汽車音響導航系統高速DDR200 PCB的信號完整性設計

在以往汽車音響的系統設計當中， 一塊PCB上的最高時鐘頻率在30~50MHz已經算是很高了，而現在多數PCB的時鐘頻率超過100MHz,有的甚至達到了GHz數量級。為此，傳統的以網表驅動的串行式設計方法已經不能滿足今天的設計要求，現在必須采用更新的設計理念和設計方法，即將以網表驅動的串行的設計過程， 改變成將整個設計各環節并行考慮的一個并行過程。也就是說將以往只在PCB布局、布線階段才考慮的設計要求和約束條件， 改在原理圖設計階段就給予足夠的關注和評估，在設計初期就開始分析關鍵器件的選擇，構想關鍵網線的拓撲結構，端接匹配網絡的設定， 以及在布線開始前就充分考慮PCB的疊層結構，減免信號間的串擾方法，保證電源完整性和時序等因素。

本文主要介紹在汽車音響導航系統中使用的高速DDR200,在兼顧高速電路的基本理論和專業化設計經驗的指導下， 保證信號完整性的PCB設計方法。

1 什么是DDR 及其基本工作原理

DDR SDRAM, 習慣稱為DDR.DDR SDRAM即雙倍速率同步動態隨機存儲器。

DDR內存是在SDRAM 內存基礎上發展而來的。SDRAM在一個時鐘周期內只傳輸一次數據， 它是在時鐘的上升期進行數據傳輸;而DDR內存則是一個時鐘周期內傳輸兩次數據， 它能夠在時鐘的上升期和下降期各傳輸一次數據，因此稱為雙倍速率同步動態隨機存儲器。DDR內存可以在與SDRAM相同的總線頻率下達到雙倍的數據傳輸率。

如下圖1和圖2所示，DDR SDRAM相對SDRAM多了兩個信號： CLK# 與DQS。

CLK# 與正常CLK時鐘相位相反， 形成差分時鐘信號。而數據的傳輸在CLK與CLK# 的交叉點進行， 即在CLK的上升與下降沿(此時正好是CLK#的上升沿)都有數據被觸發，從而實現雙倍速率傳輸。

DQS(DQ STrobe、數據選取脈沖)是DDRSDRAM中的重要功能， 主要用來在一個時鐘周期內準確的區分出每個傳輸周期，并在接收端使用DQS來讀出相應的數據DQ。

DQS在上升沿和下降沿都有效，與數據信號同時生成。DQS和DQ都是三態信號雙向傳輸。在讀操作時，DQS信號的邊沿在時序上與DQ 的信號邊沿處對齊， 而寫操作時，DQS信號的邊沿在時序上與DQ信號的中心處對齊。

下面以圖1-DDR SDRAM讀操作時序圖為例，說明DQS的控制原理：

①在沒有數據輸出的狀態時，DQS處于高阻抗水平。

② 接到READ指令后，DQS信號變為低阻抗， 并較數據輸出時間提前一個周期。

③ D Q S 信號在CLK與CLK# 的交叉點與數據信號同時生成，頻率與CLK相同。

④DQS信號持續到讀脈沖突發完了為止，完了后再度恢復到高阻抗水平。

2 基本規格

DDR SDRAM的基本規格(表1)。

表1 DDR SDRAM的基本規格

3 DDR200 的PCB 設計方法

下面以汽車音響導航系統中使用的DDR200為例，從PCB疊層結構的選擇、布線拓撲結構、串擾、電源完整性和時序等方面考慮的PCB設計方法。

3.1 PCB疊層結構的選擇

線路板的疊層結構直接決定了信號在各導體層的傳輸速度及延遲時間。根據電路構成及結構限制，結合高速信號及電源的返回路徑等EMI要求，在設計初期確定好疊層結構以及重要信號的布線層是十分重要的。本例的疊層結構及重要信號的布線層如圖3 所示。

根據板材不同， 導體銅厚， 各絕緣層厚及介電常數等也會有差異，導致高速信號傳輸線的特性阻抗Zo及傳輸延時Tpd的不同。

板材中絕緣介質的介電常數εr=4.0,絕緣層厚PP1=60μm,PP2=200μm,PP3=800μm,導體銅厚35μm,且線寬W=100μm時，信號在表層(L1、L6)的傳輸延時Tpd≒140ps,特性阻抗Zo≒56Ω，在內層L3布線的傳輸延時Tpd≒170ps,特性阻抗Zo≒84Ω。

3.2 DDR SDRAM信號的布線標準

為控制傳輸線的阻抗及延時等的影響， 要先確定以下的布線設計標準：

*高速信號線條寬度，以保證傳輸線特性阻抗值：差分信號Zo 100Ω，其他信號Zo≒50Ω。

*為減少傳輸線間的串擾，確定最小間距值。實際布線時要盡可能加大間距。

*可用過孔的孔直徑及過孔焊盤直徑：

①Build-up積層激光沖壓孔②內層盲埋孔(L2到L5使用)③通孔(L1到L6用)④各種過孔焊盤間最小間距。

3.3 DDR SDRAM器件的布局結構圖

DDR的數據傳送通常是一個發射端對應多個接收端的結構， 為實現數據的同步傳送，延遲時間的控制尤為重要。在構建器件Layout的時候重點考慮傳輸線分歧節點的選定，各段傳輸長度相等等要求。如圖4,將DDR相關電路中的元器件都放在同一個面上， 并通過 星型及Y 型拓撲結構實現CLK、Data數據組，及Address/Command等各數據組之間的等長布線控制。

3.4 高頻信號的布線優先順序

依照設計要求的嚴格程度從最重要的信號線開始布起，順序為：

CLK→Data→Address/Command

3.5 CLK差分信號的布線方法

針對DDR200中使用的CLK差分信號，布線拓撲圖如圖5 .布線注意點如下：

①差分阻抗要實現100Ω。

② 差分對CLK與CLK# 要等長布線，但總長度不要過長。

即CLK( A - B - C 1 - D 1 ) = CLK( A - B -C1-D2)= CLK( A - B - C 2 - D 3 ) = CLK( A - B -C2-D4)3.6 DATA組的布線方法。

如圖6, 標明了DATA組所選的布線拓撲圖。布線注意點如下：

① 所有D A T A 信號從N A V I - C P U出發到每個D R A M 的長度都要相等( 即A - B - C段)。

②等長布線的誤差可以按同一Bit列及各組Bit間的誤差來控制，如表2。

表2

3.7 Address/Command的布線方法

如圖7,標明了Address/Command組所選的布線拓撲圖。布線注意點如下：

① 總布線長( A - B - C - D ) 等長， 且與CLK間的長度誤差控制在一定范圍內。

②D段(D1,D2,D3,D4)的布線要等長。

3.8 等長布線的設計方法

為實現DATA組、Address/Command組等網線的等長控制，可以采用曲線(或稱矩形線)的布線方法。但若曲線的長度過長或曲線間寬度DM過短，會因為電磁場間的耦合導致信號的傳輸延遲短于預想時間，過早被傳送到接收端，造成信號傳輸不等時的現象。

3.9 電源與地的布線方法

DDR200所使用的電源有2.5V、3.3V、Vref、Vtt等。布線注意點如下：

①Vref作為輸入Buffer用的基準電壓，要避免混入其他信號的噪音。布線時要同時注意同層信號間的耦合及相鄰上下層間的耦合問題。還要避免跟Vtt(終端電壓)的互相干擾。尤其在本例的疊層結構中，要注意與第3層CLK線的層間耦合影響。

②為降低Vtt的走線阻抗，盡可能增加布線寬度，推薦鋪電源面。

4 結語

本文在DDR200工作原理的基礎上介紹了實現設備高性能的PCB設計方法。如今數字電路已經出現了更高速的DDR2 及DDR3,希望本文的設計思路及高速信號的布線方法能對大家的設計有所幫助。