高速PCB設計：AM335X芯片核心板8層PCB實例詳解

本章采用TI公司的AM335x芯片構建的最小核心板系統，能通過外接DC 電源讓核心板直接運行，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、千兆網口外擴等豐富外設，讓開發人員能快速整合資源并形成有效的項目解決方案。?核心板集成度高、低成本、低功耗、功能齊全?，主要特點如下 :

（1）采用 512MByte DDR3 內存

（2）4GByte 工業級 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

（8）工作溫度范圍可達：-40 ℃~85 ℃

（9）外擴資源豐富：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工控板應用領域：

（11）游戲機主控板

（12）家庭與樓宇自動化

（13）工業控制設備

（14）HMI工業人機界面

二、模塊PCB設計指南

1、原理框圖

單板的信號流向圖，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。推薦的單板工藝設計如下：

（1）單板尺寸：71 x 47 mm。板厚：1.6mm

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

（3）過孔規則：孔徑8mil/盤徑16mil（BGA區域）、孔徑10mil/盤徑18mil（除BGA的其他區域）

（4）最小線寬規則：5mil（BGA局部區域）

（5）最小線距規則：4mil（BGA局部區域）

3、層疊和布局

單板采用八層的層疊設計如圖23-2所示。

圖23-2 八層板層疊設計

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，還有兩個分割的電源平面，在安排布線時需注意高速信號線的跨島問題

（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絡

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

單板TOP層布局規劃如圖23-3所示。

圖23-3 分區布局規劃

單板Bottom層布局規劃如圖23-4所示。

圖23-4 分區布局規劃

4、屏蔽處理

為了降低EMI及提高產品的可靠性，在TOP層的板邊四周用1mm的銅皮進行裸銅開窗。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回流路徑，同時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）鋪銅層屬性設置為混合分割層，在鋪銅時要注意電源層比地層要內縮40mil。

（2）采用8mil孔徑，16mil盤徑的過孔。

（3）鋪銅線寬設置為4mil。

（4）過孔與鋪銅的安全間距設置為5.5mil。

5、模塊PCB設計指南

（一）處理器

AM335x提供高達720MHz的主頻速度和支持mDDR/DDR2/DDR3，并配有NEON SIMD協處理器、SGX5303D圖形引擎。同時AM335x提供了豐富的接口資源。極高的性價比，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的過孔進行Fanout設計，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設計要點如下：

（1）時鐘電路要盡量靠近相應的IC

（2）晶體諧振器兩個信號要適當加寬（通常取10～12mil）

（3）兩個電容要靠近晶體放置，并整體靠近相應的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）SD RAM內存器

本系統采用單顆2Gb容量的DDR3，主電源由PMIC的提供1.5V穩定供電。 DDR3相比DDR和DDR2有更快的速度外，另一個區別就是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，所以有更快的速度更低的功耗，其供電電壓為1.5V。

表23-1總結了DDR,DDR2,以及DDR3的一些重要的區別:

表23-1 DDR/DDR2/DDR3工作特性區分

DDR3關鍵信號處理要點如表23-2所示。

表23-2 DDR3關鍵信號處理要點

其 Fanout和布線等長情況如圖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產生各路電源提供給CPU、DDR等設備。 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。