示。
其layout要求如下:
布局要求:
(1)以太網(wǎng)口的位置根據(jù)結(jié)構(gòu)要求放置,網(wǎng)絡(luò)變壓器靠近以太網(wǎng)口,PHY芯片靠近變壓器,如果以太網(wǎng)口集成了網(wǎng)絡(luò)變壓器,則PHY芯片靠近以太網(wǎng)口放置;
(2)部分網(wǎng)口有ESD要求,布局時考慮布線要先經(jīng)過ESD器件;
(3)對于網(wǎng)絡(luò)變壓器的中心抽頭電容放置在PIN的背面;
(4)機(jī)殼地通常采用電阻或磁珠與板內(nèi)地單點(diǎn)接地處理,要使機(jī)殼地的走線盡量短,磁珠的位置應(yīng)該放置再靠近機(jī)殼地的位置。
其接口電路布局如下圖所示
布線要求:
(1)以太網(wǎng)口屬于外接網(wǎng)口,網(wǎng)絡(luò)輸入到該接口速率較高,會產(chǎn)生較大的干擾,特別是銅皮會產(chǎn)生感應(yīng)電流。集成網(wǎng)絡(luò)變壓器的以太網(wǎng)口需要將除差分管腳外的信號所有挖空,非集成網(wǎng)絡(luò)變壓器的以太網(wǎng)口需要挖空整個以太網(wǎng)口和網(wǎng)絡(luò)變壓器(除次級端外)
(2)非集成網(wǎng)絡(luò)變壓器以太網(wǎng)口,初級端的差分線可以忽略阻抗要求,線寬根據(jù)實(shí)際情況加寬,并保持走線最短:次級差分按100歐姆的差分線要求處理
(3)挖空區(qū)避免走線,如果實(shí)在沒有辦法需要走線,變壓器部分避免打孔以減少干擾
(4)機(jī)殼地走線加粗,一般采用1mm,機(jī)殼地與板內(nèi)板的邊緣間距需要≥1mm
(5)電源地網(wǎng)絡(luò)加粗,變壓器中心抽頭線需要加粗
(6)等長要求,TX與TX做等長,RX與RX做等長,以時鐘為基準(zhǔn)控制25mil
(7)以太網(wǎng)芯片,TX和RX最好分不同層走,如果同層,間距拉開4W
(8)以太網(wǎng)芯片發(fā)熱量較大,需要增加散熱孔或背面開窗。
其接口電路布線如下圖所示
4.USB3.0接口電路PCB設(shè)計
USB,是英文Universal Serial Bus(通用串行總線)的縮寫,是一個外部總線標(biāo)準(zhǔn),用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊,應(yīng)用在PC領(lǐng)域的接口技術(shù)。USB接口支持設(shè)備的即插即用和熱插拔功能。USB接口電路比較簡單,主要由USB3.0接口,ESD器件和共模器件,USB供電模塊,如下圖所示。
USB3.0接口電路PCB layout設(shè)計要求如下:
(1)特性阻抗:差分90歐姆,優(yōu)先以地平面為參考;
(2)ESD器件靠近接口,信號先經(jīng)過ESD器件,再接到芯片;
(3)差分線換層時,50mil范圍內(nèi)需要有回流地孔過;
(4)差分線對內(nèi)長度誤差小于5mil;
(5)原理圖標(biāo)注電流2A,線寬大于80mil。
其PCB設(shè)計如下圖所示。
5.HDMI接口電路PCB設(shè)計
HDMI(High-Definition Multimedia Interface)高清多媒體接口,可以提供高達(dá)5Gbps的數(shù)據(jù)傳輸帶寬,可以傳送無壓縮的音頻和高分辨率的視頻信號,同時無需在信號傳送前進(jìn)行數(shù)?;蚰?shù)轉(zhuǎn)換,可以保證高質(zhì)量的影音信號傳送HDMI在針腳上和DVI兼容,只是采用了不同的封裝,與DVI相比,HDMI可以傳輸數(shù)字音頻信號,并增加了對HDCP的支持,同時提供了更好的DC可選功能。
HDMI支持5Gbps的數(shù)據(jù)傳輸,最遠(yuǎn)可以傳輸15米,足以應(yīng)付一個1080P的視頻和一個8聲道的音頻信號,而這些信號需求少于4GB/S,因此HDMI還有很大的余量。這允許它可以用一個電纜分別接DVD播放器。接收器和PRR,此外HDMI還支持EDID,DDC2B,因此HDMI的設(shè)備具有“即插即用”的特點(diǎn),信號源和顯示設(shè)備之間會自動進(jìn)行“協(xié)商”,自動選擇最合適的視頻/音頻格式。
HDMI接口電路比較簡單,主要由HDMI接口,ESD器件和共模器件,HDMI供電等。如下圖所示。
HDMI接口電路PCB layout設(shè)計要求如下:
(1)特性阻抗控制100 Ω;
(2)ESD器件靠近HDMI輸入接口,共模電感靠近ESD器件,匹配電阻并排放置;
(3)差分對組內(nèi)誤差控制5mil;
(4)組與組間距要求20mil以上;
(5)有完整的參考地平面。
PCB設(shè)計如下圖所示
6.音頻模擬電路PCB設(shè)計
音頻電路主要包含MIC、耳機(jī)、喇叭等音頻接口、音頻IC模塊,如下圖所示。
Layout設(shè)計要求如下:
(1)布局按照正確的信號流向和先后順序,讓每個器件都發(fā)揮其作用,ESD器件最靠近接口放置;
(2)MIC/耳機(jī)/喇叭是模擬信號,走線加粗至8~15mil;
(3)MIC/耳機(jī)分開包地處理,喇叭+/-兩個信號走類差分包地處理;
(4)遠(yuǎn)離敏感的數(shù)字信號和電源;
(5)音頻集成模塊需添加屏蔽罩;
(6)注意數(shù)模分區(qū).
PCB設(shè)計如下圖所示
7.無線WIFI視頻電路PCB設(shè)計
無線wifi射頻電路主要包括射頻收發(fā)電路和AD芯片模塊,射頻收發(fā)電路是需要我們需要重點(diǎn)關(guān)注的部分,AD芯片模塊如下圖所示。
8.射頻收發(fā)模塊如下圖所示。
無線wifi射頻電路layout設(shè)計要求如下:
(1)RF主通路要順且直,在同一屏蔽腔內(nèi)布局時可按信號由小到大一字布局,空間不足時可以采用L型布局,布局空間限制時,RF電路采用45度角放置;
(2)布局時需要給射頻區(qū)域預(yù)留屏蔽罩或隔金的空間,一般屏蔽罩寬度要大于2mm,最小要大于1mm。屏蔽罩的形狀需要采用規(guī)則的正方形或長方形,有利于加工,降低開模成本。有些屏蔽罩只加一面,但有些屏蔽罩是表底兩面都加;
(3)對于RF電路PCB布線層面優(yōu)先選擇表底層布線,利用中間平面作為電源和地線層,這樣可以起到一定的屏蔽作用,可以有效的降低寄生電感,減少信號間的交叉干擾;
(4)RF信號轉(zhuǎn)彎時需要采用圓弧布線,這樣可以減少高頻信號的反射及信號能量的相互耦合;
(5)RF布線長度需要越短越好,且布線兩邊需要嚴(yán)格做包地處理,包地線上需要多打地孔,兩邊的過孔沒必要打的太整齊,兩邊的過孔盡量交錯的打孔,這樣shield效果更好;
(6)包地線離RF太近會降低RF的阻抗,為了讓其周圍的包地平面不影響RF的阻抗,包地離RF信號至少在20mil以上,推薦30mil以上;
(7)線寬突變的地方需要采用漸進(jìn)線設(shè)計,采用漸進(jìn)線設(shè)計可以減少阻抗突變帶來的反射和能量損耗。
Layout設(shè)計如下圖所示。
9.主電源模塊DCDC PCB設(shè)計
該電源電路模塊包含外置MOS管,雙通道輸出1V和5V電源,相位互補(bǔ),DRC電流檢測等特點(diǎn),layout時需要重點(diǎn)關(guān)注大電流地,開關(guān)管和續(xù)流管的輸入輸出,電流檢測的差分采樣等。其電源原理如下圖所示。
DCDC電路的布局要求如下:
(1)確定模塊在板上的位置:是一個強(qiáng)烈的EMI輻射源!應(yīng)遠(yuǎn)離時鐘、接口等敏感器件擺放;
(2)確定原理框圖中各個部分的核心器件:輸入整流(可選)、輸入濾波、開關(guān)管、控制電路、輸出濾波;
(3)開關(guān)管:布局緊湊,布局考慮大電流通道,輸入輸出的地能夠直接相連,且環(huán)路面積最小;
(4)輸入濾波:緊湊開關(guān)管,確保能做到大電流先濾波再進(jìn)入開關(guān)管;
(5)輸出濾波:緊靠開關(guān)管,確保大電流吸納濾波在進(jìn)入單板平面;
(6)控制電路的采樣電路:采樣電阻放在輸出濾波與比較電路的中間,布局時保證采樣電路盡量靠近芯片管腳,靠近比較電路;
(7)控制電路的比較電路,靠近控制芯片擺放;
(8)控制電路本身的濾波網(wǎng)絡(luò):電容盡量靠近相應(yīng)管腳。
布線要求如下:
(1)開關(guān)管部分盡量粗短,一般用鋪銅實(shí)現(xiàn);
(2)輸入輸出濾波:注意到電源平面的過孔數(shù)目和位置,在濾波電容之后;
(3)控制電路的采樣:模擬信號,采樣點(diǎn)在輸出濾波之后,如果有電流采樣和電壓采樣,布成差分線的緊耦合形式,采樣線盡量短,減 小受干擾的空間;
(4)控制電路的調(diào)制輸出:模擬信號,不要在開關(guān)管下走長線,遠(yuǎn)離大電流的電源和地的區(qū)域
(5)輸入輸出的地:用大銅皮連接到一起;
(6)控制電路的地:模擬地,與大電流地分開,遠(yuǎn)端單點(diǎn)接地;
(7)芯片的GATE信號要走15以上,最好不打孔,允許有兩個孔,遠(yuǎn)離干擾。
Layout設(shè)計如下圖所示
10.DDR4模塊的設(shè)計
DDR4模塊在往期的文章已有詳細(xì)的介紹,相信很多小伙伴已經(jīng)看過并掌握了,這里就不再介紹。
好了,整板電路模塊的PCB設(shè)計已經(jīng)都介紹完了,該產(chǎn)品最終完成的PCB如下圖所示。
-
pcb
+關(guān)注
關(guān)注
4309文章
22867瀏覽量
395038 -
以太網(wǎng)
+關(guān)注
關(guān)注
40文章
5323瀏覽量
170538 -
主板
+關(guān)注
關(guān)注
53文章
1811瀏覽量
70257
原文標(biāo)題:一款虛擬家用產(chǎn)品的八層PCB主板設(shè)計要點(diǎn)解析
文章出處:【微信號:PCBTech,微信公眾號:EDA設(shè)計智匯館】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。
發(fā)布評論請先 登錄
相關(guān)推薦
評論