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硬件开发

DSP系统PCB板设计


高速DSP系统的PCB板设计研究

随着微电子技术的高速发展,由IC芯片构成的数字电子系统朝着规模大、体积小、速度快的方向飞速发展,而且发展速度越来越快。新器件的应用导致现代EDA设计的电路布局密度大,而且信号的频率也很高,随着高速器件的使用,高速DSP(数字信号处理)系统设计会越来越多,处理高速DSP应用系统中的信号完整性问题成为设计的重要问题,在这种设计中,其特点是系统数据速率、时钟速率和电路密集度都在不断增加,其PCB印制板的设计表现出与低速设计截然不同的行为特点,即出现信号完整性问题、干扰加重问题、电磁兼容性问题等等。这些问题能导致或者直接带来信号失真、定时错误、不正确数据、地址和控制线以及系统错误甚至系统崩溃,解决不好会严重影响系统性能,并带来不可估量的损失。因此,PCB印制板的设计质量相当重要。

一、高速DSP系统的的PCB设计

本PCB板是应用于实时图像信号检测的高速DSP图像处理板,所用的DSP芯片为TMS320DM642,主频速度高达600MHz,片外数据总线速度也在100MHz以上,而芯片封装采用BGA形式,管脚数高达548个。此外,DSP系统还要和视频A/D转换器件一起进行混合设计,这些对电路板的设计都提出了很高的要求。如果不采用多层板,根本就不可能布线成功。本系统采用了六层布线方案,其中一层为专门电源层,一层为专门地层,四层为信号层。无论是大面积地还是地网,其效果都不如专门的地层;而且在布线时,采用地层可以省去大量器件管脚接地的工作量。但应注意的是,通孔焊盘和过孔会将地层打断,特别是当焊盘和过孔很密时,地层可能产生畸变毛刺等,在布孔布线时应充分考虑到这一点。开发出来的PCB板为6层板,其中1层地和1层电源,4层信号。为了调试方便,在PCB板上增加了信号测试点。

1.1PCB布局设计

在设计中,布局是一个重要的环节。布局结果的好坏将直接影响布线的效果,因此可以这样认为,合理的布局是PCB设计成功的第一步。本系统采用PROTELDXP进行PCB板设计,主要器件有DSP芯片、SDRAM、FLASH、A/D、D/A转换芯片及一些周边器件。其中DSP的工作频率是150MHz,外设器件工作频率为100MHz。其中DSP与SDRAM之间是高速接口,对它们的处理是保证整个电路信号完整性的关键。在这种高频率下,必须对电路进行信号完整性分析,合理进行电路布局、信号布线,尽力使信号传输效果达到最优。首先,要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大时,印制线条长,阻抗增加,抗噪声能力下降,成本也增加;过小,则散热不好,且邻近线条易受干扰。再结合总系统的结构,本PCB尺寸设为278mm×97mm。在确定PCB尺寸后,再确定特殊元件的位置。最后,根据电路的功能单元,对电路的全部元器件进行布局。根据电路的功能单元,对电路的全部元器件进行布局时,要符合以下原则:

(1)按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置,使布局便于信号流通,并使信号尽可能保持一致的方向。(2)以每个功能电路的核心元件为中心,围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上,尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。(3)在高频下工作的电路,要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样,不但美观,而且装焊容易,易于批量生产。(4)位于电路板边缘的元器件,离电路板边缘一般不小于2mm。电路板的最佳形状为矩形,长宽比为3∶2成4∶3。电路板面尺寸大于200mm×150mm时,应考虑电路板受力时的机械强度。

1.2电源线设计

高速板设计首先需要考虑的是电源网络的分布,我们的目的是尽可能减少电源分布网络的阻抗。设计高速PCB板的关键之一就是要尽可能地减小由于线路阻抗引起的压降和高频电磁场转换而引入的各种噪声。电源分配常用的两种方式是:总线方式(powerbuses)和电源层方式(powerplanes)。

总线方式的电源系统是由电子系统需要的各种电压的电源传输线组成的。如果是电源总线方式提供电源,电源总线与信号总线共享一层。总线必须给所有的器件提供电源,同时信号线之间要有一定的空间。因此,总线将成为细长而狭窄的带状线。这带来较小的横截面,从而产生一个小的电阻。虽然电阻小,但不能忽视。

电源层是由整个层(或一层的部分)覆盖金属而成,每种电压需要独立的层。金属间的间隙是在各管脚和信号线之中。由于电源层填充了整个层,只有尺寸上面积的约束,在相同数量器件的板上,电源层的电阻仅仅是电源总线所提供的一个很小的分数。因此,电源层对所有的器件能提供更完整的电流。在总线上,电流被总线的路径所约束,高速器件产生的任何在线噪声会沿着总线作用到别的器件上。在电源层上,因为电流路径不被约束,电流噪声很分散。因此,电源层比电源总线更干净。本系统采用的是电源层布线方案,由于所采用的电源种类比较多,有5V,1.4V,3.3V共3种电源,其中3.3V又由于器件不同分成了几部分。因此,需要在电源层上切割成不同的部分,而且区域之间的间隔宽度也应该尽量设置大一点,以防止电平扰动。对地线来说,整个PCB对外界只有一个结点,所以必须在PCB内部进行处理数、模共地的问题,而在板内部数字地和模拟地,实际上是分开的,它们之间互不相连,只是在PCB与外界连接的接口处(如插头等)相连。模拟地线、数字地线等接往公共地线时要用高频扼流环节。在实际装配高频扼流环节时,用的往往是中心孔穿有导线的高频铁氧体磁珠,在电路原理图上对它一般不予表达,由此形成的网络表就不包含这类元件,布线时就会因此而忽赂它的存在。因此,可在原理图中把它当做电感,在PCB元件库中单独为它定义一个元件封装,布线前把它手工移动到靠近公共地线汇合点的合适位置。

在硬件调试时,首先检查各芯片的供电电压,其中DSP核电压标准值为1.4V,实测值为1.42V。DSPI/O电压标准值为3.3V,实测值为3.32V。所用A/D转换芯片标准电压为3.3V,实测值为3.31V,D/A转换芯片标准电压为3.3V,实测值为3.29V。测量结果表明,PCB主要芯片的测试电压都在所规定的允许电压波动范围,而且供电稳定,电源噪声小。

1.3地线设计

在电子设备中,接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用,可解决大部分干扰问题。电子设备中地结构大致有系统地、机壳地(屏蔽地)、数字地(逻辑地)和模拟地等。本电路板上既有数字电路,也有模拟电路,应使它们尽量分开,而两者的地线不要相混,分别与电源端地线相连。

若接地线很细,接地电位则随电流的变化而变化,致使电子设备的定时信号电平不稳,抗噪声性能变坏。因此,应将接地线尽量加粗,使它能通过位于印制电路板的允许电流。尽量加宽电源、地线宽度,最好是地线比电源线宽,它们的关系是:地线>电源线>信号线。在本系统中,DSP内部根据生产厂家的要求,信号线宽度为4mil,电源和地线宽为8mil。在DSP外部,电源和地线为25mil。此外,在电路板上下表面还设计了用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。铺铜的好处是:敷铜和地线相连,这样可以减小回路面积。大面积的铺铜相当于降低了地线的电阻,减小了压降数字电路中存在大量尖峰脉冲电流。因此,降低地线阻抗显得更有必要。

1.4阻抗匹配端接设计

传输线上的阻抗不连续会导致信号反射,我们以图1所示的理想传输线模型来分析与信号反射有关的重要参数。图1中,理想传输线L被内阻为R0的数字信号驱动源VS驱动,传输线的特性阻抗为Z0,负载阻抗为RL。

图 1 理想传输线模型及相关参数

理想的情况是当R0=Z0=RL时,传输线的阻抗是连续的,不会发生任何反射,能量一半消耗在源内阻R0上,另一半消耗在负载电阻RL上(传输线无直流损耗)。如果负载阻抗大于传输线的特性阻抗,那么负载端多余的能量就会反射回源端,由于负载端没有吸收全部能量,故称这种情况为欠阻尼。如果负载阻抗小于传输线的特性阻抗,负载试图消耗比当前源端提供的能量更多的能量,故通过反射来通知源端输送更多的能量,这种情况称为过阻尼。欠阻尼和过阻尼都会引起反向传播的波形,某些情况下在传输线上会形成驻波。当Z0=RL时,负载完全吸收到达的能量,没有任何信号反射回源端,这种情况称为临界阻尼。从系统设计的角度来看,由于临界阻尼情况很难满足,所以最可靠适用的方式是轻微地过阻尼,因为这种情况没有能量反射回源端。

在高速数字电路设计中普遍使用了阻抗匹配等端接技术,常见的端接方法分为源端端接和终端端接两大类,这两类端接的基本思想都是匹配传输线与输入或者输出端的阻抗,从而净化信号、保证其完整性的目的。为了解决由于传输线上的阻抗不连续会导致信号反射问题,对一些关键的信号,如时钟、控制信号等,本系统采用添加源端匹配电阻的方法。采用TTL/CMOS标准24mA驱动电流时,其输出阻抗大致为13Ω。传输线阻抗50Ω(制板时要求的)。则应该加一个33Ω的源端匹配电阻。13Ω+33Ω=46Ω(近似于50Ω,弱的欠阻尼有助于信号的setup时间)。

总结

本PCB板已成功完成软硬件调试,调试结果表明,该设计方法合理可行,很好的解决了高速PCB设计中电磁干扰和信号完整性问题。在高速DSP应用系统的各项设计中,如何把完善的设计从理论转化为现实,依赖于高质量的PCB印制板。DSP电路的工作频率越来越高,管脚越来越密,干扰加大,如何提高信号的质量很重要。因此,系统的性能是否良好,与设计者的PCB印制板质量密不可分。如能合理布局设计,减少噪声,降低干扰,避开不必要的失误,对系统性能的发挥起到不可低估的作用。

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