浅谈PCB设计DDR2布线中面临的困难

使用Altium Designer进行DDR2的PCB设计

本文首先列出了DDR2布线中面临的困难，接着系统的讲述了DDR2电路板设计的具体方法，最后给出个人对本次电路设计的一些思考。本次设计中CPU的封装为BGA844-SOC-Y，DDR2的封装为FBGA84，DDR2的控制总线采用星形连接，使用的PCB软件为AltiumDesigner10，参考设计教程为《Altium Designer DDR2设计教学视频》[1]！

1. DDR2布线中面临的困难

1.1 DDR与CPU之间的布局[1]

（1）DDR2：内存与CPU的边缘间距建议5~8mm；
（2）DDR3：排阻自身长度为2mm，排阻与CPU边缘间距建议3mm，排阻与内存边缘间距建议3mm。

1.2 如何设置Width（信号线宽）和Clearance（安全间距）？

在封装BGA844-SOC-Y中，焊盘的直径为18.9mil，焊盘间距为39.37mil，两个焊盘之间的间隔为20.47mil，要想从BGA中引出所有的信号线，必须合理的设置Width和Clearance等规则。

图1 BGA844-SOC-Y焊盘间距

在《DDR布线规则与过程》[2]一文中，交代了线宽与线距的设置规则：
（1）DDR的供电线线宽建议8mil以上，信号线默认线宽为5mil；
（2）线与线间距建议采用2W原则为8mil，线与其它sub-class的间距为5mil；
（3）CPU与DDR的区域规则：走线线宽为5mil，允许最小间距为3.3mil；

在博通BCM53344开发板中，CPU采用1006-pin FCBGA封装，DDR3采用FBGA封装，在BGA的区域内，线间距设为3.098mil，如图2所示，线宽设为3.902mil，如图3所示。

图2 线距规则

图3 线宽规则

1.3 网络分类与差分线的设置

在《DDR2信号分类及等长设计》[3]一文中，DDR2可以分为以下三类:
（1）差分时钟信号:CLK_N，CLK_P；
（2）数据线DQ0~DQ15，数据掩码信号DQM0，DQM1，数据选通信号DQS*_N，DQS*_P；
（3）地址线/控制线:除数据，时钟外的其他信号，如A0~A12，WE，CS，BA0~2，CKE等；

可以设置为以下几个class规则：

（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:除数据线外的其他信号；
（4）CLK_DIFF: CLK_N，CLK_P；

1.4 如何确定小T点与大T点的位置？

如图4所示，小T点对应于DDR2焊盘扇出后的过孔C与D，C与D点扇出的走线方式必须保持一致。大T点对应于地址/命令总线的分支点过孔B，在DDR做等长布线时，地址/命令总线Net-Class（网络类）每条网络满足：

（1）AB+BC=AB+BD；
（2）每条网络的总长度（AB+BC+BD）均相等。

为了降低DDR等长布线的难度，通常将大T点设在C与D的对称轴上，假如大T点没有落在C与D的中轴线上，该怎么办？
在《用Altium Designer实现DDR2的等长布线》[4]和《Altium Designer 中 DDRII SDRAM 的等长布线》[5]中给出了解决办法，文中使用了AD里面的From-To Editor 网络编辑器，将同一个网络在T点处划分为3个部分，然后通过设置焊盘到焊盘之间的等长来实现DDR的等长布线，有兴趣的读者可以查看原文！

图4 选取大T点

1.5 BGA自动扇出与手动优化

在使用AD10给BGA自动扇出时，需要注意一下几点：

（1）在执行自动扇出前，BGA上的所有焊盘均不能连线，否则自动扇出无法完成！
（2）FBGA84封装的DDR2在进行自动扇出时，扇出的效果非常差，必须使用手工扇出。

对CPU和DDR2进行自动扇出，可分别得到图5和图6所示所示结果。

 

图5 CPU自动扇出

图6 DDR2自动扇出效果

1.6 如何控制等长误差

在《DDR2信号分类及等长设计》[3]一文中，等长误差如下设置：

（1）所有信号线参考差分时钟的长度作等长；
（2）DATA_L_BUS共11根走在同层,与差分时钟的长度误差25mil；
（3）DATA_H_BUS共11根走在同层,与差分时钟的长度误差25mil；
（4）ADDR_BUS:与差分时钟的长度误差200~300mil；

在视频《Altium Designer DDR2设计教学视频》中，作者给出了如下的等长误差，记地址/控制网络类（包括差分时钟）的等长目标为L1，数据网络类等长目标为L2，则：
（1）在地址/控制网络类中，差分时钟长度设为L1，其它等长误差控制在L1±200mil之内；
（2）数据网络类等长误差控制在L2±25mil之内，同一组之间作等长即可；
（3）L1与L2满足：0＜L1-L2＜1000mil！

2. DDR2等长布线

2.1 区域规则ROOM讲解

如何放置ROOM？
执行Design→Rooms→Place Rectangular Room，给CPU和DDR2添加ROOM，添加后将ROOM名称分别修改为“CPU_ROOM”、“DDR2_ROOM”，如图7所示。

图7 添加ROOM

2.2 区域规则设置

（1）如何设置规则？
执行Design→Rules...即可进入规则编辑菜单。

（2）如何定义ROOM内的规则？
进入规则编辑器后，首先点击需要编辑的规则并右击新建“new rule...”,接着先点击新键的规则，然后在“Where The First Object Matches”一栏选择“Advanced（Query）”,在“Full Query”一栏填入“withinroom('name_ROOM')”,最后Apply并单击OK即可！

上面的name_ROOM为ROOM的名称，输入语法时请切换为英文输入法，如果需要同时给多个ROOM定义规则，其语法为：withinroom('name_ROOM')&withinroom('name1_ROOM')&withinroom('name2_ROOM')

（3）如何给PCB定义规则？
为了引出BGA内部走线，规则中的Clearance和Width进行如下设置：
Clearance设置方案（优先级从下到上依次递增）：
Clearance_CPU ： 4 mil withinroom('CPU_ROOM')
Clearance_DDR2 ： 4.4 mil withinroom('DDR2_ROOM')
Clearance ： 5 mil

Width（最小 / 推荐 / 最大）设置方案（优先级从下到上依次递增）：
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

说明：Width_PWR为电源网络的线宽规则！

2.3 过孔、网络CLASS及差分线的设置

（1）如何给PCB定义Via（过孔）的规则？
Via（内径 / 外径）设置方案（优先级从下到上依次递增）：
RoutingVias_DDR2 ： 8 / 16 mil withinroom('DDR2_ROOM')
RoutingVias ： 10 / 22 mil

（2）如何设置网络Class
DDR2的所有网络，可以分为以下3类：
电源地信号，数据信号，时钟、地址、控制类信号。
执行Design→ Classes...，调出类设置界面，按下方的规则对网络进行分类：
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#
网络归类后效果如图8所示。

图8 网络分类

（3）如何设置差分线？

在软件左侧栏中，选择“Differential Pairs Editor”项目，将DDR2的时钟和DQS信号归为差分对，如图1.10所示：
差分对DRAM0_DQS0：DRAM0_DQS0_N、DRAM0_DQS0_P；
差分对DRAM0_DQS1：DRAM0_DQS1_N、DRAM0_DQS1_P；
差分对DRAM0_DQS2：DRAM0_DQS2_N、DRAM0_DQS2_P；
差分对DRAM0_DQS3：DRAM0_DQS3_N、DRAM0_DQS3_P；
差分对DRAM0_CLK：DRAM0_CLK_N、DRAM0_CLK_P。

图9 添加差分对

2.4 小T点设置

DDR2手动扇出效果图如图10所示，封装中心处的过孔对应为小T点，两个小T点的中点对应大T点所在的位置。
完成小T点的设置主要分为以下几步：
1. 对左侧的DDR2进行手动扇出；
2. 全选DDR2扇出的走线和过孔，对已选对象进行复制并以左上第一个焊盘作为参考点；
3. 将所选对象复制到右侧DDR2上，十字光标对准左上第一个焊盘！
以上操作也可称作走线与过孔的复用！

图10 小T点设置

图10 小T点设置

2.5 大T点设置

将图10的小T点依次连接，并在两个小T点的中心打上过孔（即大T点），完成后效果如图11所示。
在连线时请注意以下细节：
1. 大T点的位置是允许一定的误差的，不需要绝对的中心！
2. 绕线时需要优化电源过孔的布局；
3. 小T点（过孔）之间的水平与垂直间距需要保持在30mil以上！
4. 大T点与小T点放置完后，请进行上锁设置，防止误删！

图11 大T点设置

2.6 CPU自动扇出

执行Auto Route→Fanout→Component，点击CPU封装即可完成CPU的自动扇出，扇出效果如图12所示。由于规则的设置，电源类管脚扇出线宽为12mil，信号管脚扇出线宽为4mil，下图中打白色圆圈的管脚为无网络的焊盘。

图12 CPU扇出

2.7 数据互联

数据类总线分为两部分互连，一部分走顶层，另一部分走L3层！
如图13所示，为数据网络类DATA0-[D8-15]和DATA0-[D24-31]在顶层的连线效果图。

图13 顶层DDR数据线互连

如图14所示，为数据网络类DATA0-[D0-7]和DATA0-[D16-23]在L3层的连线效果图。

图14 L3层DDR数据线互连

2.8 地址线T点互连

地址与控制类总线分为两部分互连，一部分走顶层如图15所示，另一部分走底层如图16所示。

图15 顶层控制、地址类总线连接

图16 底层控制、地址类总线连接

2.9 寻找等长目标

如图16所示，为地址类网络长度分布，根据网络长度分布，选择3000mil作为地址类网络的等长目标，等长误差控制在±200mil以内。
根据作者描述，地址类与数据类网络长度差应小于1000mil，所以将数据类网络等长目标控制在2000mil，数据类网络之间的等长误差控制在±25mil以内。

2.10 走等长线

1. 如何走等长线？

（1）普通信号线，按快捷键T+R，差分线按T+I，进入等长布线状态；
（2）等长布线时，W键上方的1、2、3、4依次对应拐角弧度减小、拐角弧度增大、蛇形线间距减小、蛇形线间距增大等功能！

2 地址类等长

顶层：

图17 顶层地址网络等长

底层：

图18 底层地址网络等长

3. 数据类等长

顶层

图19 顶层数据网络等长

底层

图20 L3层数据网络等长

2.11 等长输出

在Nets查看栏中，复制需要等长网络的名称和长度等属性，粘贴到Excel中并加以整理，即完成了DDR2等长信息的输出！

3. 个人思考

1、为何同一根信号线在不同区域（CPU_ROOM、DDR2_ROOM、其它）的线宽会不一样？

（1）在其它区域（DDR与CPU的中间区域）走5mil的线，是通过阻抗匹配计算出来的结果；
（2）在CPU_ROOM内走4mil的线是为了使信号线从BGA内部扇出，那么信号线在其它区域为什么不用4mil的线呢，这里可能是考虑了成本的原因（线宽越小成本越高）。在不影响DDR2性能同时又要使信号线成功扇出的情况下，必须使信号线拥有多重线宽规则（个人猜测，没有证实过）!

2、如何最大化利用好布线空间，同时减小信号线间的串扰？

如何最大化利用好布线空间：
地址总线的布线空间最紧张，需要优先布局，相邻信号线走蛇形线的区域应错开，走完所有的地址类信号线再走数据类信号线！

减小信号线间的串扰，可通过增加信号线之间的安全间距来实现，具体方法有：

（1）可以先改变全局的clearance规则（优先级设为最高），比如设为10mil，如果出现报错提示可暂时忽略，走完等长线后再改回原有规则！
（2）在走线的侧边直接画出一条无网络的铜线，走完信号后再删除该铜线！
（3）修改等长控制参数中的振幅。

3、相同模块之间的复用

在第2.4小节中，将左侧DDR2的扇出铜线和过孔进行复用，可以明显缩短其它DDR2所需的扇出时间！

尾巴：本文是我首次接触高速电路设计的一次尝试，通过文章的形式记录下学习的点滴。本次设计并不是一个完整的工程，在DDR2滤波电容
的放置与优化、DDR2信号完整性仿真、以及PCB阻抗匹配的计算等方面均未涉及，由于个人能力有限，文章难免有错误，希望大家能够给出
宝贵的建议！

参考：
[1] 《Altium Designer DDR2设计教学视频》
[2] DDR布线规则与过程， 
[3] DDR2信号分类及等长设计，
[4] 用Altium Designer实现DDR2的等长布线，https://wenku.baidu.com/view/a1334bfcad51f01dc281f17e.html
[5] Altium Designer 中 DDRII SDRAM 的等长布线，https://wenku.baidu.com/view/424dd712ccbff121dc368324.html?re=view
编辑：hfy