智能鎖：多層PCB設計與天線布局要點

從校園、地鐵站點、公交站點到居民區(qū),共享單車已經(jīng)成為人們出行的主要選擇之一。共享單車的出現(xiàn),不僅有利于解決人們“最后一公里”的出行問題,而且可助力推廣綠色出行,成為城市公共交通的重要補充。

如今,共享單車拼的不僅是速度,更重要的是質(zhì)量。而PCB作為共享單車所有功能的載體就更重要。共享的產(chǎn)品因面向所有人,應用的頻率高、環(huán)境差、條件惡劣,對質(zhì)量要求高,所以設計出高可靠性、高質(zhì)量的產(chǎn)品尤為重要。

PCB層疊設計

共享單車智能鎖的PCB層疊結(jié)構(gòu)要根據(jù)不同的成本、MCU的封裝形式和PCB大小來決定。

如果主芯片用MTK2503,不論PCB是4層、6層還是8層,可能要用到HDI工藝。因為MTK2503 芯片PAD的中心間距是0.4mm,如果使用通孔(0.2mm 孔環(huán)0.4mm),那么這么大的孔是不能打在MTK2503的PAD腳之間。因此,該條件決定必須使用HDI板。

根據(jù) PCB 的外形和元器件的多少來決定板子層數(shù)。在板子外框比較正常主芯片在正面的情況下的層疊一般是這樣分布:

L1 元件層—L2 信號層(此層只是 MCU 下面出線大部分空間還是地)—L3 主地層—L4 信號層—L5 地層—L6 元件層

孔的分布是 L1-L2 和 L5-L6 是激光孔,L2-L5 是內(nèi)層埋孔,L1-L6 是通孔。

隨著 4G 的普及,智能鎖也在快速迭代,4G 產(chǎn)品一般應用 4G 模組,而這類智能鎖的 PCB 疊構(gòu)設計就主要取決于主 MCU,比如 GD32F450VGT6 芯片的封裝是 LQFP100。由于封裝比較大,所以大部分情況下都是設計為通孔板,即能滿足布線需求又可以節(jié)約成本。

主 MCU在 TOP 面時的疊層結(jié)構(gòu)為 L1 元件層—L2 主地層—L3信號層—L4 主地層—L5 信號層—L6 元件層。

使用6層板的話,可以先在嘉立創(chuàng)打樣。該公司不僅免費提供盤中孔工藝,而且沉金厚度免費升級為2u"。盤中孔不僅可以提高PCB設計工程師的效率,而且使過孔可以直接打在焊盤上,成品焊盤表面平整,布線空間更大,提高PCB的良率。

此外,嘉立創(chuàng)交期快,6層板加急,48小時即可出貨,非?？?。

當然,疊層結(jié)構(gòu)對 PCB 的性能至關重要,所以在確定疊構(gòu)時一定要綜合考慮各方面的因素,確保后續(xù)的布線能順利進行。

天線的PCB設計

天線的放置位置直接影響各個天線的功能,而智能鎖的天線一般有WIFI、BLE、GPS、2G、4G 天線。

其中,2G和4G是為了連網(wǎng)和軟件的升級。GPS 和 WIFI 是定位用,主要靠 GPS 定位,WIFI 定位只是在室內(nèi)或 GPS信號弱的地方搜索熱點。BLE 可以用來開關鎖,適配道釘。

每個天線的功能不同,因此設計要求也不同。

不管是用戶找車,還是共享單車運維,都需要定位功能,因此GPS天線尤為重要。由于陶瓷天線靈敏度高、工作穩(wěn)定,所以一般使用陶瓷天線。而陶瓷天線要占用很大的 PCB 布局空間,因此要焊到 PCB 板上。

WIFI、BLE 和 GPS 一般采用頂針或彈片與天線相連。智能鎖的天線彈片布局和布線注意事項如下:

●布局時,要注意天線彈片或頂針旁邊的元件不要高于它,特別是一些金屬件,因為金屬件對天線性能影響較大

●天線與天線之間要留出足夠的空間,因為天線與天線也會相互干擾

●天線最好放在 PCB 的板邊位置,這些位置比較容易外接天線,結(jié)構(gòu)工程師和射頻工程師放置天線時有足夠空間,特別是 4G 的天線彈片,因為 4G 天線需要的面積比較大

●天線彈片的匹配電路盡量離彈片近

●與天線有關的布線要做 50 歐姆阻抗控制,天線彈片到對應芯片的 PIN 腳處的布線要做包地處理,走線上下左右包地,還要保證射頻線與地線之間 2 倍間距,射頻信號線兩旁要均勻的打地孔,并且地孔不能露出參考邊,要保證參考地的平滑不能因為地孔而使參考面凸起

●為保證表層的射頻線寬度,要根據(jù) PCB 的疊層結(jié)構(gòu)來選擇合適的參考層,比如 6 層 HDI ,一般 1 到 2 層比較薄做出來的阻抗線就比較細,線細了損耗就大,對射頻的調(diào)試不利,這時就要參考次下層做阻抗控制。

封裝設計

封裝是PCB設計最重要的部分,也是基礎。如果封裝建錯將會造成整個 PCB 不能用,不僅浪費成本,還會影響整個項目的進度。

由于 PCB 是所有后續(xù)工作的基礎,包括硬件調(diào)試、軟件調(diào)試、整機測試等都是在 PCB 的基礎上進行,所以 PCB 的設計是重中之重,而封裝設計是 PCB 設計的基礎,只有封裝設計正確才能與電子元件進行很好的匹配。

封裝設計時,除了按照電子元件的規(guī)格書上的尺寸圖、PIN 腳順序以及圖紙的視角是正視圖還是底面視圖等常規(guī)參考資料設計外,還要根據(jù)PCB 制造商實際的制程能力和制板公差、元件實物等來設計封裝。

封裝設計時,要注意PCB制造商的制程能力,即可制造的最小 PAD 和最小的 PAD與 PAD 之間的間距。

封裝設計時要加上PCB的制板公差。封裝制作時,一定要考慮到 PCB 的制板公差,如不考慮就很容易出現(xiàn)元器件和 PCB 配合不好的問題。

插件的封裝還要結(jié)合實物設計。很多插件的封裝,只看封裝尺寸圖很難判斷實物的 PIN腳是圓的還是方形的。

此外,還需要注意連接器和電源模塊的設計、G-sensor和SPK的設計要點?？梢哉f,智能鎖的PCB設計每一步都至關重要,一個小細節(jié)就會影響整個PCB的性能。