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DDR的布線問題討論

電子工程師 ? 來源:工程師曾玲 ? 2019-06-08 14:35 ? 次閱讀

在現代高速數字電路的設計過程中,工程師總是不可避免的會與DDR或者DDR2,SDRAM打交道。DDR的工作頻率很高,因此,DDR的布線(或者Layout)也就成為了一個十分關鍵的問題,很多時候,DDR的布線直接影響著信號完整性。下面本文針對DDR的布線問題(Layout)進行討論。

信號引腳說明

VSS為數字地,VSSQ為信號地,若無特別說明,兩者是等效的。VDD為器件內核供電,VDDDQ為器件的DQ和I/O供電,若無特別說明,兩者是等效的。

對于DRAM來說,定義信號組如下:

數字信號組DQ,DQS,xDM,其中每個字節又是內部的一個信道Lane組,如DQ0~DQ7,DQS,LDM為一個信號組。

地址信號組:ADDRESS

命令信號組:CAS#,RAS#,WE#

控制信號組:CS#,CKE

時鐘信號組:CK,CK#

印制電路板疊層,PCB Stackups

推薦使用6層電路板,分布如下:

DDR的布線問題討論

電路板的阻抗控制在50~60ohm

印制電路板的厚度選擇為1.57mm(62mil)

填充材料Prepreg厚度可變化范圍是4~6mil

電路板的填充材料的介電常數一般變化范圍是3.6~4.5,它的數值隨著頻率,溫度等因素變化。FR-4就是一種典型的介電材料,在100MHz時的平均介電常數為4.2。推薦使用FR-4作為PCB的填充材料,因為它便宜,更低的吸濕性能,更低的電導性。

一般來說,DQ,DQS和時鐘信號線選擇VSS作為參考平面,因為VSS比較穩定,不易受到干擾,地址/命令/控制信號線選擇VDD作為參考平面,因為這些信號線本身就含有噪聲。

電路板的可擴展性

根據JEDEC標準,不同容量的內存芯片一般引腳兼容,為了實現電路板的可擴展性,可以做如下處理,如128Mb與256Mb的兼容應用。

DDR的布線問題討論

未用的DQ引腳

對于x16的DDR器件來說,未用的引腳要作一定的處理。例如x16的DDR來說,DQ15:DQ8未用,則處理如下,將相關的UDM/DQMH拉高用來屏蔽DQ線,DQ15:DQ8通過1~10k的電阻接地用來阻止迸發寫時的噪聲。

端接技術

串行端接,主要應用在負載DDR器件不大于4個的情況下。

對于雙向I/O信號來說,例如DQ,串行端接電阻Rs放置在走線的中間,用來抑制振鈴,過沖和下沖。

對于單向的信號來說,例如地址線,控制線,串行端接電阻放置在走線中間或者是信號的發送端,推薦放置在信號的發送端。

DDR的布線問題討論

說明:DDR的CK與CK# 是差分信號,要用差分端接技術。

并行端接,主要應用在負載SDRAM器件大于4個,走線長度>2inch,或者通過仿真驗證需要并行端接的情況下。

并行端接電阻Rt取值大約為2Rs,Rs的取值范圍是10~33ohm,故Rt的取值范圍為22~66ohm。

DDR的布線問題討論

如果有必要的話,所有DDR的數據,地址,命令,控制線都是SSTL_2接口,要使用single-ended Parallel Termination,如上圖。CKE也可以使用這種端接。

導線寬度和間距:

導線間距和導線寬度S1,S2,S3的定義如下:

S1表示同一信號組內兩相鄰導線之間的間距

S2表示不同信號組之間兩相鄰導線之間的間距

S3表示導線的寬度

DDR的布線問題討論

導線寬度選擇為:

DDR的布線問題討論

導線間距選擇:

DDR的布線問題討論

幾點說明:

DQS一般布線的位置是數據信號組內同一信號組中DQ走線的中間,因此DQS與DQS之間的間距一般不提

DQS與時鐘信號線不相鄰

為了避免串擾,數據信號組與地址/命令/控制信號組之間的走線間距至少20mil,建議它們在不同的信號層走線

時鐘信號組走線盡量在內層,用來抑制EMI

導線走線長度

所有DDR的差分時鐘線CK與CK#必須在同一層布線,誤差+-20mil,最好在內層布線以抑制EMI。如果系統有多個DDR器件的話,要用阻值100~200ohm的電阻進行差分端接。

(1) 若時鐘線的分叉點到DDR器件的走線長度<1000mil,要使用100~120ohm的差分端接,如下圖:

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(2) 若時鐘線的分叉點到DDR器件的走線長度>1000mil,要使用200~240ohm的電阻差分端接,因為兩個200~240ohm的電阻并聯值正好為100~120ohm。如下圖所示。

DDR的布線問題討論

數據信號組的走線長度與時鐘信號線的誤差為+-500mil,組內同一信道的信號線走線誤差為+-50mil,從而可以得到,組內不同信道的走線誤差為+-1000mil,相同信道的DQS一般走線在DQ中間

地址線/命令/控制信號線與時鐘信號走線的誤差為+-400mil,組內走線誤差為+-50mil

所有信號的走線長度控制在2inch(5cm)最好

去耦電容

推薦使用低ESL(2nH)的電容,大小在0.01uF~0.22uF,其中0.01uF針對高頻,0.22uF針對低頻

建議使用鉭電容。相對于電解電容來說,雖然它比較貴,但它具有較好的穩定性,較長的使用周期。一般電解電容隨著使用時間的加長,性能下降較多

參考電壓

對于較輕的負載(<4DDR器件),可使用下圖的方法:

DDR的布線問題討論

對于較重的負載(>4 DDR器件),可使用IC來產生VREF。IC內部集成了兩種電壓VTT和VREF,其中VTT在重負載的情況下最高電流可達3.5A,平均電流為0A,VREF的電流比較小,一般只有3mA左右。

DDR的布線問題討論

VREF走線控制

具體如下圖所示:

DDR的布線問題討論

DDR的VTT設計

當數據線地址線負載較重時,VTT的暫態電流峰值可達到3.5A左右,這種暫態電流的平均值為0A。一些情況下不需要VTT技術(并行端接)。

系統中有2個或更少的DDR

總線上需要的電流不是很高,中等左右

通過仿真驗證不需要

VTT電壓的產生一般用IC,廠商包括:Intersilm Philips, Semiconductors, Fairchild, National, TI等等。

選用了IC實現VTT,推薦使用下面的原則:

VTT用Rt端接地址/控制/命令信號線,端接數據信號組VTT=VDDQ/2

VTT并不端接時鐘信號線,時鐘信號線使用前面說的差分端接技術

VTT與VREF走線/平面在同一層,必須具有150mil的距離,推薦它們在不同層

VTT走線/平面需要至少2個4~7uF的解耦電容,2個100uF的電容。具體放置位置是VTT的兩個端點(at each end)

VTT表面走線寬度至少150mil,推薦250mil

上電時序:VTT開始上電必須在VDDQ之后,避免器件latch-up,推薦VTT和VREF同時上電

如果走線要分支的話,建議使用T型分支。具體見下圖

DDR的布線問題討論

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