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,共享單車已經成為人們出行的主要選擇之一。共享單車的出現,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,更重要的是質量。而PCB作為共享單車所有功能的載體就更重要。共享的產品因面向所有人,應用的頻率高、環境差、條件惡劣,對質量要求高,所以設計出高可靠性、高質量的產品尤為重要。

PCB層疊設計

共享單車智能鎖的PCB層疊結構要根據不同的成本、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 PCB 的外形和元器件的多少來決定板子層數。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 產品一般應用 4G 模組,而這類智能鎖的 PCB 疊構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約成本。

主 MCU在 TOP 面時的疊層結構為 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,嘉立創交期快,6層板加急,48小時即可出貨,非常快。

當然,疊層結構對 PCB 的性能至關重要,所以在確定疊構時一定要綜合考慮各方面的因素,確保后續的布線能順利進行。

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,結構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 PCB 的疊層結構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 是所有后續工作的基礎,包括硬件調試、軟件調試、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參考資料設計外,還要根據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元器件和 PCB 配合不好的問題。

插件的封裝還要結合實物設計。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。可以說,智能鎖的PCB設計每一步都至關重要,一個小細節就會影響整個PCB的性能。