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有哪些功能和方案專(zhuān)攻高速設(shè)計(jì)布局布線?
發(fā)布時(shí)間:2017-06-06

有哪些功能和方案專(zhuān)攻高速設(shè)計(jì)布局布線?

   在科技高速發(fā)展的當(dāng)今世界,隨著電子技術(shù)和集成電路技術(shù)的不斷進(jìn)步,半導(dǎo)體工藝的迅猛發(fā)展以及人們對(duì)信息高速化、寬帶化的需求,高速電路設(shè)計(jì)已經(jīng)成為電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。
   如果想設(shè)計(jì)出一款高端產(chǎn)品,就意味著需要不斷地挑戰(zhàn)電子設(shè)計(jì)的各種極限。不論你是PCB工程師、系統(tǒng)工程師,還是芯片設(shè)計(jì)工程師,都面臨著信號(hào)完整性——當(dāng)今高速電子設(shè)計(jì)的一大挑戰(zhàn)。如何設(shè)計(jì)高速接口電路如DDR4、PCI Express、40G比特以太網(wǎng)接口或者SerDes接口?如何在設(shè)計(jì)過(guò)程中得到可預(yù)見(jiàn)的誤碼率和減少電磁干擾和串?dāng)_?如何處理由高速信號(hào)互連線引起的反射、串?dāng)_、開(kāi)關(guān)噪聲等信號(hào)完整性問(wèn)題,確保信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量?這些都不是簡(jiǎn)單的工作。
 
高速設(shè)計(jì)有何特別?
       所謂能力越大,責(zé)任越大。高速設(shè)計(jì)在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域也帶來(lái)了自己獨(dú)特的挑戰(zhàn)。多年來(lái),高頻信號(hào)設(shè)計(jì)部分的增加與電子系統(tǒng)性能的不斷提高緊密相連。隨著系統(tǒng)性能的提高,PCB設(shè)計(jì)師的挑戰(zhàn)開(kāi)始加劇。芯片越來(lái)越小,電路板布局越來(lái)越密集,我們也在不斷尋求提供低功耗的芯片。隨著所有這些技術(shù)的快速發(fā)展,高速設(shè)計(jì)作為高性能產(chǎn)品設(shè)計(jì)的核心,包括其所有的復(fù)雜性和解決方案便應(yīng)運(yùn)而生。

       過(guò)去30年來(lái)PCB設(shè)計(jì)發(fā)生了很大的變化。 1987年,我們認(rèn)為0.5微米技術(shù)是全能的,但是我們發(fā)現(xiàn)22nm技術(shù)是常見(jiàn)的。 1985年推出的在當(dāng)時(shí)代表主流設(shè)計(jì)復(fù)雜度的邊緣速率(通常為30ns)與邊緣速率(1ns)相比簡(jiǎn)直是小巫見(jiàn)大巫,如下圖所示:

     當(dāng)涉及到高速電路設(shè)計(jì)的時(shí)候,電路的布局布線工作將不再是簡(jiǎn)單地快速連線或者為滿(mǎn)足產(chǎn)品的外形尺寸去簡(jiǎn)單的布局。工程師需要事先規(guī)劃每個(gè)處理器、內(nèi)存模塊和連接器的位置,并仔細(xì)確定它們之間的高速互連設(shè)計(jì)。完善的高速設(shè)計(jì)意味著在設(shè)計(jì)之初就制定好電路的約束和規(guī)范。確保電路板上的所有信號(hào)完美地進(jìn)行傳輸,并大限度地降低信號(hào)相互之間的干擾。那么這里就要提到一個(gè)專(zhuān)業(yè)名詞信號(hào)完整性(SI)。SI就是確保瞬時(shí)跳變的數(shù)字信號(hào)通過(guò)較長(zhǎng)的一段傳輸線后,在接收端仍能完整地被正確接收,并保證良好的電磁兼容性。SI主要涉及到延遲、反射、串?dāng)_、時(shí)序、端接策略、電流回路等問(wèn)題。
       信號(hào)完整性問(wèn)題產(chǎn)生的根源:
1、數(shù)字信號(hào)開(kāi)關(guān)速度不斷提高,上升沿變快,造成的信號(hào)反射、過(guò)沖、振鈴和串?dāng)_
2、信號(hào)的幅度不斷降低,信號(hào)/噪聲比越來(lái)越小
3、信號(hào)速度的提高
4、信號(hào)在傳輸線上的傳輸延遲
 
信號(hào)完整性主要問(wèn)題表現(xiàn):
 
1、信號(hào)反射:
      如果一根走線沒(méi)有被正確終結(jié)(終端匹配),那么來(lái)自于驅(qū)動(dòng)端的信號(hào)脈沖在接收端被反射,從而引發(fā)不預(yù)期效應(yīng),使信號(hào)輪廓失真。

 信號(hào)反射產(chǎn)生原因:

1、過(guò)長(zhǎng)的走線

2、 未被匹配終結(jié)的傳輸線

3、 過(guò)量電容或電感,以及阻抗失配

 

 2. 過(guò)沖與下沖

    雖然大多數(shù)元件接收端都有輸入保護(hù)二極管保護(hù), 但有時(shí)這些過(guò)沖電平會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)元件電源電壓范圍,損壞元器件。


 過(guò)沖與下沖產(chǎn)生的原因:

1、過(guò)長(zhǎng)的走線

2、信號(hào)變化太快

 

 

 3. 振鈴(Ringing)

    信號(hào)的振蕩發(fā)生在邏輯電平門(mén)限附近,多次跨越邏輯電平門(mén)限從而導(dǎo)致邏輯功能紊亂。信號(hào)如果在傳輸線上來(lái)回反射,就會(huì)產(chǎn)生振鈴。



 4. 時(shí)鐘偏移(Clock Skew)

    時(shí)鐘偏移(Skew)是指不同的接收設(shè)備接收到同一時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)輸出之間的時(shí)間差。對(duì)于參考時(shí)鐘而言,時(shí)鐘偏移有正延時(shí)和 負(fù)延時(shí)之分。時(shí)鐘偏移可引起有效時(shí)鐘周期的減小。

   產(chǎn)生的原因:

1、 由不同時(shí)鐘路徑的延時(shí)或驅(qū)動(dòng)器件不同驅(qū)動(dòng)門(mén)之間的時(shí)差所造成

2、由于接收端之間的閾值不同、負(fù)載電容不同、信號(hào)質(zhì)量的差異所造成

 

5. 串?dāng)_

    串?dāng)_是指兩個(gè)不同的電性能網(wǎng)絡(luò)之間的相互作用。產(chǎn)生串?dāng)_(crosstalk) 的一方被稱(chēng)作Aggressor,而收到干擾的一方被稱(chēng)作Victim。通常,一個(gè)網(wǎng)絡(luò)既是入侵者,又是受害者。串?dāng)_會(huì)導(dǎo)致誤觸發(fā)。

1、串?dāng)_是由同一個(gè)PCB板上的兩條信號(hào)線之間互容和互感的容性耦合和感性耦合引起線上的噪聲。容性耦合引發(fā)耦合電流,而感性耦合引發(fā)耦合電壓。
2、影響串?dāng)_的因素:PCB板層的參數(shù)(厚度,介電常數(shù))等、信號(hào)線間距、線端接方式等。
3、易產(chǎn)生串?dāng)_的信號(hào):異步信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)
     
       串?dāng)_的解決方法?
      信號(hào)線距離地線越近,線間距越大,產(chǎn)生的串?dāng)_信號(hào)就越小。因此解決串?dāng)_的方法是移開(kāi)發(fā)生串?dāng)_的信號(hào)或屏蔽被嚴(yán)重干擾 的信號(hào)(包地)。
   6. 電磁輻射
     EMI所產(chǎn)生的問(wèn)題包括過(guò)量的電磁輻射及對(duì)電磁輻射的敏感性?xún)蓚€(gè)方面。當(dāng)數(shù)字系統(tǒng)加電運(yùn)行時(shí),會(huì)向周?chē)h(huán)境輻射電磁波, 從而干擾周?chē)h(huán)境中電子設(shè)備的正常工作。
 電磁輻射產(chǎn)生的主要原因:
1、電路頻率太高
2、布局布線不合理,包括特性阻抗控制、線寬控制
高速設(shè)計(jì)的解決方案
    針對(duì)上述高速設(shè)計(jì)中有關(guān)信號(hào)完整性方面常見(jiàn)的問(wèn)題,在進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中都有哪些解決方案?
    PCB分層設(shè)計(jì)
       PCB的疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是進(jìn)行信號(hào)完整性的分析的基礎(chǔ), 建議采用多層設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)的一般原則如下:
1、元件面的下層為地平面,以提供器件屏蔽層和為頂層布線提供參考平面
2、所有信號(hào)層盡可能與地平面相鄰
3、 盡量避免兩信號(hào)層直接相鄰
4、主電源盡量與對(duì)應(yīng)地相鄰
5、兼顧層壓結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)
6、關(guān)鍵信號(hào)與地平面相鄰,不跨分割區(qū)

  如上圖所示,對(duì)于多層板,關(guān)鍵布線層(時(shí)鐘線、總線、接口信號(hào)線、射頻線、復(fù)位信號(hào)線、片選信號(hào)線以及各種控制信號(hào) 線等所在層)應(yīng)與完整地平面相鄰,優(yōu)選兩地平面之間。因?yàn)?,關(guān)鍵信號(hào)線一般都是強(qiáng)輻射或極其敏感的信號(hào)線,靠近地平面布線能夠使其信號(hào)回路面積減小,減小其輻射 強(qiáng)度或提高抗干擾能力。
 
  另外,多層板中,電源平面應(yīng)相對(duì)于其相鄰地平面內(nèi)縮(建議值5H~20H)。 如下圖所示,電源平面相對(duì)于其回流地平面內(nèi)縮可以有效抑制“邊緣輻射”問(wèn)題。


2、PCB布局設(shè)計(jì)
      PCB布局設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)充分遵守沿信號(hào)流向直線放置的設(shè)計(jì)原則,盡量避免來(lái)回環(huán)繞。避免信號(hào)直接耦合,影響信號(hào)質(zhì)量。


  多種模塊電路在同一PCB上放置時(shí),數(shù)字電路與模擬電路、高速與低速電路應(yīng)分開(kāi)布局。避免數(shù)字電路、模擬電路、高速電路以及低速電路之間的互相干擾。

  當(dāng)線路板上同時(shí)存在高、中、低速電路時(shí),應(yīng)該遵從下圖中的布局原則。避免高頻電路噪聲通過(guò)接口向外輻射。

    存在較大電流變化的單元電路或器件(如電源模塊的輸入輸出端、風(fēng)扇及繼電器)附近應(yīng)放 置儲(chǔ)能和高頻濾波電容。儲(chǔ)能電容的存在可以減小大電流回路的回路面積。

    線路板電源輸入口的濾波電路應(yīng)應(yīng)靠近接口放置。避免已經(jīng)經(jīng)過(guò)了濾波的線路被再次耦合。

      
    在PCB板上,接口電路的濾波、防護(hù)以及隔離器件應(yīng)該靠近接口放置??梢杂行У膶?shí)現(xiàn)防護(hù)、濾波和隔離的效果。
 
3、PCB布線設(shè)計(jì)
普通走線要注意的地方
1、PCB走線需要避免直角走線。直角走線導(dǎo)致阻抗不連續(xù),導(dǎo)致信號(hào)發(fā)射,從而產(chǎn)生振鈴或過(guò)沖,形成強(qiáng)烈的EMI輻射。
2、PCB走線特別是時(shí)鐘線與總線的粗細(xì)應(yīng)保持一致。粗細(xì)不一致時(shí),走線阻抗會(huì)發(fā)生突變, 導(dǎo)致如同前頁(yè)中的問(wèn)題。
 
 
3W原則
      為了減少線間串?dāng)_,應(yīng)保證線間距足夠大,當(dāng)線中心間距不少于3倍線寬時(shí),則可保持70%的電場(chǎng)不互相干擾,稱(chēng)為3W規(guī) 則。如要達(dá)到98%的電場(chǎng)不互相干擾,可使用10W的間距。時(shí)鐘、總線、射頻線等關(guān)鍵信號(hào)走線和其他同層平行走線應(yīng)盡量滿(mǎn)足3W原則。避免信號(hào)之間的串?dāng)_。


差分對(duì)布線(Differential Pairs)
    差分信號(hào)就是利用兩根線分別傳輸正信號(hào)和負(fù)信號(hào),接收端根據(jù)兩根線的差值就能判定接收到的比特,差分信號(hào)能夠極大緩解遠(yuǎn)距高速通信的共模信號(hào)偏移問(wèn)題。成對(duì)的布線,信號(hào)相反,由于干擾對(duì)兩根走線影響相同,增強(qiáng)了抗干擾能力。良好的差分對(duì)應(yīng)當(dāng)距離足夠近,并且具有一定的絞合度以抵消空間電(磁)場(chǎng)的影響。所以在布線中盡量保持等長(zhǎng),等寬且緊密靠近。所謂盡量靠近且平行是因?yàn)殚g距會(huì)影響到差分阻抗(differential impedance)的值, 此值是設(shè)計(jì)差分對(duì)的重要參數(shù)。若兩線忽遠(yuǎn)忽近, 差分阻抗就會(huì)不一致, 就會(huì)影響信號(hào)完整性(signal integrity)及時(shí)間延遲(timing delay)。
    在Alitum Designer中,可以在原理圖設(shè)計(jì)階段就定義差分對(duì)信號(hào)。如下圖所示。

From-Tos 布線
   From-To主要是用來(lái)定義多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)上的pin-to-pin管腳之間的布線長(zhǎng)度。通過(guò)這種方式,我們可以控制一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上某個(gè)特定管腳到另一個(gè)特定管腳之間的走線長(zhǎng)度,以及對(duì)應(yīng)的信號(hào)傳輸延遲。這項(xiàng)設(shè)置主要在PCB設(shè)計(jì)中進(jìn)行。
   對(duì)于多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò),我們需要對(duì)每個(gè)重要的驅(qū)動(dòng)端-接收端的管腳對(duì)創(chuàng)建這些From-To對(duì)象。對(duì)于多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中這些驅(qū)動(dòng)端到接收端的多組From-To對(duì)象來(lái)說(shuō),主要的目的是要控制對(duì)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中每組信號(hào)(從驅(qū)動(dòng)端某管腳到接收端另一管腳)的飛行時(shí)間。該飛行時(shí)間是指信號(hào)從驅(qū)動(dòng)端傳輸?shù)浇邮斩?,并達(dá)到一定的電平之間的延時(shí)。和傳輸延遲和上升時(shí)間有關(guān)。這種情況下,需要在每組驅(qū)動(dòng)端到接收端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分段控制(靜態(tài)時(shí)序)。From-To用來(lái)進(jìn)行多節(jié)點(diǎn)分段控制的方法在高速設(shè)計(jì)中,對(duì)保持信號(hào)完整性非常重要。如下圖所示為From-To用于多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中各組信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)序考慮的例子。參考http://publish-it-online.com/publication/?i=49146 第26頁(yè)。


阻抗布線(Impedance control)
    阻抗控制在高速PCB設(shè)計(jì)中是非常重要的。俗話說(shuō)的好,工欲善其事,必先利其器。要想板子利索的跑起來(lái),傳輸線阻抗計(jì)算肯定不能等閑視之。
    在高速設(shè)計(jì)流程里,疊層設(shè)計(jì)和阻抗計(jì)算是必須要認(rèn)真考慮的。基于精確的疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),AItiumDesigner建立了標(biāo)準(zhǔn)的PCB微帶線和帶狀線模型,由此可以通過(guò)設(shè)計(jì)目標(biāo)阻抗來(lái)自動(dòng)控制所需的走線寬度,避免在換層走線時(shí)重新計(jì)算線寬,再人工改變走線寬度的繁瑣。如下圖所示。

    阻抗計(jì)算方法很成熟,除了Altium Designer中內(nèi)置的阻抗計(jì)算功能之外,由于更多高速設(shè)計(jì)特定的要求不同,設(shè)計(jì)師還可以輔助外部的專(zhuān)門(mén)計(jì)算阻抗的軟件來(lái)計(jì)算,并綜合考慮。比如Polar Instruments的SI8000,SI9000,或Freeware的TNT-MMTL都可以。不同的軟件計(jì)算的差別很小。
    阻抗的計(jì)算是相對(duì)比較繁瑣的,但我們可以總結(jié)一些經(jīng)驗(yàn)值幫助提高計(jì)算效率。對(duì)于常用的FR4,50ohm的微帶線,線寬一般等于介質(zhì)厚度的2倍;50ohm的帶狀線,線寬等于兩平面間介質(zhì)總厚度的二分之一,這可以幫我們快速鎖定線寬范圍。
    除了提升計(jì)算效率,我們還要提高計(jì)算精度。因?yàn)樽杩箍刂聘圃彀鍙S的關(guān)系也很大。由于加工工藝不同,材料介電系數(shù)差異等情況,阻抗設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)師與PCB制造板廠共同協(xié)作,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整,才能對(duì)阻抗有一個(gè)理想的控制。
 
長(zhǎng)度調(diào)整走線(Length Tuning)
    匹配走線長(zhǎng)度保證了時(shí)間敏感信號(hào)同時(shí)到達(dá)目標(biāo)引腳。在不違反設(shè)計(jì)規(guī)則的前提下,通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)走線中增加蛇形線等方式,能夠動(dòng)態(tài)優(yōu)化和控制網(wǎng)絡(luò)或差分對(duì)走線長(zhǎng)度。走線長(zhǎng)度調(diào)整一般是為了控制時(shí)序。
     比如等長(zhǎng)線是為了減少信號(hào)相對(duì)延時(shí),常用在高速存儲(chǔ)器的地址和數(shù)據(jù)線上。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō):等長(zhǎng)線的作用,就是讓信號(hào)傳輸?shù)乃俣纫恢?。I2C總線無(wú)需畫(huà)等長(zhǎng)線,雖然I2C信號(hào)與內(nèi)存一樣都是有相對(duì)時(shí)序要求,但由于信號(hào)頻率較低,此時(shí)由導(dǎo)線長(zhǎng)度引起的延時(shí)不足以影響正常時(shí)序,所以無(wú)需等長(zhǎng)。當(dāng)然如果等長(zhǎng)也沒(méi)什么不好的。差分線也一樣,高速信號(hào)要注意等長(zhǎng)。差分線在等長(zhǎng)布線時(shí)要保證2根線等距平行。
    走線長(zhǎng)度調(diào)整有多種應(yīng)用。比如:
    點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)走線長(zhǎng)度調(diào)整。如下圖所示。

    差分對(duì)走線長(zhǎng)度調(diào)整(差分對(duì)內(nèi)部?jī)蓚€(gè)網(wǎng)絡(luò)之間走線等長(zhǎng),以及兩對(duì)差分對(duì)之間走線等長(zhǎng))。如下圖所示。

   

封裝內(nèi)管腳延遲所需要的長(zhǎng)度調(diào)整。 比如大型BGA器件內(nèi)部到器件引腳的信號(hào)走線長(zhǎng)度,通常沒(méi)有進(jìn)行匹配,而且各引腳的信號(hào)走線都不相同。這些芯片內(nèi)部的引腳走線數(shù)據(jù)可以從芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)拿到。而我們這里所講的長(zhǎng)度匹配,就是在芯片外部進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)走線的時(shí)候,進(jìn)行長(zhǎng)度調(diào)整,來(lái)匹配芯片內(nèi)部到引腳的走線部分,進(jìn)行相應(yīng)的延時(shí)補(bǔ)償。如下圖所示。


Xsignal
    在高速布線設(shè)計(jì)時(shí),網(wǎng)絡(luò)的布線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是根據(jù)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的腳對(duì)腳(pin-to-pin)連接方式來(lái)安排的。默認(rèn)情況下網(wǎng)絡(luò)的 pin-to-pin 連接方式是按照最小長(zhǎng)度定義的。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇有多種原因:
1、在高速設(shè)計(jì)中,我們要盡可能地減少信號(hào)的反射現(xiàn)象,所以一般選擇菊花鏈形式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);
2、對(duì)于地網(wǎng)絡(luò),星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以保障所有電流回到一個(gè)共同的公共點(diǎn)。
3、DDR2(某些情況下的DDR3),可采用平衡T(balanced-T)或支路匹配(branch matched)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
4、DDR3和DDR4 中引入了飛越(fly-by)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在fly-by拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下,地址/控制線/時(shí)鐘信號(hào)從一個(gè)SDRAM到下一個(gè)之間依次布線,這種方式可以消除反射干擾。
   
    所以,XSignal實(shí)際上是指設(shè)計(jì)師定義的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)路徑??梢允峭粋€(gè)網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)節(jié)點(diǎn),也可以是相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)之間(由一器件分隔開(kāi)來(lái))的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。一旦節(jié)點(diǎn)對(duì)被確定,即可通過(guò)相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)則來(lái)設(shè)置它們的長(zhǎng)度以及需要匹配的長(zhǎng)度。在信號(hào)長(zhǎng)度規(guī)則中使用 XSignal (pin pairing) ,實(shí)現(xiàn)每個(gè)支路不同的延時(shí)補(bǔ)償。


    如上圖所示,Altium Designer可以自動(dòng)根據(jù)XSignal Wizard簡(jiǎn)單快捷地生成XSignal,并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的規(guī)則設(shè)置來(lái)進(jìn)行高速布線。