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PCB 模塊化布局---存儲器設計小結

2015-04-16
關鍵詞: PCB Flash SDRAM DDR2

存儲器,也稱之為內存,其分類關系如下圖:

圖片1.png

PCB 設計的過程中,關注的是它們存取數據的速率,這個速率關系的細節的處理。

如,速率高的內存顆粒,PCB 設計時為了減小串擾,盡量拉大信號線的間距;同時,由于

速率不同,控制蛇形線的誤差范圍也不一樣;

下文結合FLASHSDRAMDDR2 來介紹布局布線設計要點。這里先概述一下布局和

布線。

布局:內存中的數據是用來被控制器(CPU,如DSP、MCU、ARM、FPGA 等)讀寫的,

因此需要結合PCB 單板尺寸、器件密度、走線密度情況,選擇合適的位置擺放;至于那些

去耦電容、儲能電容時必不可少的,怎么擺放,就不再贅述。如果還有匹配電阻如串阻、上

下拉,結合它們的作用來擺放。

布線:首先要對信號線分類,然后然后分好組,處理這兩步后,后續的走線、繞等長等,

同一組的按統一標準處理就行了。在這里將信號線分為三類:數據信號、地址信號、控制信

號。對于PCB 設計工程師,首先要培養出在原理圖中識別信號種類的能力,然后能夠在PCB

中能把分類的信號線進行分組。通俗的分組方法:數據組和地址組。

數據組:在這里舉例說明一下,如果有一片只有8 位的SRAM,自然分成一組。如果

是一顆16 為的DDR2,數據組可以分成高低各8 為的兩組。小組成員自然是數據信號線,

可能會有其他信號線,如DDR2 的一組信號線中,要包含相應的數據掩碼信號和數據鎖存

信號。

地址組:包含地址信號線和控制信號線,時鐘信號也屬于地址組。

上面說過同一組的按統一標準處理,主要指以下兩點:

a. 同一組盡量走在同一層;

b. 同一組在控制等長時標準一樣,可以和其他組不一樣,這算是自治;當然也不能太離譜,

不能出現一個地球標準、一個火星標準;

接下來結合具體設計來講解。

FLASH 設計

Flash 的速率一般比較低,因此在布局和布線方面放的比較寬松。首先分析原理圖,如

下圖,分清數據類型:

圖片2.png

從圖中示例,Flash 的電源和地管腳很好識別;經判斷DQxx 為數據信號;Axx 為地址

信號;其他判定控制信號:這樣分析后,就可以在allegro 的規則管理器中對數據分組了。

如下圖:

圖片3.png

這里沒有將數據再分成低8 位和高8 位,因為我評估過,分成一組,我這邊也有空間走

線和繞等長。因此,在設置時要靈活把握。

Flash 布局:不再詳述,看完后文,應該會找到門路。在此強調一點:擺放時,盡量留

足空間扇孔、扇線和繞等長;

Flash 布線:注意一下三點:

a. Flash 信號線需要控制阻抗,阻抗為50Ω;

b. 如果空間允許,信號線間距為3W;

c. 等長控制范圍:±200mil;

設計實例如下圖:

圖片4.png

SDRAM 設計

前期思路和Flash 設計的思路一致,例如下圖所示原理圖:

圖片5.png

從上圖中,信號的定義很清楚,Flash 設計中也講過,不再贅述。需要注意的是兩個信

號:DQML 和DQMH,這兩個信號是數據信號的掩碼信號,分別屬于低8 位和高8 位。因

此在分組時,分別把它們添加到低8 位組和高8 位組。這樣每個數據小組將有9 根信號線。

就這么升級下去,到DDR 還會加信號,每小組有10 位了;再升級到DDR2,甚至有一

對差分要加入數據小組。因此,在設計時,從原理圖中預演分類和分組時很必要,這個能力

一定要習得。

SDRAM 布局:盡量使信號線不要太長,潛臺詞---靠近控制器(xxx)放置;

對于1 片SDRAM,采用“點對點”拓撲,如下圖:

圖片6.png

至于兩片的拓撲,可以看下文DDR2 設計的布局,布局要靈活,最好能舉一反三。

SDRAM 布線:

a. 分組:根據前面介紹的數據分類,數據組可分為低8 位和高8 位兩組:

低8 位:(BUS 名稱可自定義一個有意義的名稱):D0~D7、DQML,共9 根信號線;

高8 位:D8~D15、DQMH,共9 根信號線;

注:有時候網絡名稱可能不這么命名,也要能夠識別出來;

地址和控制信號分成一組;

b. 信號線控制阻抗為50Ω,保持有完整的參考平面;

c. 拉大信號線間距,保持3W 間距;

d. 等長控制:參照時鐘等長;

e. 等長誤差控制范圍:數據組:±50mil;地址組:±100mil;

f. 在信號層換層的附近添加一些回流地過孔;

DDR2 設計

這里跳過了DDR 而直接介紹DDR2,在正式開始前,先大致說明一下DDR。

DDR 可以看作是SDRAM 的升級,相比較下,數據線分組分別出現了低8 位鎖存信號

(LDQS)和高8 位鎖存信號( UDQS),此時每個小組有10 根信號線了;而地址、控制、

時鐘仍為一組,DDR 管腳如下示例:

圖片7.png

而DDR2 是DDR 的升級,數據交換速率升高了;同時在管腳方面也有一些變化:DDR

的單端信號鎖存信號變成了一對差分信號,這樣一來,數據小組每組有11 根信號線。

另外一個變化就是工作電壓的變化,通常FLASH 為3.3V、SDRAM/DDR 為2.5V, DDR2

為1.8V,到后面的DDR3 變為1.5V,因為較低的電壓可以帶來電平更快的翻轉。

DDR2 的布線

和SDRAM 的要求類似;也有一些變化:

a. 由于有了差分信號線,差分信號阻抗控制為100Ω;

b. 差分需要做對內等長,誤差控制在5mil;

c. 等長誤差控制范圍要求更高:數據線:±20mil;地址±50mil;

d. 請注意VREF 電源,這個走線要求加粗15~30mil;濾波電容靠近DDR 管腳放置;

DDR2 的布局

前面分別介紹了FLASH 和SDRAM 的布局,僅為1 顆的情況下采用點對點的布局。在

存在多顆時,布局也比較固定。(布局時,器件間距控制,布局者自己把握)

2 顆內存顆粒,有兩種方式:關于控制器對稱放置和頂底對貼放置:如下圖實例:

圖片8.png

這種布局,地址信號的拓撲結構,我們通常稱為遠端分支,也叫做”T” 型拓撲,地址信

號先接到正中間,然后分到兩邊的DDR,正中間的VIA 稱之為T 點;

當空間比較有限時候,采用頂底對貼的布局方式,地址部分依然可以采用上圖中的扇孔

方式,而數據部分的扇孔就比較麻煩了,需要手動調整。如下圖示例:

圖片9.png

從上圖示例中可以看出:地址仍采用中間扇孔、數據需要手動扇孔,由于頂底對貼了

DDR,去耦電容只能擺放在四周了。

當有4 顆DDR 時,布局思路同兩顆類似:空間足夠,放在同一面,此時注意T 點的位置;空間比較有限時,先兩兩對貼,然后再采用T 型拓撲;其拓撲分別如下圖:

圖片10.png

還有一種拓撲形式:菊花鏈,通常在DDR3 的布局中比較多的采用;還有一種菊花鏈

的形式:控制器驅動多路負載,如CPU 后掛的有SDRAM,同時夜游FLASH,這時候采用

菊花鏈拓撲:CPU---SDRAM---FLASH,優先保證速率高的信號拓撲。

關于DDR 布局,還有很多衍生的布局,如5 顆DDR2,其中有一顆是糾錯用的,通常

放在中間,它的地址線在做等長時,不再和其他4 顆放在一起了,其他4 顆內存也能形成比

較完美的T 型拓撲。

總而言之,基礎就是這些東西,關鍵是能夠理解它,這樣就可以靈活發揮了。


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