电路板设计总结_ipex插座pcb设计

1、原理图

1.1、wifi和运动传感器

原理图设计参考了XD通讯的开发板和Qi的样品板，在WIFI和运动传感器方面，选择了XD开发板的ESP8266EX的wifi芯片，只需要上位机芯片的一个UART口就可以工作，也可以独立工作，不过要搭配一个flash芯片；运动传感器自选型号MPU6050，IIC接口的三轴运动传感器，用来监测车辆的运动状态。

1.2、电源

电源方面主要考虑到电动车的电瓶具有比较高的电压变化范围，国标主要是48V和36V电池，但是48V电池充满电也有54V电压，耗尽之后电压一般在36V左右；36V电池比较好说，考虑一下放电之后电压24V，一般芯片的输入下限都可以做到20V以下；还有一个主要的问题，现存的电动车电池很大一部分不是新国标的，那么它的电压很可能超过72V，60V的电池充满电就是72V，这么来看，80V的电瓶充满电就会超过90V电压，所以，输入电源转换的芯片耐压范围起码要90V以上，这一点从市面上现存的GPS定位器输入电压也可以看出来，基本都是90V以上，高的号称输入电压可以达到120V。

综上所述，这里的稳压芯片主要考虑宽压输入范围，同时宽压主要瓶颈在高压上限，一般也要在90V以上，另外就是供电电流了，这次选择的芯片是MPS的EV9486A开关电源芯片，这个芯片的标称输入电压4.5-100V，输出电流上限是3.5A，开关频率1MHz，170uA的静态电流，典型输出是5V和12V。转换效率的话，因为从比较高的电压到5V，压差比较大，效率肯定没有那么理想，一般在5V100mA电流输出的时候60V输入的转换效率在73%左右，36V的输入转换效率在78%左右；输出电流在5V1A的时候，转换效率可以到80%，高低温、封装、各项参数来看，可以满足我们的电源需求。因为是第一次做这个板子，电源这里没有选择国产芯片，虽然很多国产芯片已经被反复验证了，电压输入范围也很高，但是稳妥起见，尽量先选择MPS的芯片稳一波。

除了总电源的转换芯片之外，我们还需要配置一个锂电池充电监测IC，这里有个疑问，其实MT2503是可以自带了电源监测和充电管理功能的，但是在XD的开发板上他们还是自己加了一个充电IC，这么做的话个人猜测有两种可能：第一是方便，因为充电IC的电流限制、充电保护都是集成好的，不需要过多配置，电源接过去，配置好下拉电阻就可以限制充电电流，保护功能自动开启，没啥好说的，真的方便；第二可能是因为他们用过MT2503的充电功能，实测效果可能并不理想，或者配置起来罗里吧嗦，让人无语，另外硬件设计上还要给他接进去好几个引脚，麻烦的很（BGA封装，可能还要多打盲孔），总之就是无力吐槽，还不如直接上独立IC。其实可能还有一种原因，就是他们懒得试MT2503这里的功能，一个小IC解决的事情，干嘛那么麻烦？（这个原因可能性不大，毕竟他们做了那么久，这些功能应该早就试过了）总之，这个锂电池监测IC是保留了，LTC4054-4.2，这里配置的充电电流是恒流400mA。反正有电动车电池给他充电，不用着急，慢慢充吧。

另外，ESP8266EX的电源需要单独3.3V供电，所以给他单独配置了一个LDO，型号是SPX3815M5；MT2503的GPS部分也需要单独供电3.3V，给它配置了一个LDO，型号是RT9193，至于为啥用两个不一样的3.3V电源IC，主要原因是参考原理图推荐的就是这样；次要原因是，第一次做这个板子，最好两个芯片都买，互为备用，以防万一。

1.3、射频

射频这里主要包括四个方面：GSM/GPRS、BT、WIFI、GPS，这四个射频中主要是GSM/GPRS和GPS比较不好搞，因为要加功放，GPS还要加各种滤波，匹配电路是所有射频必须要求的。GSM/GPRS的射频方面原来的功放芯片已经停产了，XD的李工推荐了RDA6625E芯片，是国产芯片，推出很久了，市场反馈也是不错的。GPS方面，参照XD的开发板，接收天线上用两级放大，效果应该可以保证，不过他原来用的陶瓷天线太大了25x25mm的，换成稍微小一点的18x18mm，信号有一定损失，但是空间上有一定余量（GPS额外预留了外接天线的IPEX座，不行就外接）。BT的天线采用的贴片的多层陶瓷天线，增益比较小，WIFI和GSM/GPRS也都预留了IPEX1代的接口，可以外接天线。天线走线都要做单端50欧姆的阻抗匹配，还有做净空等等，这些不细说。

1.4、开关电路

这里的开关不是电路板上的按钮，当然，设计的时候保留了XD开发板的开机和关机按钮，但是这里的开关主要是电路板控制电动车的电门开关。因为是1.8V控制100V，所以电路设计上要花点功夫，用来一个大功率的P沟道mosfet，CMD5952，这个型号是在Qi的样品板上看到的，费了好大功夫才找到厂家，一顿恶补mosfet的知识，主要是Vgs、Vds，还有Rds(on)、Vgs(th)以及一些电流限制。用三极管控制CMD5952的栅极，然后用另一个小功率的mosfet控制三极管的导通，这里主要是考虑电动车刚上电的时候，必须保证电门是不通的，只有电路板有指令才可以动作，不能上电瞬间有导通现象。另外，为了保护CMD5952的栅极，还增加了一个稳压管。

除了单纯的控制开关之外，还需要增加电压检测的功能，原因是电路板需要知道电动车的电瓶还有没有电，同时也要知道电门到底开了没有。所有这里需要两个ADC引脚来分辨检测电池电压和电门电压。因为MT2503的ADC只有一个闲置可用的，而且检测范围有限，所以加了分压电路，程序上需要做比例换算。对于电门那里，只能牺牲原来电路的充电检测ADC，挪到电门电压检测部分。

1.5、报警器和电机锁

这两个功能类似于预留功能，不一定全部可以用上，但是预留出来，它的使用是有条件的；这里的报警器是对外控制引脚，GPIO控制三极管是否与地导通，导通的时候，对外输出是低电平，不导通就是悬空。所以，要求报警器的控制是低电平有效。电机锁是检测引脚，加了一个稳压管，可以让GPIO检测到外界电压高低，来判断电机锁的开关。

1.6、对外接口

对外接口的话，考虑到TBOX对外接线有低压信号和高压电源，所以高低压分开，4pin的电源和电门信号；8pin的低压信号，电流都没多少，1A就足够了，因为本身电流就没多少，连接器可以到3A电流，耐压200V以上。另外USB调试接口、3.7V锂电池接口都要安排上。其余的就是测试点和天线接口了。

1.7、晶振

晶振很关键，也很重要，XD的板子原理图很多标注并没有更新，可能他们要求并不高，只是在bom上写了准确的型号，很多型号跟原理图对不上。关键的就是晶振这里，GPS的晶振原理图封装引脚定义都是错的，不过PCB没有错。可能他自己清楚只是懒得去改了吧。不过多亏自己发现了，不然真的是神坑啊。板子一共用到三个晶振，准确来说是两个晶体和一个温度补偿的TCXO。让人很奇怪的是，MT2503的XTAL1和XTAL2晶体输入引脚居然没有加上匹配电容，一开始以为XD的原理图错误了，查找了多个官方原理图，居然也没有，在手册上找了半天也没见到有什么说明，真的很奇怪，只能认为它内置了电容（莫名其妙呀，不同厂家的晶体推荐的电容容值并不相同，即使是相同的频率）。TCXO是用在MT2503的GPS部分，另一个晶体是用在ESP8266EX上，也是26MHz，但是型号跟MT2503的不同，原因跟电源一样。

1.8、原理图设计总结

1、切记原理图设计不能大意，认真仔细检查每个网络标号是否有错误，是不是改了一端另一端没有改；

2、原理图设计一定要仔细查看芯片手册，反复检查各种指标，关键指标最好备注到原理图上；

3、原理图的器件封装如果不是自己画的，一定要对照手册去检查，千万别出错了；

4、ad的网络标号是多张原理图通用的，也就是说同一个工程中在第一个原理图的网络标号可以连接到第二个原理图的同样网络标号里，这个需要设置ad；

5、ad有很多操作技巧，要多百度，多学习，提高工作效率。比如，bom的导出配置、标号的重新标注、封装检查等等；

6、做完原理图设计一定要做DRC检查，有错误要及时修改；

7、原理图中的每一个器件，comment选项是器件的最终型号，describe选项是选择器件的主要功能和参数描述，必须添加完全，然后导出bom；

8、原理图中的每个器件的PCB封装必须和PCB封装库中的型号对应，可以添加额外的封装库，不过尽量保证原理图中所有的封装都在一个库里；

9、从PDS导入的原理图中的器件，参数中如果有器件路径，尽量删除，有可能会报错，导致器件不能移动，AD16崩溃；

10、绘制原理图的时候尽量做好分区，哪一部分是什么作用，布局和PCB走线需要注意什么都要做好备注，一方面保证原理图有比较好的可读性，另一方面可以后期布局也比较容易。

2、PCB设计

2.1、保证原理图导入

PCB设计最重要的一点，首先保证器件的封装是没有任何问题的。这一点，即便封装是网上下载的，也要对照手册核对尺寸；自己设计的封装一定要格外小心，画完了再次检查尺寸，确保准确无误。PCB封装没有问题，那么原理图上面配置的PCB封装也要保证没有问题，一定要反复核对，原理图更换型号之后，要确认封装是否修改，必须原理图上面选择器件的封装跟当前器件选型的封装是一致的。

2.2、PCB尺寸和外形

导入成功之后，需要确定电路板的外形，外形尽量设计倒角，先用机械1层画出电路板外形，然后选中这些外形线（按住shift可以多选），重新定义电路板的外形。加上几个螺丝孔，用焊盘添加，这要打印正反面安装图样的时候比较好看，用过孔也可以，但是不好看。螺丝孔外边要加上个keepout线，不能直接接地，原理图设计上螺丝孔和电路板信号地要加电容电阻，做好隔离防护。如果有器件跑出当前视野，可以在原理图中选中边界外的器件然后依次按下T和S，回到PCB界面，依次按下I和L，再画个框，器件就会回来。

2.3、电路板布局

电路板布局首先要根据功能分区，把电路板大概分成几个大块：高压电源区域、核心器件区域、射频器件区域、一般器件区域等等。然后把每个区域的元器件聚拢一下，大概聚拢成一堆一堆的，可以稍微尝试摆放到预计的区域，参照原理图，然后调整布局，这时候可以修改一下分区，确保分区准确合理。射频靠边、开关电源远离射频器件、屏蔽罩内的器件摆放，屏蔽罩大概尺寸等等，按照一般理解，大概保证每个分区都可以容纳器件，顶层不行就底层。射频线需要包地，陶瓷天线预留铺铜、它下面不能布线，晶振布局靠近芯片、它下面尽量不要放器件，USB插座需要靠边开槽、电源芯片需要散热盘、旁路电容就近摆放、射频匹配电路靠近天线等等，有各种原则各种注意事项。大概分清楚位置之后，再各种精细摆放不同部分各自的位置，还要大概屡清楚不同部分之间相互的走线。ad本身带有连线指示，大概让线路短一些，直接一些，预留足够的走线距离，线宽大概多少等等。当然这里面是有优先顺序的：射频和电源是最优先的，然后是高频信号，然后是一般信号。按照这个顺序走下来，后面走线就方便多了，后期可以做一些微调，大的改动基本不用。

这里还有一点需要注意，设计之初就要考虑好MARK点的位置，还有工艺边是否添加、是否需要拼板等等。mark点和工艺边的设计都需要按照规范设计，mark点距离板子边缘大于5mm，正反面都放个小焊盘，直径1mm，然后跟焊盘同圆心加上keepout圈圈，直径3mm。mark点放上3对，其中两对要关于中心对称，尽量别放在对角线上（防呆），都放电路板的边角里（注意满足5mm条件），另外一对放在另一个边角里（注意满足5mm条件），对称与否无关紧要。当前板子采用单板工艺边设计，工艺边在长边加上，宽度5mm，加上V-cut线，做好标注，关于V-cut和标注都放到机械1层。

2.4、层叠设计

大概放好了位置之后，就要看看合不合理，射频将来的走线有没有问题，单端匹配参考哪里？USB的差分匹配参考哪里？如何设计层叠顺序。一般情况下，当前电路板4层或者6层都可以，6层信号可能更好一些，但是4层更省成本，而且也基本满足需求，所以，暂定为4层板，层叠顺序是top-inlayer1-inlayer2-gnd，内电层不规定地和电源，作为内层信号层，除了走线之外，全部铺地。inlayer1尽量保证地平面的完整性，尤其是射频走线下方不可以破坏地平面的完整性，不然会引起阻抗变化，影响信号传输。这样一来，射频信号布局到顶层，参考inlayer1层的地平面，做单端50欧姆阻抗匹配；USB的差分走线布局到inlayer1层，参考上下两层的地平面，做差分90欧姆阻抗匹配。

板厚设计参考嘉立创4层板设计，通过IS9000计算线宽和走线间距之后，就可以确定下来射频和USB布线的参数。具体可以跟制板厂沟通，如果没有固定制板厂就按照常规设计，然后制板要求注明阻抗要求，让板厂根据要求去调整线宽和间距。层叠设计的时候也要估算一下铺铜的厚度，表层和内电层都要注意铺铜的厚度，一般1OZ就可以。有特殊情况的，要好好计算铺铜厚度、走线宽度和电流的关系。

2.5、走线

走线的话，每个人有不同的习惯。我个人一般先搞定电源，当然，布局的时候就要考虑到射频和电源不要互相交叉，每个部分尽量老老实实待在自己的地盘。电源走线要注意按照电流的顺序，先经过那里，再经过那里，比如：先旁路滤波一下，然后出去等等，这个时候要参照原理图和官方手册，尤其是电源IC，一般情况下厂家会提供参考布局，尽量按照参考布局来进行布线。要注意线宽和电流的关系。要预留走线宽度，宁可大一些不要小了，一般情况电流要预留50%的余量。这时候可以稍微修改布局，让布局更加合理，当然也要有所取舍。然后是射频，射频比较简单，我不会给自己的射频走线增加障碍物，一般都是直溜溜的到板子边缘，偶尔拐个弯，需要注意的是，走线宽度要按照之前计算好的宽度，铺铜的时候距离射频走线至少保证1个线宽的距离，这个在ad里可以增加禁止布线区。另外为了增加电路板的地平面良好的导通性，电路板上多打孔，连接多层地平面，在射频走线旁边也要多打孔，增加地平面导通性，做好屏蔽。需要说明的是，这里的打孔不要有规律，要乱，这是为了避免形成共振腔体，因为它可能带来辐射问题。一般孔的间距小于1/20波长，太密了没有必要，还要增加成本，太远了效果不够好。

其他的走线，要注意inlayer1层要保证射频线下面的地平面是完整的，不要去分割。还有邻层走线尽量垂直，避免平行走线造成电容效应 。

2.6、滴泪

走线完成之后，要给pcb滴泪，为了增加pcb走线跟焊盘之间连接的可靠性、降低线宽的变化速度，减少信号反射。当然对于高频信号，因为线宽是经过计算的，可以不滴泪。实际上，滴泪本身就是可选的，但是对于高速电路板，为了减少不确定性，就不滴泪了。

2.7、铺铜

铺铜之前要先给射频线、射频连接器、天线位置添加禁止铺铜区或者keepout线，开孔直接添加cutout区域，禁止铺铜区仅仅对当前层其作用，keepout线会阻值所有层铺铜，cutout区域也是一样的。铺铜的时候，可以设置好铺铜规则，对于局部地区的小范围铺铜个，可以单独添加rule，设置成全部覆盖（注意规则的优先级）。对于大范围的铺铜一般会选择对焊盘进行十字连接。射频方面也要注意，铺铜距离射频走线的距离一般在20-35mil，这个距离通过添加禁止铺铜区来实现，当然也可以通过计算软件去计算。

本次设计对于铺铜做了多次限制，在电源转换部分取消铺铜（四层都取消），降低开关电源对电路板的影响，加粗电源和地的走线，采用区域局部铺铜的方法，尽量隔离电源部分。

3、bom导出

bom导出的步骤是在完成原理图设计之后，一般原理图完成之后，修改好器件选型和参数，drc检查无误，通过原理图评审之后，可以进行bom导出的操作。导出的时候可以选择导出的选项，一般quantity、comment、discribe、designator、footprint都是必选的，其他的可以自己调整，导出之后是一个csv表格。我们要校正其中的选型参数，一般需要合并同类型的器件，减少器件的种类，合并的原则是成本相差不大的情况下，选择更高要求的器件，比如，精度1%和5%的同样封装和阻值的电阻，选择1%的。合并之后修改一下选型，然后更新到原理图中。一般来说，导出的bom中的器件型号应该是完整详细的型号了，但是还要进行再次核查，检查器件选型是否有误，没有问题之后还要给器件添加生产厂家，如果是淘宝采购，需要添加淘宝连接、参数、图片、店家名称等信息。没有问题之后，可以对器件进行归类，大的分类包括：电容、电阻、电感、IC、晶振、连接器、二极管、三极管、滤波器等等，下面一级分类可以按照封装分类，0201、0402、0603等等，也可以简单进行归类。这样做主要是提高可读性，让人一目了然。完成bom之后，可以交给采购按照bom清单进行采购，有问题可以随时沟通。

4、生产文件的导出

此处生产文件主要包括gerber文件、电路板外形图、正方面安装图、坐标文件、物料清单（bom稍微修改一下，去掉部分信息）、屏蔽罩尺寸图、钢网文件、制板说明。

1、电路板制作需要制板说明、gerber文件、电路板外形图；

2、采购需要bom清单；

3、钢网制作需要钢网文件；

4、屏蔽罩制作需要屏蔽罩尺寸图；

5、电路板电装SMT需要正反面安装图、物料清单、坐标文件、钢网；

当然生产之前也要经过多次询价、沟通工艺要求等等，包括bom物料的采购也要经过一些沟通，跟卖家沟通需求情况，对于不常用的器件或者采购周期长的海外器件，在不影响生产的情况下可以选择替代器件。