手机设计之PCB布局 PCB layout of mobile phone design

六、布局之主器件（BB）

跟随着前面的介绍，我们已经了解了手机布局的难点，也清楚了手机布局的基本要求和一些基本的思路，并结合着Altium Designer软件，讲述了如何绘制板框，如何设置布局规则，现在一切准备就绪，让我们开始具体的布局操作吧。

不管是遵守“先大后小，先难后易”的布局原则，还是从线路图的框图来看，一切都是围绕着BB这个芯片展开的，所以我们就从BB芯片来开始我们的布局之路。

BB（Baseband）

基带芯片是整个手机的核心部分，本设计中用到的的BB（基带芯片）是MSM8953。

MSM8953 这个处理器有以下几个特点：

采用14nm工艺制程，所以在发热和功耗方面，很有优势。
配备了八颗cortex-A53处理核心，主频高达2GHz。性能更加稳定。
支持4K视频录制，并配备了双ISP，最高支持2400万像素摄像头。
支持Cat.7 LTE网络，能够实现最高300Mbps的下行速率和150Mbps的上行速率，并且也支持802.11 ac Wi-Fi。
配备了Adreno 506，并且支持Quick Charge 3.0高速充电协议。

下图是基带芯片的结构图，基带芯片是整个手机的核心部分，这就好比电脑的主机，其它都是外设。

BB 布局注意事项：

① 作为整个手机的核心，BB应该放置在板子靠近中间的位置（具体位置由结构定）

② BB和DDR的相对位置，一般是follow芯片原厂商的放置（按照厂商推荐的方式布局布线，以降低产品风险）

③ BB和DDR需要共享一个屏蔽罩，有时PMU也会在同一个屏蔽罩内。

注（屏蔽罩原理：用屏蔽体将元部件，电路，组合件，电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散；用屏蔽体将接收电路，设备或系统包围起来，防止它们受到外界电磁场的影响。屏蔽罩的材料通常采用0.2mm厚的不锈钢和洋白铜为材料。手机金属屏蔽罩平整度严格控制在0.05mm的公差范围内以保证其容易上锡的性能，和优良的屏蔽效果）

下图为手机屏蔽罩的图片：

④ 屏蔽盖的焊接线宽度视屏蔽盖厚度而定，但至少 0.6mm，元器件距离屏蔽盖的焊接线距离至少 0.25mm，同时要考虑器件的高度是否超出屏蔽盖。

⑤滤波电容需要放置在BB背面，并且靠近电源管脚放置。

七、布局之主器件（RF）

手机功能的不断增加对PCB板的设计要求日益增高,伴随着一轮蓝牙设备、蜂窝电话和3G 4G 5G的更新,频段的不断增加，速率的不断提升，使得RF（Radio frequency）部分变得越来越复杂，布局布线都迎来了严峻的挑战。

注：RF(Radio frequency)即为射频，手机射频是指接收、发送和处理高频无线电波的功能模块。

手机通信模块主要由天线、射频前端、射频收发（transceiver）、基带构成，其中射频前端是指介于天线与射频收发之间的通信元件，包括：滤波器、LNA(低噪声放大器，Low Noise Amplifier)、PA（PowerAmplifier 功率放大器）、双工器、开关、天线调谐。

射频芯片架构包括接收通道和发射通道两大部分。

手机接收时：天线把基站发送来的电磁波转为微弱交流电信号，经过天线开关接收通路，然后传至高频滤波器滤除其它无用杂波，得到干净纯正的接收信号，由电容器耦合送入中频内部相应的高放管放大后，送入解调器与本征进行解调，得到接受的基带信号（RXI-P/N RXQ-P/N）,并送到逻辑音频电路进一步处理。

手机发射时：把逻辑电路处理过的发射基带信息调制成的发射中频，用TX-VCO把发射中频信号频率上变为GSM的频率信号，并经过功放放大后由天线转为电磁波辐射出去。

下面我们来看一下RF的布局需注意：

① 射频部分通常都有一个独立的屏蔽罩，包含（transceiver PA LNA SAW DUP SW…）而且通常为了改善EVM(误差向量幅度)，推荐4G PA 及其外围器件使用一个单独的屏蔽罩。

注： transceiver是射频的收发器，射频部分的主芯片。它主要有三个作用：变频，信道选择，放大。

PA(power amplifier，功率放大器)是各种无线发射机的重要组成部分。指在给定失真率条件下，能产生最大功率输出以驱动某一负载的放大器。它主要功能是功率放大，以满足系统要求，最重要的指标就是输出功率大小，其次线性如何等等，一般用在发射机的最后一级。

LNA(low noise amplifier,低噪声放大器)LNA是低噪声放大器，主要用于接收电路设计中。因为接收电路中的信噪比通常是很低的，往往信号远小于噪声，通过放大器的时候，信号和噪声一起被放大的话非常不利于后续处理，这就要求放大器能够抑制噪声。

SAW(（surface acoustic wave，滤波器）是做滤波器和谐振震荡用。做滤波器用时，由于它插入损耗有点大，使用时最好不要放在LNA前面。

DUP(Duplexer,双工器）有三端組成，分別有ANT端、TX端、RX端，并将发射、接收分离（即TX/RX分离）以保证发射、接收同时正常工作。它由两组不同频率的带阻滤波器组成。

SW(switch，开关）手机中的射频有很多个频段，但是只有一个天线，需要通过开关来切换。 EVM(Error Vector Magnitude，误差矢量幅度）主要表示实际信号和理想信号的偏差，用来判断数字调制器的好坏。

② transceiver 尽量靠近BB芯片，使得到BB的IQ，SPI等线尽量短，顺。

（器件距离太远，走线就会偏长，EVM和phase error都会变差）

注：手机基带芯片通过IQ数据线及SPI信号线等与手机射频收发装置相连。

③定好了屏蔽罩并定好transceiver的位置方向后，RF整体模块应该优先靠近主天线摆放，确保主天线的路径最短，辅天线电路模块靠近辅天线附近。

④ a单面摆件时 transceiver和PA之间需要远离，两者距离需要大于9mm，不能满足时中间必须加隔离筋(即单独的屏蔽罩，可见下图）。

b双面摆件的时候，应该避免Transceiver于PA 在垂直方向上重叠。

（远离PA主要是出于散热的考虑，不然受高温影响，所有的RF性能都会劣化）

⑤ 尽量可能的把高功率RF放大器（HPA）和低噪音放大器（LNA）隔离开来，简单的说，就是让高功率RF发射电路，远离低功率接收电路，避免干扰。如果PCB板上有很多的空间，那么很容易做到，但现在智能机时代，零件多，空间小，所以这个变得很难达到，这样也可以把他们放在PCB板子的两面，或者让他们交替工作，而不是同时工作。

a. 从天线开始，经由接收机到基带器件，此为接收通路；

b. 从基带器件开始，经由发射机再到天线,此为发射通路。

⑥ 天线开关

天线开关一般放在PCB的边角，空间上一般介于transceiver与ANT之间，放置的方向是让线路走线顺畅为原则，TRX口（见下图）朝向transceiver和duplexer，ant口对着天线。

⑦ 双工器

双工器一般放置于transceiver和开关之间，摆放的位置需要综合评估接收和发射通道，以RF通道长度尽量短，接受和发射间的隔离度满足要求为原则。

⑧ 匹配器件

在RF的匹配电路上，我们一般把器件放成L型或者π型，并且尽量使链路短且直，匹配器件需要靠近，路径上不能出现stub，让PAD放置在同一水平位置。

匹配链路上的阻容感数量很多，封装大小又不太好区分,放置起来比较麻烦，需要一个个的对应着原理图来放置。

在AltiumDesigner中，我们可以通过下面的命令：

Tools-Component Placement-Reposition Selected Components

就可以按照选择的顺序一一放置下来，这样对于匹配电路的放置比较方便。

虽然RF的设计，理论上有很多的不确定性，也常常被称为“黑色艺术”，但是很多经历过验证和总结的准则和法则还是不应该被忽视的，需要我们去遵循和不断的完善。

八、布局之主器件（PMU）

PMU是power management unit的缩写，中文名称为电源管理单元，是一种高度集成的、针对便携式应用的电源管理方案，即将传统分立的若干类电源管理器件整合在单个的封装之内，这样可实现更高的电源转换效率和更低功耗,及更少的组件数以适应缩小的板级空间，成本更低。

PMU作为手机特定主芯片配套的电源管理集成单元，能提供主芯片所需要的、所有的、多档次而各不相同电压的电源，同电压的能源供给不同的手机工作单元，像处理器、射频器件、相机模块等，使这些单元能够正常工作。PMU是将多个DC/DC转换器，数个LDO，充电以及保护电路、电量检测集成在一起的IC。

下图为：手机电源管理单元与手机功能模块之间连接。

手机里的各个功能模块都需要不同的电源管理元件配合。

手机里的电源管理系统可以分为下面几个系统：

由于PMU这个芯片的功能，我们需要在布局的时候注意：

①PMU在手机布局中，基本都是和BB DDR 等放置在一个屏蔽罩内，也有如本设计一般，把PMU放置在单独的屏蔽罩内，而且通常PMU的旁边还布有电池连接器，USB，或者其它的供电小模块。

下图的例子可以看到有两个PMIC（Power Management IC），现在很多平台都把audio部分单独出来，这样PMU的布局更灵活，audio部分可以放置的更靠近，电源部分也可以放置的更合理，不需要为了audio的性能去折中处理电源, 而且这样单片的PMIC的连接器件数量变少，阻容感器件可以放置的更靠近管脚。