PCB設計中高速背板設計過程

在“幾大高速中的隱形殺手”中提到了“高速背板與高速背板”，那么高速背板是如何設計出來的，從頭到尾會有哪些設計步驟，每個環節有哪些要點呢?本期案例分享做下概要的梳理。

高速背板設計流程

完整的高速背板設計流程，除了遵循IPD(產品集成開發)流程外，有一定的特殊性，區別于普通的硬件PCB模塊開發流程，主要是因為背板與產品硬件架構強相關，除了與系統內的各個硬件模塊都存在信號接口外，與整機機框結構設計也是關系緊密。

高速背板的設計流程主要包括以下設計環節：

高速背板設計流程各環節關鍵內容

關鍵技術論證

高速背板的設計除了關注背板PCBA設計要素以外，需要關注整個系統高速信號互連鏈路的設計，典型的高速信號鏈路參考下圖：

因此需要前期做好充分技術論證，主要包括：

①芯片SerDes選型及高速信號驅動能力驗證(仿真分析也可以提供參考結論，但是如果芯片SerDes有Demo板可供測試、那么更推薦測試驗證)

②高速連接器的選型與驗證(重點關注連接器的時域、頻域指標，能否滿足產品系統最高速信號傳輸的性能要求，一般通過設計“連接器SI測試板”的方式)

③PCB板材的選型(系統鏈路中包括兩側子卡的PCB走線及背板PCB走線，PCB板材性能直接影響鏈路損耗，需要確定合適規格的Low Dk/Df板材)

硬件架構設計

①系統各個單板模塊的功能與數量

系統的整體數據交換容量決定了系統內業務子卡的單槽位數據容量及業務子卡的數量;

系統內其它子卡的數量，如核心交換子卡的數量、主控子卡的數量，整機電源模塊/風扇控制模塊的數量等。

②各個模塊與背板連接的接口連接器具體型號與數量

根據信號數量的多少，決定各模塊接口連接器的具體選型

③與整機機框設計相關的架構設計

子卡槽位間距、子卡結構導向設計方案、系統電源總功耗、系統散熱風道設計等

總體設計方案

將前期關鍵技術論證及硬件架構設計確定的設計實現方案形成背板總體設計方案文檔，同時做高速信號鏈路的前仿真分析

PINMAP設計

此階段已經進入背板的詳細設計實現階段，由于背板在產品系統中與各個硬件功能子模塊都存在信號接口，因此需要把所有接口信號在接口連接器上的定義方式做出明確的定義，類似于芯片管腳的PINMAP，背板PINMAP設計一方面需要重點關注高速接口信號的串擾控制(例如：信號間需要間隔1個GND信號還是2個GND信號);另一方面需要關注PCB Layout設計的可實現性(通常需要背板PCB布線是通順的、高速背板層數通常比較高，如果信號定義扭曲會造成PCB設計層數成倍增加)。

原理圖設計

背板的原理圖設計相對簡單，可以通過自行開發的軟件工具腳本，將PINMAP直接轉化為原理圖。

PCB設計

前期設計工作做得到位，背板PCB設計實現通常沒有太多難度，按照既定的布線規則進行連通即可，重點是系統電源的供電通流能力保障。

UT測試

背板UT單元測試，重點關注背板高速信號通道的SI性能，這時可能會用到連接器測試板做測試輔助。

系統集成測試

系統集成測試的過程會較長，因為背板本身與各個硬件子模塊都有接口，不同排列組合下的測試場景會比較多，例如：交換子卡與業務子卡的通訊、主控子卡與業務子卡的通訊、主控子卡與整機子模塊的通訊等等。

產品整機的測試，如：高低溫、溫度循環、可靠性等測試，也需要背板開發設計人員共同參與定位產品測試問題。