WLAN及其他无线射频芯片的PCB板设计要点

dizangwang · 发表于 2016-12-17 09:12:08

[paragraph]射频PCB板设计是开发中关键一环，这里我们以WLAN芯片的PCB为例来具体谈一下PCB layout的设计要点。
WLAN和蓝牙芯片的开发板的设计重点，可以分为电源部分，晶振部分，射频部分及接口（I/F）部分。下面我们分布谈一下各部分的设计思想和注意点。
一、首先是电源部分
着手设计PCB之前，首先需要仔细查看SOC的电源拓扑结构，比如常见的40nm/28nm的WLAN芯片，它的电源常分为1.2V Buck Regulator，2.5V Regulator，3.3V Regulator。低电压Reg主要供数字及PLL部分使用，高电压Reg主要供射频PA使用。各Buck输出部分，一般都有输出物理端口，这是因为输出端口接各个block是采用星型拓扑结构，在下一级有物理输入接口，应用中需要接旁路电容。电源部分的layout设计主要有两大问题，Cbuck的输出电感，旁路电容的选取及设置，还有电源走线的设计。
旁路电容的选取对各Buck输入/输出 noise，输出电压性能有重要影响。现在的Buck DC regulator采用PFM (Pulse Frequency Modulation)方式的较多。相比以前的方式，PFM一般有更小的Vout Ripple电压。输出一般都串接大电感后在接去耦电容。
电感的选取，建议参考各家SOC Vendor推荐的型号。如果考虑成本选取其他Local厂商时，务必要check DCR（影响定格电流，效率），ACR（影响ACLoss）还有最大定格电流和电感&DC电流的profile图。这几个参数对电感来说都是相互关联的，一般DCR高的话，定格电流就低。有条件的话，可以之间测一下Ind端AC信号，看看Peak-peak电压变化情况。
下面是一例实测CBuck的输出电压，电流波形，输出波形（蓝色）相对稳定，电感上的电流波形保持稳定的线性特性，600mA的DC偏置输出，AC电流变化差不多380mA 。设计问题不大。

去耦电容的选取要考虑到电流capacity，定格最大电压及误差。要确保实际有效去耦电容的设置，要尽量靠近Reg输入输出端，在星型拓扑结构里，电容要安置在星型节点附近。这是因为每个拓展出去的电源trace都会产生电感效应。主节点放置大容量的电容可以起到高频噪声滤波功能。
电源的布线，要重点考虑2点：
1）避开对其他对noise敏感的布线的coupling；
2）降低电源EMI loop的影响。
先谈谈第1点，对noise敏感的布线，比如SOC的一些总线，RF相关端口，还需要查看datasheet的keep out区域。对一些功耗大的Reg电源布线要充分考虑到散热设计。一般来说SOC的主Buck的输入输出pin也常分布在芯片的转角附近，这样的Pin布局，有利于PCB设计，电源的布线考虑到散热效应，一般在layer1，layer2上的较多。电源的接地设计，依据PCB层数，有条件的话，可以单独设置一层放PMU布线。在WLAN设计里，一般性都采用4层以上的PCB，第一层（top）一般设计成PMU的GND island，与周边的其他布线加强隔离度。
第2点是 EMI loop, 现代SOC的switching 电源本身就是个noise源，如何优化EMI Loop是个必须关心的问题。Cbuck的输入侧的Loop和输出侧的loop，每个loop经电源输入或输出端口，经过旁路电容，再到ground。每个Loop都要设计成尽可能短的物理layout，确保noise不会干扰的其他布线。电源走线在上下层改变时，要尽可能设计多的过孔2个）。

二、谈谈晶振（Xtal）部分。
随着SOC设计及工艺提高，以前常见的PLL LPF外接，最近一般都完全设计在芯片里面了。所以晶振部分成了PLL这一环主要care的问题。一般现在的mobile应用，常用到19.2MHz, 26MHz，及37.4MHz的频率。Xtal 电容值的选取超过了本文的scope，这里略过主要谈谈xtal的布线。常见的xtal都是带输入，输出的端子。曾经有遇到过最深刻的一个问题就是Xtal对RF端口之间产生影响，晶振频率的谐波能量导致了认证测试失败。后来吸取教训，在xtal的top layer布线（输入，输出及xtal cap的布线）设计成独立的island。（参考下图）如果space不允许的话，至少简易在xtal靠近RF一层，在GND里加一条Slot，也可以降低xtal谐波干扰的风险。

Xtal布线的下面一层，建议不要设计其他敏感的走线（比如I/F，其他电源走线等）。

三、谈一下射频部分的走线要点。
总的来说，现在主流的WLAN SOC芯片，Rx的性能相比Tx性能，spec上余量更多，所以布线的时候，一般常优先考虑Tx侧的布线。比如FEM可以设计在离Tx近一点的地方。RF走线(50欧)设计，常用的方法是：
1 ）挖空下面一层的metal，使50ohm线宽变粗，减少走线和元件pad的不连续性。
2 ）RF走线两端的GND一定要设计尽可能多的GND via。特别是在最后接ANT的地方， GND via过少直接会影响到RF loss。
3 ）RF走线一般尽量少弯曲90度以上，space余度不多的地方，可以90度弯曲。
4 ）注意Tx和Rx之间的isolation，现在的WLAN芯片，很多都是2x2以上的MIMO，射频部分的走线变得愈加复杂。虽然WLAN采用的是TDM方式，但是在FEM的layout pattern设计，还是兼顾电源，Tx和Rx的coupling影响。

四、接口部分的走线设计。
作者接触到SDIO，SPI及PCIE的I/F较多。接口bus速度越快，对layout设计要求越高。 SDIO 3.0的话，保证每个走线都是50ohm并且长度要小于10cm，确保各数据线间的走线长度差要小于100mil (2.54mm 相当于17.5ps jitter)。走线一般满足thumb of rule即2：1的经验公式，比如trace width=4mil, 则gap最好8mil以上。另外clock走线最容易产生noise，所以clock走线要与其他数据线隔开，最好加入gnd glitch。
接口的走线一般都是比较noise敏感的，尽量避开和电源走线layer的交迭重合。比如下面一例，电源层（蓝色）和数据接口层（黄线）在层与层上面尽量做到没有交迭重合。主要电源走线的下面layer一般布置了GND走线。

在实际应用中，常常会首先遇到是单面PCB设计还是双面PCB设计。如果是单面PCB设计的话，各路元件的布置需要远近取舍，考虑优先度。
还有部分朋友接触的可能不是SOC芯片，而是集成了SOC芯片的模块，比如Murata， TDK等厂商的WLAN模块。这些模板因为内部完成了对Xtal，RFFEM/Trace的集成，进一步降低了PCB的设计，但是对电源走线，还是需要PCB板级设计的注意。
小结
此文主要介绍了射频SOC芯片的PCB板设计的4大要点，其实每个要点都离不开GND的配置设计。在客户的设计案例中，我们也遇到不少因为layout设计缺陷而改版的案子，很多问题我们在上面都已谈到，相信不少同领域的朋友应该会有同感。

——维文信《印制电路世界》