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優化電路板設計布局 改善微型化設計造成的機內雜訊

time : 2019-09-16 09:09       作者:凡億pcb

一般產品的PCB設計,多數先決定元件布局,再進行線路連接,于元件位置就先改善干擾問題,再從線路細節著手改善產品。
一般產品的PCB設計,多數先決定元件布局,再進行線路連接,于元件位置就先改善干擾問題,再從線路細節著手改善產品。
 
以目前移動電話、平板電腦的設計架構,產品體積不斷壓縮、變薄,但追加的功能項目不減反增,甚至核心的處理器元件運作時脈持續攀升,目前這類行動裝置產品所應用的行動處理器,時脈已有1~1.5GHz之譜,設備內的大量高頻元件若不善加處理電路板元件布局,不良設計恐影響視訊、音訊等多媒體應用呈現效果...
 
以移動電話、智能手機為例,內部的機構設計可用空間可以說是極致狹小的狀態,不但是電池、面板、背光模組、相機模組、邏輯電路載板...等元件或子系統在極度堆迭、高密度的設置狀態,加上產品對效能、功能性的要求較高,也讓這類行動裝置的設計方案更趨復雜化,開發者不但要解決各元件、子系統的確實連接/運行,也必須針對系統間可能的干擾問題,進行問題改善。
 
音訊電路訊號品質,是影響操作體驗的關鍵,電路布局要特別注意。
音訊電路訊號品質,是影響操作體驗的關鍵,電路布局要特別注意。
 
手機可用的PCB空間相當小,而1片式的設計是節省成本的作法,如何做到區隔不同子系統、降低雜訊干擾,是設計關鍵。
手機可用的PCB空間相當小,而1片式的設計是節省成本的作法,如何做到區隔不同子系統、降低雜訊干擾,是設計關鍵。
 
尤其在印刷電路板的布局設計,在移動電話設計方面可以說是最嚴苛的挑戰,手機內的各個子系統,都可能存在呈現沖突的設計要求,例如,無線模組要求的是最佳的天線場型和最佳的無線連接傳輸效能,而數位邏輯運算核心系統,卻要求最穩定的運算環境,當兩個系統同時整合到一個極致小巧的裝置中時,無線射頻必須要求最佳化傳輸、數位邏輯電路又必須在可隔離外部雜訊的環境下穩定運作,設計時如何讓單一載板能存在兩個系統,彼此各司其職又同時不互相干擾,成為產品開發的關鍵工作。
 
設計良好的印刷電路板,必須能針對每個元件、功能區塊或模組,能提供最佳化的運行條件與環境,同時又必須維持各個子系統間不會產生相互干擾!但現實的狀況是,各子系統出現沖突的設計要求,必須利用工程手段實施部分設計妥協,或改采增設金屬屏障等補強措施,但這類元件布局處理或補強措施,也會造成PCB載板的尺寸無可避免的加大,這又與輕薄短小的產品設計目標產生沖突。
 
這類射頻訊號干擾問題,在面對數位邏輯電路的影響,其實是相對容易改善的項目,因為數位邏輯電路子系統,在處理訊息部分不是0就是1,數位訊號處理可以忽略輕微的射頻干擾,反而是針對多媒體應用(如影片播放、MP3音樂欣賞)時,射頻干擾音訊或是讓視訊出現波紋干擾時,用戶的體驗就會相當糟糕。
 
以正常的開發流程,PCB板設計前第一件事就是先處理元件布局,即安排元件該擺在PCB上的哪個位置,此階段工作除需考量對元件最佳的布線效益(最短距離或最省PCB空間的布局),但在簡化訊號走線的同時,還須考量接地面的設置,將雜訊可能產生的問題降到最低。
 
而元件的布局,多數的狀況可將功能子系統分處不同區塊來進行布局,具干擾疑慮的射頻元件,盡可能靠近設備的天線位置,例如載板的角落,再透過金屬屏蔽射頻功能子系統,而數位邏輯的核心系統,因為也是高頻運作,多數都是設置于PCB載板中央,一方面處理器的散熱模塊可以同時達到為整體載板散熱的效用,對于連接個別子系統來說,將核心邏輯電路擺在載板中央也有利功能布局。最影響使用觀感的音訊回路,對于載板開發就成為關鍵問題,尤其是走線設計布局還要回避干擾的作法,必須累積大量設計經驗,才能達到最佳化。
 
以移動電話這種結合通訊、網路、數位運算的混合系統電路,如何有效區隔類比電路與數位電路,讓這兩類運行系統可以分開不互相干擾,設計方面有相當多作法可用。常見的作法是干脆將不同電路分成不同載板,載板間的關鍵聯系資訊線路則采排線來進行連接,即可達到功能系統有效的切割分離設計。
 
但礙于成本考量,目前采多載板設計的形式,會朝向最少載板達到最大功能整合,這對區隔數位、類比電路會遭遇較大的挑戰,設計方向可以將整體載板區隔成數位區塊與類比區塊,彼此采線路的類型進行區隔,可以達到近似載板分離的設計效果。另外,雖然射頻電路也是類比電路的一種,但畢竟與音訊這類類比處理不同,因為射頻訊號會藕合影響音訊回路,讓音效出現干擾雜音,將射頻電路、無線網路電路與音訊電路區隔越清晰、子系統距離越遠越好,可讓設備干擾音訊的問題降低。
 
而類比電路不比數位電路,其設計復雜度會更高,需要更多設計經驗來進行功能改善。例如,音訊放大晶片可以置放在越靠近音訊接頭處,讓輸出訊號盡可能避免PCB板線路耗損,讓聲音輸出更為純凈,同時這類行動裝置大多會采高效能的D類音訊放大電路,放大回路要能在設計方面考量電磁干擾問題(Electromagnetic interference;EMI)。
 
將印刷電路板分隔為類比、數位與射頻區后,接著必須選擇類比部分的元件安排,此時,必須符合音訊訊號路經距離最短的原則,將音訊放大器盡可能地接近耳機插孔與喇叭,將可有效地把D類喇叭放大器發射的電磁干擾(EMI)降到最低,同時必須處理抑制耳機訊號所產生的額外雜訊問題,再搭配有效縮短音訊傳遞的電路距離,讓產品的音訊表現更趨完美。
 
如果行動設備也具備喇叭功能,喇叭與音訊輸出電路若距離較遠,也可能衍生新的設計問題!例如,喇叭若未能接近音訊輸出孔,設計方案肯定要利用音訊線路來銜接喇叭輸出,但D類音訊放大電路會因為喇叭線路較長而造成EMI干擾,甚至這類設計會造成測試認證的設計瓶頸,而當線路較長也會因為線材本身的電阻值,增加D類放大電路的功率輸出。
 
多數針對喇叭應用的放大器電路,通常經由產品的電池模組直接取用電源,因為這類驅動電路需要較高的電流支援,但電源的走線若顯得既長又窄,即會造成電源連波問題加劇,對音訊的處理方式,則可以利用差動式訊號設計方案,讓音訊電路提升對抗外部雜訊的能力,同時濾除產品系統中的數位電路可能產生的雜訊,對產品整體音訊表現也會有提升的效用。