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基于VPX架构基础平台背板信号完整性设计

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发表于 2022-9-15 10:34 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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VPX架构基于VME总线技术发展而来,是由VITA协会推出和维护的国际标准总线架构。从板材选型、叠层结构、关键信号线及PCB工艺等各方面进行分析设计,提出VPX机箱背板PCB信号完整性设计方案。
. |9 J$ i# s, h6 }9 X- B: KVPX架构是目前主流的模块化、通用化、开放式机箱架构,基于VME总线技术发展而来,它是由VITA协会推出和维护的国际标准总线架构。基础平台以“功能模块化、集成总线化、测试自动化”为设计理念,打造方便、易用的统一集成架构,可按需配置,堆叠扩展。背板是基础平台所有功能模块互联的基础,信号的质量对VPX机箱工作的稳定性具有决定性的作用,因此背板PCB信号完整性是基础平台设计的重点。为了解决背板的反射、串扰以及电源干扰等信号完整性问题,机箱背板在板材选型、叠层结构、关键信号线及PCB工艺等方面进行了精心设计,并通过信号完整性仿真及功能性能测试。4 A$ c" x1 P' G

8 f7 B/ R( v, v6 A; t1、信号完整性设计
, G2 }/ v+ Q$ n+ x% v1.1板材选型及叠层结构设计! q; R* M2 J/ r9 @& q" U* a
PCB板材及叠层结构是信号完整性的一个重要要素。机箱背板采用FR4-TG170板材,比FR4-TG130具有更高的玻璃态转化温度,耐燃性更好,并通过指定供应商选取介电常数不大于4.4的板材,以减少串扰发生时传递的能量。背板板厚设计为5.4mm,在优先考虑信号走线质量的情况下综合考虑了成本及加工难易度。背板叠层采用14层板,叠层结构如图所示:
% O0 c! T* n3 O" u3 e+ o9 G; ` - ^7 i7 `  H0 `$ l7 A
其中,CS表示顶层,SS表示底层,L1表示内层第1层,其他层以此类推。各层信号设计及说明如下:: S/ B' |) e+ H3 C, U3 y+ V
(1)CS:顶层,排放插座及主要器件,尽量不走关键信号线,且其余信号走线尽快入内层,保证EMC性能。
1 t) q$ f6 p9 m$ {$ Z$ K+ F% o(2)L1:地层,主要网络为GND,为顶层及L2层提供完整的参考平面。
$ O9 W4 \# Y3 E" s  {- V* ~; }(3)L2:关键信号层,敏感信号和关键信号均可在这层走线。
1 Y  G. O& q3 I2 \(4)L3:地层,主要网络为GND,为L2及L4层提供完整的参考平面。7 z% Y# u) D+ y
(5)L4:关键信号层,敏感信号和关键信号均可在该层走线。6 L, N+ |( w6 n( D
(6)L5:地层,主要网络为GND,为L4层提供完整的参考平面,为L6提供地层。
: v, Q: `4 t$ a% v6 h' u(7)L6:电源层,主要网络为12V和3.3V辅助电源。此层的相邻层有地层,以保证更好的电源完整性。( K3 `% f8 ]1 @# L: }! O+ Z
(8)L7:次关键信号层,由于此层其中的一个参考平面为分割了的电源层,因此此层将进行次关键信号的走线。9 Q2 e0 p  v. i1 ]* q5 X
(9)L8:地层,主要网络为GND,为L7及L9层提供完整的参考平面。
7 e* B' K9 P  v1 j% k' a, g0 @(10)L9:关键信号层,敏感信号和关键信号均可在该层走线。
6 c. H9 O# z. y. W/ [(11)L10:地层,主要网络为GND,为L9及L11层提供完整的参考平面。5 E6 H+ O2 d) W, S
(12)L11:关键信号层,敏感信号和关键信号均可在该层走线。" B" |# b' W1 T1 J. V& r
(13)L12:地层,主要网络为GND,为L11及底层提供完整的参考平面。
) I+ s9 t9 C5 {3 n' n1 O4 H(14)SS:底层,排放插座及次要器件,尽量不走关键信号线,且其余信号走线应尽快入内层,保证EMC性能。. e: G" ~& Z. ?9 q
通过设计以上叠层结构,机箱背板的所有信号走线都有完整的参考平面,保证了信号线的阻抗连续性,关键信号甚至有两层参考平面,使信号屏蔽性和抗干扰能力得到进一步提升;同时,不存在相邻两层间信号串扰现象,且关键信号均在内层布线,减少了远端串扰的影响;L6电源层有相邻的L5底层,也满足电源完整性要求。
, p$ E9 M8 Z: q1 y& a
* q+ B2 l3 C) s( t8 f) l, G1.2关键信号线分类及设计* q  y% y9 O/ t) `4 t1 ^
机箱背板存在5种总线,分别是交换总线、配置管理总线、时分总线、时统总线及友邻总线。其中,交换总线和友邻总线的接口形式相同,按相同信号特性进行设计;时分总线和时统总线的接口形式相同,按相同信号特性进行设计。通过对3种信号线进行分类设计,解决机箱背板各种总线的信号完整性问题。" [0 V4 X8 ?& g9 Z  h6 p- K2 g" v
时分总线网络标号为ST_CLK1+/-、ST_FS1+/-、ST_OUT1+/-、ST_CLK2+/-、ST_FS2+/-以及ST_OUT2+/-;时统总线网络标号为PPS+/-、GLOBAL_CLK+/-以及TOD+/-。这些信号均为差分信号,电平特性为M-LVDS电平。M-LVDS为多点低电压差分信号,可以使多个驱动器或接收器共享同一个物理链路,支持高达250Mb·s-1的数据通信。为了解决信号完整性问题,时分总线和时统总线设计遵循如下原则:7 Q1 K: k- Z" r
(1)总线源端及末端就近摆放一个100Ω端接电阻,以最大限度地吸收反射信号。
; g. m* R5 z1 {$ D8 j) I& s* P(2)总线的走线长度不能超过508mm,为芯片的驱动能力保留充足的裕量。0 ~  L; D/ Y4 ^$ m$ J1 a& J, @
(3)每个过孔的出现都会使信号阻抗出现不连续的现象,因此总线在布线时打过孔尽量不要超过2个,减少由过孔带来的寄生电容,并在过孔附近就近打接地过孔,为交流信号提供最短的回流路径。( Y, B, Y4 H3 s* c
(4)总线需和其他网络保持0.508mm以上的间距,采取3W原则,最大程度地减少其他信号对时分总线和时统总线的串扰。
2 M- W3 y9 A" b- F(5)总线的走线一直伴随有完整的参考平面,保证总线信号有最短的回流路径,同时保证信号线的特征阻抗不会发生突变。+ ?& G* K6 E( d' I0 J; j7 A& }
(6)差分线的特征阻抗设计为100Ω。
0 v" f9 h: [( W$ v5 @7 H, P) |

基于VPX架构基础平台背板信号完整性设计.pdf

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该用户从未签到

2#
发表于 2022-9-15 10:59 | 只看该作者
多多看,好好学,不要辜负了

该用户从未签到

3#
发表于 2022-9-15 13:52 | 只看该作者
感觉到这里,处处都弥漫着知识味道
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