使用Altium Designer進(jìn)行DDR2的PCB設(shè)計(jì)

本文首先列出了DDR2布線中面臨的困難，接著系統(tǒng)的講述了DDR2電路板設(shè)計(jì)的具體方法，最后給出個(gè)人對(duì)本次電路設(shè)計(jì)的一些思考。本次設(shè)計(jì)中CPU的封裝為BGA844-SOC-Y，DDR2的封裝為FBGA84，DDR2的控制總線采用星形連接，使用的PCB軟件為AltiumDesigner10，參考設(shè)計(jì)教程為《Altium Designer DDR2設(shè)計(jì)教學(xué)視頻》[1]！

1. DDR2布線中面臨的困難

1.1 DDR與CPU之間的布局[1]

（1）DDR2：內(nèi)存與CPU的邊緣間距建議5~8mm；
（2）DDR3：排阻自身長(zhǎng)度為2mm，排阻與CPU邊緣間距建議3mm，排阻與內(nèi)存邊緣間距建議3mm。

1.2 如何設(shè)置Width（信號(hào)線寬）和Clearance（安全間距）？

在封裝BGA844-SOC-Y中，焊盤的直徑為18.9mil，焊盤間距為39.37mil，兩個(gè)焊盤之間的間隔為20.47mil，要想從BGA中引出所有的信號(hào)線，必須合理的設(shè)置Width和Clearance等規(guī)則。

圖1 BGA844-SOC-Y焊盤間距

在《DDR布線規(guī)則與過程》[2]一文中，交代了線寬與線距的設(shè)置規(guī)則：
（1）DDR的供電線線寬建議8mil以上，信號(hào)線默認(rèn)線寬為5mil；
（2）線與線間距建議采用2W原則為8mil，線與其它sub-class的間距為5mil；
（3）CPU與DDR的區(qū)域規(guī)則：走線線寬為5mil，允許最小間距為3.3mil；

在博通BCM53344開發(fā)板中，CPU采用1006-pin FCBGA封裝，DDR3采用FBGA封裝，在BGA的區(qū)域內(nèi)，線間距設(shè)為3.098mil，如圖2所示，線寬設(shè)為3.902mil，如圖3所示。

圖2 線距規(guī)則

圖3 線寬規(guī)則

1.3 網(wǎng)絡(luò)分類與差分線的設(shè)置

在《DDR2信號(hào)分類及等長(zhǎng)設(shè)計(jì)》[3]一文中，DDR2可以分為以下三類:
（1）差分時(shí)鐘信號(hào):CLK_N，CLK_P；
（2）數(shù)據(jù)線DQ0~DQ15，數(shù)據(jù)掩碼信號(hào)DQM0，DQM1，數(shù)據(jù)選通信號(hào)DQS*_N，DQS*_P；
（3）地址線/控制線:除數(shù)據(jù)，時(shí)鐘外的其他信號(hào)，如A0~A12，WE，CS，BA0~2，CKE等；

可以設(shè)置為以下幾個(gè)class規(guī)則：

（1）DATA_L_BUS：Q0~DQ7，DQM0，DQS0_N，DQS0_P；
（2）DATA_H_BUS：Q8~DQ15，DQM1，DQS1_N，DQS1_P；
（3）ADDR_BUS:除數(shù)據(jù)線外的其他信號(hào)；
（4）CLK_DIFF: CLK_N，CLK_P；

1.4 如何確定小T點(diǎn)與大T點(diǎn)的位置？

如圖4所示，小T點(diǎn)對(duì)應(yīng)于DDR2焊盤扇出后的過孔C與D，C與D點(diǎn)扇出的走線方式必須保持一致。大T點(diǎn)對(duì)應(yīng)于地址/命令總線的分支點(diǎn)過孔B，在DDR做等長(zhǎng)布線時(shí)，地址/命令總線Net-Class（網(wǎng)絡(luò)類）每條網(wǎng)絡(luò)滿足：

（1）AB+BC=AB+BD；
（2）每條網(wǎng)絡(luò)的總長(zhǎng)度（AB+BC+BD）均相等。

為了降低DDR等長(zhǎng)布線的難度，通常將大T點(diǎn)設(shè)在C與D的對(duì)稱軸上，假如大T點(diǎn)沒有落在C與D的中軸線上，該怎么辦？
在《用Altium Designer實(shí)現(xiàn)DDR2的等長(zhǎng)布線》[4]和《Altium Designer 中 DDRII SDRAM 的等長(zhǎng)布線》[5]中給出了解決辦法，文中使用了AD里面的From-To Editor 網(wǎng)絡(luò)編輯器，將同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)在T點(diǎn)處劃分為3個(gè)部分，然后通過設(shè)置焊盤到焊盤之間的等長(zhǎng)來實(shí)現(xiàn)DDR的等長(zhǎng)布線，有興趣的讀者可以查看原文！

圖4 選取大T點(diǎn)

1.5 BGA自動(dòng)扇出與手動(dòng)優(yōu)化

在使用AD10給BGA自動(dòng)扇出時(shí)，需要注意一下幾點(diǎn)：

（1）在執(zhí)行自動(dòng)扇出前，BGA上的所有焊盤均不能連線，否則自動(dòng)扇出無法完成！
（2）FBGA84封裝的DDR2在進(jìn)行自動(dòng)扇出時(shí)，扇出的效果非常差，必須使用手工扇出。

對(duì)CPU和DDR2進(jìn)行自動(dòng)扇出，可分別得到圖5和圖6所示所示結(jié)果。

圖5 CPU自動(dòng)扇出

圖6 DDR2自動(dòng)扇出效果

1.6 如何控制等長(zhǎng)誤差

在《DDR2信號(hào)分類及等長(zhǎng)設(shè)計(jì)》[3]一文中，等長(zhǎng)誤差如下設(shè)置：

（1）所有信號(hào)線參考差分時(shí)鐘的長(zhǎng)度作等長(zhǎng)；
（2）DATA_L_BUS共11根走在同層,與差分時(shí)鐘的長(zhǎng)度誤差25mil；
（3）DATA_H_BUS共11根走在同層,與差分時(shí)鐘的長(zhǎng)度誤差25mil；
（4）ADDR_BUS:與差分時(shí)鐘的長(zhǎng)度誤差200~300mil；

在視頻《Altium Designer DDR2設(shè)計(jì)教學(xué)視頻》中，作者給出了如下的等長(zhǎng)誤差，記地址/控制網(wǎng)絡(luò)類（包括差分時(shí)鐘）的等長(zhǎng)目標(biāo)為L(zhǎng)1，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)類等長(zhǎng)目標(biāo)為L(zhǎng)2，則：
（1）在地址/控制網(wǎng)絡(luò)類中，差分時(shí)鐘長(zhǎng)度設(shè)為L(zhǎng)1，其它等長(zhǎng)誤差控制在L1±200mil之內(nèi)；
（2）數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)類等長(zhǎng)誤差控制在L2±25mil之內(nèi)，同一組之間作等長(zhǎng)即可；
（3）L1與L2滿足：0＜L1-L2＜1000mil！

2. DDR2等長(zhǎng)布線

2.1 區(qū)域規(guī)則ROOM講解

如何放置ROOM？
執(zhí)行Design→Rooms→Place Rectangular Room，給CPU和DDR2添加ROOM，添加后將ROOM名稱分別修改為“CPU_ROOM”、“DDR2_ROOM”，如圖7所示。

圖7 添加ROOM

2.2 區(qū)域規(guī)則設(shè)置

（1）如何設(shè)置規(guī)則？
執(zhí)行Design→Rules...即可進(jìn)入規(guī)則編輯菜單。

（2）如何定義ROOM內(nèi)的規(guī)則？
進(jìn)入規(guī)則編輯器后，首先點(diǎn)擊需要編輯的規(guī)則并右擊新建“new rule...”,接著先點(diǎn)擊新鍵的規(guī)則，然后在“Where The First Object Matches”一欄選擇“Advanced（Query）”,在“Full Query”一欄填入“withinroom('name_ROOM')”,最后Apply并單擊OK即可！

上面的name_ROOM為ROOM的名稱，輸入語法時(shí)請(qǐng)切換為英文輸入法，如果需要同時(shí)給多個(gè)ROOM定義規(guī)則，其語法為：withinroom('name_ROOM')&withinroom('name1_ROOM')&withinroom('name2_ROOM')

（3）如何給PCB定義規(guī)則？
為了引出BGA內(nèi)部走線，規(guī)則中的Clearance和Width進(jìn)行如下設(shè)置：
Clearance設(shè)置方案（優(yōu)先級(jí)從下到上依次遞增）：
Clearance_CPU ： 4 mil withinroom('CPU_ROOM')
Clearance_DDR2 ： 4.4 mil withinroom('DDR2_ROOM')
Clearance ： 5 mil

Width（最小 / 推薦 / 最大）設(shè)置方案（優(yōu)先級(jí)從下到上依次遞增）：
Width_PWR ： 12 / 12 / 120 mil
Width_CPU ： 4 / 4 / 4 mil withinroom('CPU_ROOM')
Width_DDR2 ： 4.4 / 4.4 / 4.4 mil withinroom('DDR2_ROOM')
Width ： 5 / 5 / 5 mil

說明：Width_PWR為電源網(wǎng)絡(luò)的線寬規(guī)則！

2.3 過孔、網(wǎng)絡(luò)CLASS及差分線的設(shè)置

（1）如何給PCB定義Via（過孔）的規(guī)則？
Via（內(nèi)徑 / 外徑）設(shè)置方案（優(yōu)先級(jí)從下到上依次遞增）：
RoutingVias_DDR2 ： 8 / 16 mil withinroom('DDR2_ROOM')
RoutingVias ： 10 / 22 mil

（2）如何設(shè)置網(wǎng)絡(luò)Class
DDR2的所有網(wǎng)絡(luò)，可以分為以下3類：
電源地信號(hào)，數(shù)據(jù)信號(hào)，時(shí)鐘、地址、控制類信號(hào)。
執(zhí)行Design→ Classes...，調(diào)出類設(shè)置界面，按下方的規(guī)則對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類：
POWER_CLASS：GND、VREF、VCC1V8、VTT。

DATA_CLASS：
Data0-7：DRAM0_D0~7、DRAM0_DM0、DRAM0_DQS0_N、DRAM0_DQS0_P；
Data8-15：DRAM0_D8~15、DRAM0_DM1、DRAM0_DQS1_N、DRAM0_DQS1_P；
Data16-23：DRAM0_D16~23、DRAM0_DM2、DRAM0_DQS2_N、DRAM0_DQS2_P；
Data24-31：DRAM0_D24~31、DRAM0_DM3、DRAM0_DQS3_N、DRAM0_DQS3_P；

ADD_CLASS：DRAM0_A0~13、DRAM0_BA0~2、DRAM0_CAS#、DRAM0_CLKE、DRAM0_CLK_N、DRAM0_CLK_P、DRAM0_CS#、DRAM0_ODT、DRAM0_RAS#、DRAM0_WE#
網(wǎng)絡(luò)歸類后效果如圖8所示。

圖8 網(wǎng)絡(luò)分類

（3）如何設(shè)置差分線？

在軟件左側(cè)欄中，選擇“Differential Pairs Editor”項(xiàng)目，將DDR2的時(shí)鐘和DQS信號(hào)歸為差分對(duì)，如圖1.10所示：
差分對(duì)DRAM0_DQS0：DRAM0_DQS0_N、DRAM0_DQS0_P；
差分對(duì)DRAM0_DQS1：DRAM0_DQS1_N、DRAM0_DQS1_P；
差分對(duì)DRAM0_DQS2：DRAM0_DQS2_N、DRAM0_DQS2_P；
差分對(duì)DRAM0_DQS3：DRAM0_DQS3_N、DRAM0_DQS3_P；
差分對(duì)DRAM0_CLK：DRAM0_CLK_N、DRAM0_CLK_P。

圖9 添加差分對(duì)

2.4 小T點(diǎn)設(shè)置

DDR2手動(dòng)扇出效果圖如圖10所示，封裝中心處的過孔對(duì)應(yīng)為小T點(diǎn)，兩個(gè)小T點(diǎn)的中點(diǎn)對(duì)應(yīng)大T點(diǎn)所在的位置。
完成小T點(diǎn)的設(shè)置主要分為以下幾步：
1. 對(duì)左側(cè)的DDR2進(jìn)行手動(dòng)扇出；
2. 全選DDR2扇出的走線和過孔，對(duì)已選對(duì)象進(jìn)行復(fù)制并以左上第一個(gè)焊盤作為參考點(diǎn)；
3. 將所選對(duì)象復(fù)制到右側(cè)DDR2上，十字光標(biāo)對(duì)準(zhǔn)左上第一個(gè)焊盤！
以上操作也可稱作走線與過孔的復(fù)用！

圖10 小T點(diǎn)設(shè)置

圖10 小T點(diǎn)設(shè)置

2.5 大T點(diǎn)設(shè)置

將圖10的小T點(diǎn)依次連接，并在兩個(gè)小T點(diǎn)的中心打上過孔（即大T點(diǎn)），完成后效果如圖11所示。
在連線時(shí)請(qǐng)注意以下細(xì)節(jié)：
1. 大T點(diǎn)的位置是允許一定的誤差的，不需要絕對(duì)的中心！
2. 繞線時(shí)需要優(yōu)化電源過孔的布局；
3. 小T點(diǎn)（過孔）之間的水平與垂直間距需要保持在30mil以上！
4. 大T點(diǎn)與小T點(diǎn)放置完后，請(qǐng)進(jìn)行上鎖設(shè)置，防止誤刪！

圖11 大T點(diǎn)設(shè)置

2.6 CPU自動(dòng)扇出

執(zhí)行Auto Route→Fanout→Component，點(diǎn)擊CPU封裝即可完成CPU的自動(dòng)扇出，扇出效果如圖12所示。由于規(guī)則的設(shè)置，電源類管腳扇出線寬為12mil，信號(hào)管腳扇出線寬為4mil，下圖中打白色圓圈的管腳為無網(wǎng)絡(luò)的焊盤。

圖12 CPU扇出

2.7 數(shù)據(jù)互聯(lián)

數(shù)據(jù)類總線分為兩部分互連，一部分走頂層，另一部分走L3層！
如圖13所示，為數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)類DATA0-[D8-15]和DATA0-[D24-31]在頂層的連線效果圖。

圖13 頂層DDR數(shù)據(jù)線互連

如圖14所示，為數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)類DATA0-[D0-7]和DATA0-[D16-23]在L3層的連線效果圖。

圖14 L3層DDR數(shù)據(jù)線互連

2.8 地址線T點(diǎn)互連

地址與控制類總線分為兩部分互連，一部分走頂層如圖15所示，另一部分走底層如圖16所示。

圖15 頂層控制、地址類總線連接

圖16 底層控制、地址類總線連接

2.9 尋找等長(zhǎng)目標(biāo)

如圖16所示，為地址類網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)度分布，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)度分布，選擇3000mil作為地址類網(wǎng)絡(luò)的等長(zhǎng)目標(biāo)，等長(zhǎng)誤差控制在±200mil以內(nèi)。
根據(jù)作者描述，地址類與數(shù)據(jù)類網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)度差應(yīng)小于1000mil，所以將數(shù)據(jù)類網(wǎng)絡(luò)等長(zhǎng)目標(biāo)控制在2000mil，數(shù)據(jù)類網(wǎng)絡(luò)之間的等長(zhǎng)誤差控制在±25mil以內(nèi)。

2.10 走等長(zhǎng)線

1. 如何走等長(zhǎng)線？

（1）普通信號(hào)線，按快捷鍵T+R，差分線按T+I，進(jìn)入等長(zhǎng)布線狀態(tài)；
（2）等長(zhǎng)布線時(shí)，W鍵上方的1、2、3、4依次對(duì)應(yīng)拐角弧度減小、拐角弧度增大、蛇形線間距減小、蛇形線間距增大等功能！

2 地址類等長(zhǎng)

頂層：

圖17 頂層地址網(wǎng)絡(luò)等長(zhǎng)

底層：

圖18 底層地址網(wǎng)絡(luò)等長(zhǎng)

3. 數(shù)據(jù)類等長(zhǎng)

頂層

圖19 頂層數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)等長(zhǎng)

底層

圖20 L3層數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)等長(zhǎng)

2.11 等長(zhǎng)輸出

在Nets查看欄中，復(fù)制需要等長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的名稱和長(zhǎng)度等屬性，粘貼到Excel中并加以整理，即完成了DDR2等長(zhǎng)信息的輸出！

3. 個(gè)人思考

1、為何同一根信號(hào)線在不同區(qū)域（CPU_ROOM、DDR2_ROOM、其它）的線寬會(huì)不一樣？

（1）在其它區(qū)域（DDR與CPU的中間區(qū)域）走5mil的線，是通過阻抗匹配計(jì)算出來的結(jié)果；
（2）在CPU_ROOM內(nèi)走4mil的線是為了使信號(hào)線從BGA內(nèi)部扇出，那么信號(hào)線在其它區(qū)域?yàn)槭裁床挥?mil的線呢，這里可能是考慮了成本的原因（線寬越小成本越高）。在不影響DDR2性能同時(shí)又要使信號(hào)線成功扇出的情況下，必須使信號(hào)線擁有多重線寬規(guī)則（個(gè)人猜測(cè)，沒有證實(shí)過）!

2、如何最大化利用好布線空間，同時(shí)減小信號(hào)線間的串?dāng)_？

如何最大化利用好布線空間：
地址總線的布線空間最緊張，需要優(yōu)先布局，相鄰信號(hào)線走蛇形線的區(qū)域應(yīng)錯(cuò)開，走完所有的地址類信號(hào)線再走數(shù)據(jù)類信號(hào)線！

減小信號(hào)線間的串?dāng)_，可通過增加信號(hào)線之間的安全間距來實(shí)現(xiàn)，具體方法有：

（1）可以先改變?nèi)值腸learance規(guī)則（優(yōu)先級(jí)設(shè)為最高），比如設(shè)為10mil，如果出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)提示可暫時(shí)忽略，走完等長(zhǎng)線后再改回原有規(guī)則！
（2）在走線的側(cè)邊直接畫出一條無網(wǎng)絡(luò)的銅線，走完信號(hào)后再刪除該銅線！
（3）修改等長(zhǎng)控制參數(shù)中的振幅。

3、相同模塊之間的復(fù)用

在第2.4小節(jié)中，將左側(cè)DDR2的扇出銅線和過孔進(jìn)行復(fù)用，可以明顯縮短其它DDR2所需的扇出時(shí)間！

尾巴：本文是我首次接觸高速電路設(shè)計(jì)的一次嘗試，通過文章的形式記錄下學(xué)習(xí)的點(diǎn)滴。本次設(shè)計(jì)并不是一個(gè)完整的工程，在DDR2濾波電容
的放置與優(yōu)化、DDR2信號(hào)完整性仿真、以及PCB阻抗匹配的計(jì)算等方面均未涉及，由于個(gè)人能力有限，文章難免有錯(cuò)誤，希望大家能夠給出
寶貴的建議！

參考：
[1] 《Altium Designer DDR2設(shè)計(jì)教學(xué)視頻》
[2] DDR布線規(guī)則與過程，
[3] DDR2信號(hào)分類及等長(zhǎng)設(shè)計(jì)，
[4] 用Altium Designer實(shí)現(xiàn)DDR2的等長(zhǎng)布線，https://wenku.baidu.com/view/a1334bfcad51f01dc281f17e.html
[5] Altium Designer 中 DDRII SDRAM 的等長(zhǎng)布線，https://wenku.baidu.com/view/424dd712ccbff121dc368324.html?re=view
編輯：hfy