汽车音响导航系统中DDR高速信号的PCB设计

        在以往汽车音响的系统设计当中， 一块PCB上的最高时钟频率在30~50MHz已经算是很高了，而现在多数PCB的时钟频率超过100MHz,有的甚至达到了GHz数量级。为此，传统的以网表驱动的串行式设计方法已经不能满足今天的设计要求， 现在必须采用更新的设计理念和设计方法，即将以网表驱动的串行的设计过程， 改变成将整个设计各环节并行考虑的一个并行过程。也就是说将以往只在PCB布局、布线阶段才考虑的设计要求和约束条件， 改在原理图设计阶段就给予足够的关注和评估，在设计初期就开始分析关键器件的选择，构想关键网线的拓扑结构， 端接匹配网络的设定， 以及在布线开始前就充分考虑PCB的叠层结构，减免信号间的串扰方法，保证电源完整性和时序等因素。

　　本文主要介绍在汽车音响导航系统中使用的高速DDR200,在兼顾高速电路的基本理论和专业化设计经验的指导下， 保证信号完整性的PCB设计方法。

　　1 什么是DDR 及其基本工作原理

　　DDR SDRAM, 习惯称为DDR.DDR SDRAM即双倍速率同步动态随机存储器。

　　DDR内存是在SDRAM 内存基础上发展而来的。SDRAM在一个时钟周期内只传输一次数据， 它是在时钟的上升期进行数据传输;而DDR内存则是一个时钟周期内传输两次数据， 它能够在时钟的上升期和下降期各传输一次数据，因此称为双倍速率同步动态随机存储器。DDR内存可以在与SDRAM相同的总线频率下达到双倍的数据传输率。

　　如下图1和图2所示，DDR SDRAM相对SDRAM多了两个信号： CLK# 与DQS。

　　

 

　　CLK# 与正常CLK时钟相位相反， 形成差分时钟信号。而数据的传输在CLK与CLK# 的交叉点进行， 即在CLK的上升与下降沿(此时正好是CLK#的上升沿)都有数据被触发，从而实现双倍速率传输。

　　DQS(DQ STrobe、数据选取脉冲)是DDRSDRAM中的重要功能， 主要用来在一个时钟周期内准确的区分出每个传输周期，并在接收端使用DQS来读出相应的数据DQ。

　　DQS在上升沿和下降沿都有效，与数据信号同时生成。DQS和DQ都是三态信号双向传输。在读操作时，DQS信号的边沿在时序上与DQ 的信号边沿处对齐， 而写操作时，DQS信号的边沿在时序上与DQ信号的中心处对齐。

　　下面以图1-DDR SDRAM读操作时序图为例，说明DQS的控制原理：

　　①在没有数据输出的状态时，DQS处于高阻抗水平。

　　② 接到READ指令后，DQS信号变为低阻抗， 并较数据输出时间提前一个周期。

　　③ D Q S 信号在CLK与CLK# 的交叉点与数据信号同时生成，频率与CLK相同。

　　④DQS信号持续到读脉冲突发完了为止， 完了后再度恢复到高阻抗水平。

　　2 基本规格

　　DDR SDRAM的基本规格(表1)。

　　表1 DDR SDRAM的基本规格

　　

 

　　3 DDR200 的PCB 设计方法

　　下面以汽车音响导航系统中使用的DDR200为例，从PCB叠层结构的选择、布线拓扑结构、串扰、电源完整性和时序等方面考虑的PCB设计方法。

　　3.1 PCB叠层结构的选择

　　线路板的叠层结构直接决定了信号在各导体层的传输速度及延迟时间。根据电路构成及结构限制，结合高速信号及电源的返回路径等EMI要求，在设计初期确定好叠层结构以及重要信号的布线层是十分重要的。本例的叠层结构及重要信号的布线层如图3 所示。

　　

 

　　根据板材不同， 导体铜厚， 各绝缘层厚及介电常数等也会有差异，导致高速信号传输线的特性阻抗Zo及传输延时Tpd的不同。

　　板材中绝缘介质的介电常数εr=4.0,绝缘层厚PP1=60μm,PP2=200μm,PP3=800μm,导体铜厚35μm,且线宽W=100μm时，信号在表层(L1、L6)的传输延时Tpd≒140ps,特性阻抗Zo≒56Ω，在内层L3布线的传输延时Tpd≒170ps,特性阻抗Zo≒84Ω。