高速PCB設(shè)計(jì)：AM335X芯片核心板8層PCB實(shí)例詳解

本章采用TI公司的AM335x芯片構(gòu)建的最小核心板系統(tǒng)，能通過外接DC電源讓核心板直接運(yùn)行，與底板通過B2B連接器連接。 底板配合核心板提供了串口、CAN總線接口、USB Host、OTG、LCD外擴(kuò)、千兆網(wǎng)口外擴(kuò)等豐富外設(shè)，讓開發(fā)人員能快速整合資源并形成有效的項(xiàng)目解決方案。?核心板集成度高、低成本、低功耗、功能齊全?，主要特點(diǎn)如下 :

（1）采用 512MByte DDR3 內(nèi)存

（2）4GByte 工業(yè)級(jí) eMMC 或者 4GBit NAND FLASH 可選

（3）2路MII/GMII/RGMII

（4）2路CAN

（5）6路UART

（6）最大分辨率 1366x768, 帶3D圖形加速器

（7）完美支持 Windows Embedded Compact 7Linux 3.2Android 4 嵌入式操作系統(tǒng)

（8）工作溫度范圍可達(dá)：-40 ℃~85 ℃

（9）外擴(kuò)資源豐富：包括 2xCAN 總線接口、 2xSPI總線、 1xGPMC 總線、 2xMMC 總線、 2xI2 C總線、 24bit LCD 總線、 1x MDIO 、2x PRU MII 、2x PRU MII 、8x12bit ADC/TSC 、1xUSB 2.0 OTG 、1xUSB HOST 、5x5 線UART、1x3線UART、3x16bit PWM 、3x32bit eCAP 脈沖寬度捕獲輸入、 3x32bit eQEP 正交編碼脈沖輸出、 2xRGMII/RMII/GMII Ethernet 、4xtimer 、JTAG等。

（10）AM335x工控板應(yīng)用領(lǐng)域：

（11）游戲機(jī)主控板

（12）家庭與樓宇自動(dòng)化

（13）工業(yè)控制設(shè)備

（14）HMI工業(yè)人機(jī)界面

二、模塊PCB設(shè)計(jì)指南

1、原理框圖

單板的信號(hào)流向圖，即原理框圖，如圖23-1所示。

圖23-1 原理框圖

2、單板工藝

單板布線工藝主要取決于單板的高密度芯片的封裝工藝（即BGA的間距），以及PCB成本和性能的考慮。 推薦的單板工藝設(shè)計(jì)如下：

（1）單板尺寸：71 x 47 mm。 板厚：1.6mm

（2）建議采用八層板設(shè)計(jì)：TOP、GND02、ART03、PWR04、PWR05、ART06、GND07、BOTTOM

（3）過孔規(guī)則：孔徑8mil/盤徑16mil（BGA區(qū)域）、孔徑10mil/盤徑18mil（除BGA的其他區(qū)域）

（4）最小線寬規(guī)則：5mil（BGA局部區(qū)域）

（5）最小線距規(guī)則：4mil（BGA局部區(qū)域）

3、層疊和布局

單板采用八層的層疊設(shè)計(jì)如圖23-2所示。

圖23-2 八層板層疊設(shè)計(jì)

單板的布線情況如下：

（1）TOP層作為主要元器件層，主要擺放芯片、鉭電容、電感等高度較高的元件；

（2）第3層和第6層相鄰層除了地平面，還有兩個(gè)分割的電源平面，在安排布線時(shí)需注意高速信號(hào)線的跨島問題

（3）第2層和第5層作為完整的接地平面，為表層的元器件和布線提供屏蔽和最短電流返回路徑的作用

（4）第4層和第5層為主電源平面，為主要電源提供平面分割形式的電源網(wǎng)絡(luò)

（5）Bottom層放置兩個(gè)2x50 Pin板對(duì)板連接器、BGA和DDR3區(qū)域的濾波電容。

單板TOP層布局規(guī)劃如圖23-3所示。

圖23-3 分區(qū)布局規(guī)劃

單板Bottom層布局規(guī)劃如圖23-4所示。

圖23-4 分區(qū)布局規(guī)劃

4、屏蔽處理

為了降低EMI及提高產(chǎn)品的可靠性，在TOP層的板邊四周用1mm的銅皮進(jìn)行裸銅開窗。 如圖23-5所示。

圖23-5 屏蔽處理示例

為了能夠提供良好的信號(hào)回流路徑，同時(shí)改善銅皮散熱的性能，需保證主控和DDR3下方鋪銅的完整性及連續(xù)性。 如圖23-6所示。

圖23-6 完整平面處理

注意：

（1）鋪銅層屬性設(shè)置為混合分割層，在鋪銅時(shí)要注意電源層比地層要內(nèi)縮40mil。

（2）采用8mil孔徑，16mil盤徑的過孔。

（3）鋪銅線寬設(shè)置為4mil。

（4）過孔與鋪銅的安全間距設(shè)置為5.5mil。

5、模塊PCB設(shè)計(jì)指南

（一）處理器

AM335x提供高達(dá)720MHz的主頻速度和支持mDDR/DDR2/DDR3，并配有NEON SIMD協(xié)處理器、SGX5303D圖形引擎。 同時(shí)AM335x提供了豐富的接口資源。 極高的性價(jià)比，使得它能適用性極廣。

AM335X采用324pin的BGA封裝，球距為0.8mm，采用8/16mil的過孔進(jìn)行Fanout設(shè)計(jì)，通常將BGA外圍前兩排焊盤通過走線引出至BGA外部。 第三排開始通過過孔就近fanout。 AM335X Fanout情況如圖23-7所示。

圖23-7 AM335X Fanout示意

a、去耦電容處理

芯片的電源管腳需要放置足夠的去耦電容，推薦采用0402封裝0.1mF的陶瓷電容，其在20～300 MHz 范圍非常有效。

去耦電容的處理規(guī)則如下：電容盡可能靠近電源管腳。 芯片上的電源、地引出線從焊盤引出后就近打VIA接電源、地平面。 線寬盡量做到8～12mil（視芯片的焊盤寬度而定，通常要小于焊盤寬度20%或以上）。 電容則放置在過孔與過孔之間的間隙。 如圖23-8所示。

圖23-8 去耦電容布局示例

b、晶體處理

晶體諧振器PCB設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

（1）時(shí)鐘電路要盡量靠近相應(yīng)的IC

（2）晶體諧振器兩個(gè)信號(hào)要適當(dāng)加寬（通常取10～12mil）

（3）兩個(gè)電容要靠近晶體放置，并整體靠近相應(yīng)的IC

（4）為了減小寄生電容，電容的地線扇出線寬要加寬

（5）晶體諧振器底下要鋪地銅，并打一些地過孔，充分與地平面相連接，以吸引晶體諧振器幅射的噪聲，或者立體包地

圖23-9所示是實(shí)際使用晶體的PCB布局布線的例子。

圖23-9 晶體布局布線示例

（二）SDRAM內(nèi)存器

本系統(tǒng)采用單顆2Gb容量的DDR3，主電源由PMIC的提供1.5V穩(wěn)定供電。 DDR3相比DDR和DDR2有更快的速度外，另一個(gè)區(qū)別就是3代的芯片有REST引腳，ZQ引腳。 還有則是3代的芯片采用了一些新技術(shù)，所以有更快的速度更低的功耗，其供電電壓為1.5V。

表23-1總結(jié)了DDR,DDR2,以及DDR3的一些重要的區(qū)別:

表23-1 DDR/DDR2/DDR3工作特性區(qū)分

DDR3關(guān)鍵信號(hào)處理要點(diǎn)如表23-2所示。

表23-2 DDR3關(guān)鍵信號(hào)處理要點(diǎn)

其 Fanout和布線等長(zhǎng)情況如圖23-10所示。

圖23-10 DDR3 Fanout示意

（三）PMIC

5V電源連接器直接供給AM335x系列配套的電源管理芯片TPS65217C，TPS65217C產(chǎn)生各路電源提供給CPU、DDR等設(shè)備。 PMIC輸出的各路電源通過底板上的LED顯示TPS65217C是否工作正常。 AM335x通過I2C0來控制TPS65217C。 如圖23-11為TPS65217C管腳排序。

圖23-11 TPS65217C管腳排序

其外部電源供電管腳分配，如表14-3所示。

表14-3 TPS65217C電源處理

PMIC在布局時(shí)要注意預(yù)留出芯片電源輸出大電感的位置，因?yàn)榇颂幨荘MIC輸出的大電流，大電流示意如圖23-12所示。 大電感通常放置在Top層，同時(shí)需要將PMIC的20，23，31管腳到大電感采用銅皮連接。 另外，PMIC輸入管腳的濾波電容全部放置在Bottom層靠近輸入管腳附近。 如圖23-13所示。

圖23-12 PMIC 大電流示例

圖23-13 PMIC 布局布線示例

PMIC的19，24，29管腳為電壓采樣信號(hào)，需要單獨(dú)接到輸出端的末端，即輸出濾波電容打孔的位置，如圖23-14所示。

圖23-14 電壓采樣走線示例

第4層電源平面劃分如圖23-15所示：

圖23-15 第4層電源平面劃分

第五層電源平面劃分如圖23-16所示：

圖23-16 第5層電源平面劃分

（四）SD/MMC0

AM335x通過MMC0端口連接到Micro SD 卡槽。 表14-4為Micro SD 卡槽信號(hào)分配表和PCB設(shè)計(jì)原則。

（五）USB信號(hào)

USB設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

（1）TVS器件必須靠近插座放置，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)要大面積接地

（2）布局保證信號(hào)流經(jīng)TVS后再到共模電源

（3）差分線特性阻抗為90W，等長(zhǎng)誤差為5mil

（4）兩組差分線之間的間距保持4w，并與其他信號(hào)或灌銅的間距也要保證4w，如圖23-17所示。

圖23-17 USB布線間距

（5）優(yōu)先鄰近接地平面走線

USB PCB設(shè)計(jì)實(shí)例如圖23-18所示。

圖23-18 USB PCB設(shè)計(jì)實(shí)例

（七）JTAG調(diào)試接口

開發(fā)板提供了14 pin的JTAG調(diào)試接口，信號(hào)直接與AM335x連接，讓開發(fā)人員能通過JTAG口直接調(diào)試程序。

（八）LCD外擴(kuò)接口

LCD外擴(kuò)接口支持24bit RGB信號(hào)，帶有觸摸控制信號(hào)外接，以及可通過I2C對(duì)外接LCD屏進(jìn)行控制配置。

（九）網(wǎng)口與音頻外擴(kuò)接口

AM335x的RGMII和音頻接口通過板對(duì)板接口外接到另一塊功能板上，用戶可以根據(jù)需求決定是否需要或者需要的哪種功能的板（如百兆網(wǎng)卡or千兆網(wǎng)卡）。

（十)GPMC總線、SPI、McASP總線、串口

核心板通過2個(gè)50 Pin板對(duì)板連接器對(duì)GPMC總線、SPI、McASP總線、串口的擴(kuò)展，用戶可配合對(duì)應(yīng)的功能板進(jìn)行這類接口的調(diào)試。 在PCB布線時(shí)，注意將同一類型的信號(hào)線采用同組同層的布線方式，并且要與其他信號(hào)保證至少3w的間距。

審核編輯：湯梓紅