全志R128硬件设计指南②

PCB设计

叠层设计

R128采用两层板或四层板设计。

2层板设计参考

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4层板设计参考

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SoC Fanout

R128封装采用 8x8mm QFN设计，0.35mm ball pitch，0.17mm ball size，可支持 2 层板方案与 4 层板方案。

两层板 Fanout 建议

• 尽量保证 SOC 背面 GND 完整；

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四层板 Fanout 建议

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小系统 Layout 设计建议

时钟系统Layout设计

R128 40Mhz 时钟建议 Layout 采用以下原则：

• 晶振尽量靠近 IC 摆放，使 HXTAL-OUT/HXTAL-IN 走线长度小于 400mil，减少 PCB走线寄生电容，保证晶振频偏精度；
• 晶体必须和 SOC放置同一面。避免换层过孔，增加杂散电容而引起频率偏移；
• 晶振的匹配电容必须靠近晶振管脚摆放；
• 晶振及其走线区域的外围和相邻层，用 GND屏蔽保护，禁止其它走线；
• 晶体下方不允许走线，内层或另一面无法避开时不能与时钟线平行走线。

复位和系统配置Pin Layout 设计

复位和系统配置PIN 建议Layout 采用以下原则：

• SOC 复位信号上拉电阻靠近SOC，复位信号两边包地，对地1nF 电容靠近SOC 放置，提高ESD 性能；

SOC 电源Layout 设计

SOC 端电源建议Layout 采用以下原则：

• 每1A 电流对应40mil 线宽（铜厚1oz），电源换层尽量多打Via 孔，保证连接性;

SPI FLASH Layout 设计

• SPI FLASH应靠近主控摆放，走线长度≤2000mil；
• 走线间距≥2倍线宽，CLK 单独包地处理；
• CLK信号串接电阻靠近主控摆放，串阻与主控连接走线距离≤300mil；
• DATA信号串接电阻为兼顾读写方向信号匹配，建议靠近链路中间放置。

EMMC Layout 设计

• EMMC与主控间走线长度≤2000mil；线间距≥2W；D0~D3、DS 相对 CLK等长控制+/-300mil 以内；且 D0~D3 上使用过孔的数量尽量相同；
• 除 Reset 外，保证所有信号线控制阻抗 50Ω ；
• 电源走线线宽不小于 12mil；
• CLK和 DS 信号尽量包地处理，包地通过过孔与 GND 平面连接。如果不能包地,则保持线间距≥3倍线宽，所有信号避开高频信号；
• VCCQ, VCC, VDDi的所有去耦电容均靠近 eMMC摆放；
• CLK信号串接电阻靠近主控摆放，串阻与主控 CLK连接走线距离≤300mil；
• DS信号下拉电阻靠近 eMMC摆放。下拉电阻引入桩线长度≤200mil；

请注意：

1. eMMC NC/RFU等保留引脚都悬空，不可为了走线方便将这些信号与电源、地、或其他 eMMC信号连接在一起。如果确实走线有困难，可适当修改 eMMC PCB 封装，去掉一些 NC/RFU 的 ball。
2. 如果期望eMMC运行在较高频率，则建议只使用eMMC，保证主控IO与eMMC点对点连接。如果NAND/eMMC双 Layout时，走线采用菊花链方式，将 eMMC 作为走线的终点，尽量减少分叉线长度

SDIO Layout 设计

SDIO 建议 Layout 采用以下原则：

• CLK串接电阻靠近主控摆放；
• D0~D3相对 CLK等长控制<500mil；
• 走线尽量避开高频信号，信号线走线参考平面完整；
• 2层板设计时，CLK信号走线要求包地处理。

USB Layout 设计

USB建议 Layout 采用以下原则：

• 阻抗要求：差分 90ohm
• 等长需求：差分对内长度差 50mil内，总长度控制在 4000mil以内；
• USB-5V 按照电流要求走线；
• USB-DM/USB-DP走线的过孔不超过 2个；
• USB-DM/USB-DP建议与其它信号的间距大于 10mil，保证 USB信号参考平面完整，避免走线走在器件下面或者与其他信号交叉；
• TVS器件需要靠近 USB座子摆放；
• USB座子金属外壳接地管脚 TOP面建议全铺接地。

音频 Layout 设计

SOC端音频部分建议 Layout 采用以下原则：

• AVCC/HPVCC/VRA1/VRA2/AGND接地电容、电阻依次靠近主控摆放；
• PCB走线 AVCC、VRA1、VRA2线宽≥10 mil；线长≤300mil，远离高速干扰信号；
• AGND走线线宽尽量大，空间允许情况下增加大片覆铜，若耳机座远离 SOC，建议 AGND 分别在 SOC端和耳机座端放置 0 ohm电阻到地，连接到 GND平面的过孔≥2个。

MIC 建议 Layout 采用以下原则：

• ESD 器件必须靠近 MIC 摆放，从 MIC 引出来的走线必须先经过 ESD器件，在连接其他器件；
• MICxP、MICxN，类差分走线，线宽 4mil，线距 4mil，包地。如果 MIC的滤波电容接地点是 EARCOM，则用 EARCOM 包地；

LCD Layout 设计

RGB建议 Layout 采用以下原则：

• R\G\B、行场同步、DE等信号参考时钟做等长处理≤500mil；
• 时钟信号包地，串电阻靠近主控；

CSI Layout 设计

CSI建议 Layout 采用以下原则：

• PCLK的对地电容靠近主控，串联电阻靠近模组；
• MCLK的对地电容靠近模组，串联电阻靠近主控；
• PCLK/MCLK信号包地处理，如空间受限，需保持该信号线在间距≤15mil 空间内无其他走线，尽量与 DATA 线拉开距离；
• 连接时保证较少的换层（MCLK、PCLK换层过孔≤2 个）；
• 走线间距大于 2 倍线宽；
• CSI接口走线长度要求控制在 4000mil以内；
• DATA、HSYNC、VSYNC 参考 PCLK做 500mil的组内等长，PCLK尽量不要因为追求等长而走蛇形线；
• PCLK包地需延长到 sensor和 IC近端。PCLK 两边不要出现 CSI_DATA 线，远离高速翻转的信号线，或用地线隔离。如果 PCLK 和 DATA的 BALL相邻，则 PCLK和 DATA在出线时就往不同层走。

WIFI 和天线 Layout 设计

WIFI 建议 Layout 采用以下原则：

• 射频端口尽量靠近天线或天线接口，射频走线远离电源、LCD电路、摄像头、马达、HPOUT、USB等易产生干扰的模块；
• 天线馈线阻抗控制 50ohm，为了增大线宽减少损耗，通常馈线相邻层挖空，隔层参考参考平面需要是完整地，同层地距离天线馈线距离保持一致，两边多打地过孔；
• 射频线需要圆滑走线，不能换层，并进行包地处理，两边均匀的打地过孔，射频线需要远离时钟线的干扰；
• 合理布局天线馈线的匹配电容电阻，使馈线平滑，最短，无分支，无过孔，少拐角，避免阻抗突变；
• 如使用 PCB走线作天线，请确保天线走线附近区域完全净空，净空区大于 50mm²，天线本体至少距周围的金属 1cm以上；

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热设计

热工作条件

• 热设计的最主要目的是确保电子设备中元器件的工作温度低于其最大的许可温度。
• 元器件的最大许可温度根据可靠性要求及失效率确定。对于半导体器件和集成电路，主要是控制结温 Tj，热设计要保证 Tj≤0.9*Tjmax，其中 Tjmax 是器件的最大许可结温。
• 对于 R128而言，其 Tjmax=125℃，设计应保证 Tj 应小于 112℃。

散热设计参考

布局布线的热设计原则

• 大功耗器件尽量靠近 PCB板上的大面积地层铜箔，借助铜箔散热；QFN芯片的中间 EPAD是专门设计来散热的，因此一定要接到地层上；
• PCB 板上功耗大的器件，放在出风口附近；热敏感器件，放在进风口附近；不要将发热器件相互靠得太近，更不要将高的元器件挡在功耗大的器件前面；对于功率密度高的器件，建议不要靠压在PCB 的铜箔上散热，而要立起来，用散热器散热，功耗大的器件立起来自然散热时，建议将面积大的散热面与空气流动方向平行；
• PCB板上的元器件加散热器时，要注意使散热器的肋片方向与气流方向平行，对于确实无法保证这点的，可以使用对气流方向不敏感的指型散热器；
• 对模块内部不能够吹到风的 PCB 板，在布置元器件时，元器件与元器件之间，元器件与结构件之间应保持一定距离，以利空气流动，增强对流换热。
• 在 PCB上布置各种元器件时，应将功率大、发热量大的元器件放在 PCB边沿和顶部(重力 top面)，以利于散热；
• 应将不耐热的元件(如电解电容)放在靠近进风口的位置，而将本身发热而又耐热的元件(如电阻，变压器等)放在靠近出风口的位置；
• 在 PCB上布置各种元器件时，应将功率大、发热量大的元器件放在出风口的位置；
• 对热敏感元件，在结构上应采用“热屏蔽”方法解决：
• 尽可能将热通路直接连接到热沉；
• 减少高温与低温元器件之间的辐射耦合，加热屏蔽板，形成热区和冷区；
• 尽量降低空气的温度梯度；
• 将高温元器件安装在内表面高黑度，外表面低黑度的机壳中。
• 要保证印制线的载流容量，印制线的宽度必须适于电流的传导，不能引起超过允许的温升和压降。
• 较大的焊盘及大面积铜皮对管脚的散热十分有利，但在过波峰焊或回流焊时由于铜皮散热太快，容易造成焊接不良，必须进行隔热设计，如 GND 花接等，常见的隔热设计方法如图所示。

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散热器选择原则

• 选择合适的散热器，不仅与散热器的大小有关，而且和地域、环境、温度（季节）、通风条件及安装密度，模块工作电流大小等因素有关。
• 接触面：要求发热件与散热器要有良好接触，尽可能降低接触热阻，所以最好有大的接触面，接触面还需要有较高的光洁度，为了弥补因接触面的粗糙而导致的贴合不良，可以在中间涂抹导热脂，可以有效降低接触热阻；
• 导热材料：铜、铝都有较好的导热性能，铜的导热系数虽然优于铝，但铜有密度太高、价格贵的缺点，所以实际应用中铝材是应用最多；
• 固定方式：这个也是比较重要的一环，如果不能把发热件与散热片良好接触，也是无法有效把热量传导到散热器上的，应用中有直接用螺丝钉紧固的，也有用弹簧片压固的，可以根据需要选择设计；
• 形状：包括页片与基材的形状尺寸，要有尽可能加大散热表面积，这样散热片的热量才能快速与周围空气对流，比如说增加页片数目，在页片上做波浪纹都是好办法；基材要厚一些比较好，长而薄的散热片效率很差，在远端基本上是不起作用的了自然对流：发热器件或者散热片的热量可以是依靠；
• 自然对流散热：在使用功率器件时最重要的是如何使其产生的热量有效地散发出去，以获得高可靠性。散热的最一般方法是把器件安装在散热器上，散热板将热量辐射到周围的空气中去，以及通过自然对流来散发热量。

器件安装的原则

• 元器件的安装应尽量减少元器件壳与散热器表面间的热阻，即接触热阻；
• 为尽量减小传导热阻，应采用短通路，即尽可能避免采用导热板或散热块把元器件的热量引到散热器表面，而元器件直接贴在散热器表面则是最经济、最可靠、最有效的散热措施；
• 为了改善器件与散热器接触面的状况，应在接触面涂导热介质，常用的导热介质有导热脂、导热胶、导热硅油、热绝缘胶等；
• 对器件须与散热器绝缘的情况，采用的绝缘材料应同时具有良好的导热性能，且能够承受一定的压力而不被刺穿；
• 把器件装配在散热器上时，应控制安装压力或力矩进行装配，压力不足会使接触热阻增加，压力过大会损坏器件；
• 将大功率混合微型电路芯片安装在比芯片面积大的散热片上；
• 对于多层印制线路板，应利用电镀通孔来减少通过线路板的传导热电阻。这些小孔就是热通路或称热道；
• 当利用接触界面导热时，采用下列措施使接触热阻减到最小。
• 尽可能增大接触面积；
• 确保接触表面平滑；
• 利用软材料接触；
• 扭紧所有螺栓以加大接触压力(注意不应残留过大应力)；
• 利用合理的紧固件设计来保证接触压力均匀。

功耗管理参考建议

• 提高电源转换效率，对于小型化的产品或者对热设计要求较高的产品，电路设计时推荐采用 DCDC代替 LDO 供电，尽量少用高压差的 LDO；
• 软件优化场景功耗，不使用的内部模块或者外设，可以通过软件关闭相应模块的供电；
• 软件根据应用场景和 VF表实时选择合适的 CPU工作电压，以降低芯片功耗；
• 实时监控芯片内部温度 Sensor，限定芯片最高工作温度，保护芯片。

EMC设计

ESD设计

原理图 ESD设计建议参考如下：

• 系统挂死与 IO的抗 ESD能力有关，提高各接口输入 PIN的 ESD 能力有助于提高系统 ESD，如USB-ID/CARD-DET检测 PIN到 SOC端串接电阻提高 ESD性能；
• 各接口均要根据接口类型在电源和信号上预留合适的 ESD保护器件；
• Reset信号建议增加 1nF电容接地，电容靠近主控摆放 ；电容接地端需用过孔加强连接；Reset走线需要全程用 GND走线保护；
• 对于模组上的 reset 信号，需在模组上靠近芯片管脚的位置增加 1~100nF 电容接地；
• 关键敏感电源采用 LC 滤波设计。

PCB ESD设计建议参考如下：

• PCB层叠设计必须保证比较完整的 GND平面，所有的 ESD泄放路径直接通过过孔连接到这个完整的GND平面；其他层尽可能多的铺 GND。
• POWER平面要比 GND平面内缩不少于 3H（H指 POWER平面相对 GND平面的高度）。
• 在 PCB四周增加地保护环。
• 关键信号（RESET/Clock等）与板边距离不小于 5mm，同时必须与走线层的板边 GND铜皮距离不小于 10mils。
• CPU/晶振等 ESD敏感的关键器件，离外部金属接口的距离不小于 20mm，如果小于 20mm，建议预留金属屏蔽罩，并且距离其他板边不小于 5mm。
• 关键信号（RESET/Clock等）尽量避免与外部接口信号或经过 IO附近的走线相邻并行走线；如果不可避免，相邻并行的走线长度不超过 100mils；IO保护地下方尽量不要走线，在必须走线的情况下建议走内层。
• 无论外部接口信号还是内部信号，走线必须避免多余的桩线。
• 必须保证外部连接器金属外壳接地良好，在板边直接通过过孔连接 GND平面，每个 GND焊盘与 GND平面之间的连接过孔不少于 3 个。
• 对于部分 ESD 整改难度较大的 IO，可将 IO GND独立出来，与主 GND 用磁珠连接以防止静电能量进入主 GND（需在信号质量可接受的范围内）。
• 外部接口信号必须连接外部 ESD 器件，进行 ESD保护。如下图所示，外部接口信号 ESD 器件放置位置尽可能靠近外部连接器，与连接器间避免过孔；ESD器件接地端直接通过过孔连接到 GND平面，而且过孔数量不少于 3 个；从外部接口进来，必须最先看到 ESD器件；ESD器件的信号端与外部信号端必须尽可能短，尽可能宽，建议直接搭接在信号走线上。

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软件 ESD 设计建议参考如下：

• 把不用的 IO 口设置为低电平；
• 加看门狗，对保护的目标状态位进行检测。

结构 ESD 设计建议参考如下：

• 建议在 PCB板双面四周均匀留出多个不小于 25mm2 的 GND裸露铜皮（此铜皮直接通过过孔与 GND平面相连），并通过导电棉与金属平面相连接；
• 把端口的地与金属壳相连接而加大 ESD的泄放空间。
• 如果结构允许，建议增加屏蔽罩，对关键电路进行屏蔽，同时必须保证屏蔽罩的各边良好接地；
• （避免屏蔽罩电荷积累，对内部信号放电）；
• 螺丝钉要避免伸入机构成为天线；
• 塑胶内层喷导电漆屏蔽。

EMI设计

产品设计设计当初，应了解硬件系统有哪些时钟信号，对这些信号加以防护，以提高产品 EMI性能，减少后续 DEBUG 成本。

R128 各模块主时钟频率如表所示。

EMI设计建议参考如下：

• 各接口按照各模块原理图和 PCB 设计要求进行。
• 多层板设计时，硬件系统上高速时钟线建议走内层；且较高速的单端的时钟线上均要预留 RC滤波电路，抑制高频分量，对于各模块时钟线进行包地处理。
• 差分对信号进行按照差分对要求走线，若无空间，需要满足 3W 原则。
• 排线座子合理布局，排线下方尽量不要有元器件和 PCB 走线；
• 若受结构限制，排线必须拉得很长，则建议排线座子信号线采用两两包地方式，排线必要时要采用带屏蔽线。
• PCB 背面预留一些空白地位置，使用导电泡棉与机壳金属接触，改善地回路；
• 喇叭线采用双绞线。

Checklist

原理图设计Checklist

PCB设计 Checklist