PCB 中電源、數據和外設的布線(xiàn)拓撲

2021-07-19

PCB 中電源、數據和外設的布線(xiàn)拓撲

PCB 上和更大系統中板之間的更先進(jìn)的數字接口借鑒了標準網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。雖然多年來(lái)外形因素可能發(fā)生了變化，但電子產(chǎn)品中組件和子系統之間的電氣連接結構根本沒(méi)有改變。

如果您是一名剛開(kāi)始使用 DDR 等高級接口的新設計師，或者您正在布線(xiàn)您的第一個(gè)總線(xiàn)協(xié)議，那么了解有關(guān) PCB 布線(xiàn)拓撲的一些基礎知識很重要。還有設計電源分配的問(wèn)題，它可以有自己的電源總線(xiàn)路由協(xié)議、電路板之間的連接，并確保系統中的接地一致。 

PCB 中的常見(jiàn)布線(xiàn)拓撲

整個(gè) PCB 中使用幾種常見(jiàn)的布線(xiàn)拓撲來(lái)布線(xiàn)電源、數字數據，甚至一些特殊的模擬系統。一些高級拓撲用于計算機外圍設備，如存儲器。PCB 中的常見(jiàn)路由拓撲與其網(wǎng)絡(luò )拓撲類(lèi)似物具有相同的名稱(chēng)，因此熟悉這些領(lǐng)域會(huì )有所幫助。與網(wǎng)絡(luò )不同，在 PCB 設計中實(shí)現路由拓撲配置的目標不僅限于組件之間的數據傳輸。電源也以確定的拓撲圍繞系統“路由”，并且可能出于各種原因選擇不同的拓撲。

下圖總結了常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò )拓撲，其中一些可能用于 PCB 設計的各個(gè)領(lǐng)域。

其中一些標準拓撲可能在您的 PCB 中用作布局和布線(xiàn)拓撲。

此圖中的每個(gè)框都可以是板上的單個(gè)組件、包含多個(gè)組件的板上的電路塊或多板系統中的單個(gè)板。當我們縮小到更高的抽象級別時(shí)，我們開(kāi)始看到這些拓撲如何開(kāi)始類(lèi)似于標準網(wǎng)絡(luò )拓撲。在細粒度級別，我們查看單個(gè)組件，這些拓撲中只有一些在板級是實(shí)用的。下表總結了這些不同的拓撲是如何在 PCB 上或在多個(gè)板之間的系統級實(shí)現的。

一些評論在這里很有用，因為它顯示了每個(gè)拓撲可能有用的地方以及它們如何實(shí)際用于系統的不同部分。

星形布線(xiàn)可用于為 單個(gè)配電點(diǎn)提供多個(gè) 接地連接。星形拓撲還與高速 PCB 中的系統時(shí)鐘一起使用，如下面的 BGA 圖像所示。信號源自單個(gè)點(diǎn)，并根據需要路由到板上的不同組件。請注意，術(shù)語(yǔ)“源單點(diǎn)”和“星形”是同一拓撲結構的兩個(gè)不同名稱(chēng)。與星型拓撲的不同之處在于該源點(diǎn)位于下游組件的中心。

樹(shù)形路由（或多點(diǎn)）適用于層次結構中的多個(gè)“星”的相同想法，其中多個(gè)電源軌從單個(gè)點(diǎn)斷開(kāi)并發(fā)送到不同的電路塊或設備。另一種變體是源多點(diǎn)拓撲，其中單個(gè)電源軌用作總線(xiàn)并向下游電路塊供電。

上表中拓撲的一些變體用于更高級的數字協(xié)議。兩個(gè)重要的例子是 DDR2 及更高版本，以及 PCIe。

內存和計算機外設的路由拓撲

當談到內存模塊及其與處理器的接口時(shí)，更復雜的拓撲組合將連接板內的設備。簡(jiǎn)單的點(diǎn)對點(diǎn)拓撲也用于 PCIe 等高級協(xié)議。讓我們看看這些示例，因為它們說(shuō)明了標準路由拓撲如何適應高級信令標準。

T型拓撲

T 拓撲用于 DDR2 和較不先進(jìn)的 DDR3 版本。這是樹(shù)和點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )路由拓撲的組合。命令、時(shí)鐘和地址跟蹤在樹(shù)型網(wǎng)絡(luò )中布線(xiàn)，而數據線(xiàn)則直接與處理器以點(diǎn)對點(diǎn)方式布線(xiàn)。雖然這種拓撲對于利用更高的數據速率很有用，但可用內存模塊的數量和數據傳輸速率受到電容負載的限制。

飛越拓撲

較新的 DDR 內存模塊使用飛越拓撲。DD3 和 DDR4 中使用的主要拓撲代表了點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )和總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )之間的組合。電源/接地、命令、時(shí)鐘和地址信號通過(guò)總線(xiàn)路由到每個(gè) DRAM/SDRAM，然后使用差分對路由到處理器 。與 DDR2 和更早的內存相比，這是一次重大升級。與 T 拓撲相比，飛越拓撲支持以更高的數據速率運行，同時(shí)減少從處理器傳輸到內存模塊的重載信號之間的時(shí)序偏差。

較新的內存架構，例如采用英特爾 3D Xpoint 的 NAND 閃存，在封裝內具有內部交叉型拓撲。盡管如此，制造商仍會(huì )為 PCB 上的實(shí)際布局推薦點(diǎn)對點(diǎn)拓撲。然而，星型和 T 型拓撲也可用于 NAND 閃存封裝。對 NAND 閃存封裝使用點(diǎn)對點(diǎn)拓撲非常簡(jiǎn)單，可以使用低成本的四層堆疊。在這種情況下，接地和電源放置在內層，信號在表層布線(xiàn)。

PCIe 的點(diǎn)對點(diǎn)路由

PCIe 是一種雙向串行協(xié)議，它在外圍設備之間使用點(diǎn)對點(diǎn)路由拓撲，其中組件沿互連級聯(lián)。在某些方面，PCIe 表現為并行總線(xiàn)架構，但實(shí)際情況并非如此，因為 PCIe 總線(xiàn)中的不同通道并沒(méi)有分配給不同的設備。PCIe 通道使用阻抗控制的差分對 布線(xiàn)和單獨的 Tx 和 Rx 通道。

PCIe 點(diǎn)對點(diǎn)拓撲中的線(xiàn)對長(cháng)度不需要相同。換言之，RX 對的長(cháng)度可以與 TX 對的長(cháng)度不同，反之亦然，只要構成對的走線(xiàn)長(cháng)度匹配即可。要了解有關(guān) PCIe 互連設計的重要技術(shù)點(diǎn)的更多信息，請查看以下資源：

PCIe 布局和路由指南

PCIe 信號以更高的速度穿過(guò)盲孔會(huì )發(fā)生什么？

PCIe 5.0 布局和路由的內容是什么？

技術(shù)在不斷進(jìn)步，尤其是在計算機外圍設備和存儲設備方面。這意味著(zhù)工程師和系統設計師需要更強大的工具來(lái)跟上新發(fā)展的步伐。 Altium Designer ?將布局和布線(xiàn)功能與驗證、模擬和生產(chǎn)準備工具一起集成到一個(gè)程序中。您將擁有為任何應用程序實(shí)現路由拓撲所需的高級工具。