基于WLAN芯片的PCB layout的設計要點

射頻PCB板設計是開發(fā)中關鍵一環(huán)，這里我們以WLAN芯片的PCB為例來具體談一下PCB layout的設計要點。

WLAN和藍牙芯片的開發(fā)板的設計重點，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計思想和注意點。

一、首先是電源部分

著手設計PCB之前，首先需要仔細查看SOC的電源拓撲結構，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， 這是因為輸出端口接各個block是采用星型拓撲結構，在下一級有物理輸入接口，應用中需要接旁路電容。電源部分的layout設計主要有兩大問題，Cbuck的輸出電感，旁路電容的選取及設置，還有電源走線的設計。

旁路電容的選取對各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。如果考慮成本選取其他Local廠商時，務必要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。這幾個參數(shù)對電感來說都是相互關聯(lián)的，一般DCR高的話，定格電流就低。有條件的話，可以之間測一下Ind端AC信號，看看Peak-peak電壓變化情況。

下面是一例實測CBuck的輸出電壓，電流波形，輸出波形（藍色）相對穩(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 。 設計問題不大。

去耦電容的選取要考慮到電流capacity，定格最大電壓及誤差。要確保實際有效去耦電容的設置，要盡量靠近Reg輸入輸出端，在星型拓撲結構里，電容要安置在星型節(jié)點附近。 這是因為每個拓展出去的電源trace都會產(chǎn)生電感效應。主節(jié)點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，要重點考慮2點：1）避開對其他對noise敏感的布線的coupling；2）降低電源EMI loop的影響。先談談第1點，對noise敏感的布線，比如SOC的一些總線，RF相關端口，還需要查看datasheet的keep out區(qū)域。對一些功耗大的Reg電源布線要充分考慮到散熱設計。一般來說SOC的主Buck的輸入輸出pin也常分布在芯片的轉角附近，這樣的Pin布局，有利于PCB設計，電源的布線考慮到散熱效應，一般在layer1，layer2上的較多。電源的接地設計，依據(jù)PCB層數(shù)， 有條件的話， 可以單獨設置一層放PMU布線。在WLAN設計里，一般性都采用4層以上的PCB，第一層（top）一般設計成PMU的GND island，與周邊的其他布線加強隔離度。第2點是 EMI loop, 現(xiàn)代SOC的switching 電源本身就是個noise源，如何優(yōu)化EMI Loop是個必須關心的問題。Cbuck的輸入側的Loop和輸出側的loop，每個loop經(jīng)電源輸入或輸出端口，經(jīng)過旁路電容，再到ground。每個Loop都要設計成盡可能短的物理layout，確保noise不會干擾的其他布線。電源走線在上下層改變時，要盡可能設計多的過孔。

二、談談晶振（Xtal）部分。隨著SOC設計及工藝提高，以前常見的PLL LPF外接，最近一般都完全設計在芯片里面了。 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應用， 常用到19.2MHz, 26MHz，及37.4MHz的頻率。Xtal 電容值的選取超過了本文的scope，這里略過主要談談xtal的布線。常見的xtal都是帶輸入，輸出的端子。 曾經(jīng)有遇到過最深刻的一個問題就是Xtal對RF端口之間產(chǎn)生影響，晶振頻率的諧波能量導致了認證測試失敗。后來吸取教訓，在xtal的top layer布線（輸入，輸出及xtal cap的布線）設計成獨立的island。（參考下圖）如果space不允許的話，至少簡易在xtal靠近RF一層，在GND里加一條Slot， 也可以降低xtal諧波干擾的風險。

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

三、談一下射頻部分的走線要點。

總的來說，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，所以布線的時候，一般常優(yōu)先考慮Tx側的布線。比如FEM可以設計在離Tx近一點的地方。RF走線(50歐)設計，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一定要設計盡可能多的GND via。特別是在最后接ANT的地方， GND via過少直接會影響到RF loss。 3 ）RF走線一般盡量少彎曲90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雜。雖然WLAN采用的是TDM方式，但是在FEM的layout pattern設計，還是兼顧電源，Tx和Rx的coupling影響。

四、接口部分的走線設計。

作者接觸到SDIO，SPI及PCIE的I/F較多。接口bus速度越快，對layout設計要求越高。 SDIO 3.0的話，保證每個走線都是50ohm并且長度要小于10cm，確保各數(shù)據(jù)線間的走線長度差要小于100mil (2.54mm 相當于17.5ps jitter)。 走線一般滿足thumb of rule即2：1的經(jīng)驗公式，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。

在實際應用中， 常常會首先遇到是單面PCB設計還是雙面PCB設計。如果是單面PCB設計的話，各路元件的布置需要遠近取舍，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。這些模板因為內(nèi)部完成了對Xtal，RF FEM/Trace的集成，進一步降低了PCB的設計，但是對電源走線，還是需要PCB板級設計的注意。 小結此文主要介紹了射頻SOC芯片的PCB板設計的4大要點，其實每個要點都離不開GND的配置設計。 在客戶的設計案例中，我們也遇到不少因為layout設計缺陷而改版的案子，很多問題我們在上面都已談到，相信不少同領域的朋友應該會有同感。
編輯：hfy