8Gbps及以上高速信号PCB布线建议

—来源：瑞星微RK3588 PCB设计白皮书

如表1-1所示，RK3588芯片以下接口的信号能工作在8Gbps及以上速率，由于速率很高，PCB布线设计要求会更严格，在“PCBlayout 通用布线规范”的基础上，还需要根据本章节的要求来进行PCB布线设计。

 

表1-1 RK3588 8Gbps及以上差分信号

 

高速信号布线时尽量少打孔换层，换层优先选择两边是GND的层面处理。尽量收发信号布线在不同层，如果空间有限，需收发信号走线同层时，应加大收发信号之间的布线距离。

 

针对以上高速信号还有如下方面的要求：

 

一、BGA 焊盘区域挖参考层

如果表1-1接口的工作速率≥ 8Gbps，建议在RK3588 BGA区域，挖掉这些信号正下方的L2层参考层以减小焊盘的电容效应。挖空尺寸R=10mil。

如果表1-1接口的工作速率低于8Gbps，例如DP接口只工作在1.4Gbps，那么不用挖BGA区域的参考层，如图1-1所示。

 

图 1-1 PAD参考层挖空示意图

 

二、避免玻纤编织效应

PCB基板是由玻璃纤维和环氧树脂填充压合而成。玻璃纤维的介电常数大约是6，树脂的介电常数一般不到3。在路径长度和信号速度方面发生的问题，主要是由于树脂中的玻璃纤维增强编织方式引起的。较为普通的玻璃纤维编织中的玻璃纤维束是紧密绞合在一起的，因此束与束之间留出的大量空隙需要用树脂填充，PCB中的平均导线宽度要小于玻璃纤维的间隔，因此一个差分对中的一条线可能有更多的部分在玻璃纤维上、更少的部分在树脂上，另一条线则相反(树脂上的部分比玻璃纤维上的多)。这样会导致D+和D-走线的特性阻抗不同，两条走线的时延也会不同，导致差分对内的时延差进而影响眼图的质量。

 

图1-2 差分线在玻璃纤维上的分部情况

 

当表1-1接口的信号速率达到8Gbps且走线长度超过1.5inch，需谨慎处理好玻纤编织效应。建议采用以下方式之一来避免玻纤编织效应带来的影响。

方式一：改变走线角度，如按 10°~ 35°；或PCB生产加工时，将板材旋转10°以保证所有走线都不与玻纤平行，如图1-3所示；

方式二：使用如图1-4走线(zigzag)，下图中的W至少要大于3倍的玻纤编织间距。推荐值 W=60mil，θ=10°，L=340mil：

 

图1-3 差分走线与玻纤不平行

 

图1-4 差分走线布线建议

 

三、差分过孔建议

1、高速信号尽量少打孔换层，换层时需在信号孔旁边添加GND过孔。地过孔数量对差分信号的信号完整性影响是不同的。无地过孔、单地过孔以及双地过孔可依次提高差分信号的信号完整性。

2、选择合理的过孔尺寸。对于多层一般密度的PCB设计来说，选用0.25mm/0.51mm/0.91mm（钻孔/焊盘/POWER隔离区）的过孔较好;对于一些高密度的PCB也可以使用0.20mm/0.46mm/0.86mm 的过孔，也可以尝试盲埋孔设计;

3、过孔中心距的变化对差分信号的信号完整性影响是不同的。对于差分信号，过孔中心距过大或过小均会对信号完整性产生不利影响。

4、如果表1-1接口的工作速率≥8Gbps，那么这些接口差分对的过孔尺寸建议根据实际叠层进行仿真优化。

以下给出基于EVB一阶HDI叠层的过孔参考尺寸：

R_Drill=0.1mm (钻孔半径)

R_Pad=0.2mm (过孔焊盘半径)

D1：差分过孔中心间距

D2：表层到底层的反焊盘尺寸

D3：信号过孔与回流地过孔的中心间距

 

表1-2差分过孔的参考尺寸

 

图1-5 差分过孔打孔建议

 

四、耦合电容优化建议

1、耦合电容的放置，按照设计指南要求放置。如果没有设计指南时，若信号是IC到IC，耦合电容靠近接收端放置；若信号是IC到连接器，耦合电容请靠近连接器放置；

2、尽可能选择小的封装尺寸，减小阻抗不连续；

3、如果表 1-1接口的信号工作速率≥8Gbps，那么这些接口的差分隔直电容建议按如下方式进行优化。 1）根据接口选择挖空一层或者两层地平面，如果挖空电容焊盘正下方L2地参考层，需要隔层参考，即L3 层要为地参考层；

2）如果挖空L2和L3地参考层，那么L4层要为地参考层。挖空尺寸需根据实际叠层通过仿真确定；以下给出基于EVB一阶HDI叠层的参考尺寸。  

 

表1-3耦合电容焊盘挖空尺寸参考值

 

D1：差分耦合电容之间的中心距；L：挖空长度； H：挖空宽度。

4、在耦合电容四周打4个地通孔以将 L2~L4 层的地参考层连接起来，如图1-6所示。

 

图1-6 耦合电容的挖空与GND孔的放置

 

五、ESD优化建议

1、ESD保护器件的寄生电容必须足够低，以允许高速信号传输而不会降级。

2、ESD需放置在被保护的IC之前，但尽量与连接器/触点PCB侧尽量靠近；放置在与信号线串联任何电阻之前；放置在包含保险丝在内的过滤或调节器件之前。

3、如果表1-1的接口的信号工作速率≥8Gbps，那么这些接口的差分对ESD器件建议按以下方式优化。挖空ESD焊盘正下方L2和L3地参考层，L4层作为隔层参考层，需要为地平面。挖空尺寸需结合 ESD型号并根据实际叠层通过仿真确定。

以下给出基于基于EVB一阶HDI叠层的所用 ESD型号为ESD73034D 的参考尺寸。

 

表1-4 ESD器件焊盘挖空参考尺寸

 

4、同时在每个ESD四周打 4 个地通孔以将 L2~L4 层的地参考层连接起来，如图1-7所示。

 

图1-7  ESD布线情况示意

 

六、连接器优化建议

1、在连接器内走线要中心出线。如果高速信号在连接器有一端信号没有与GND相邻PIN时，设计时应在其旁边加GND孔。

2、如果表1-1接口的信号工作速率≥8Gbps，那么这些接口的连接器要能符合相应的标准要求(如HDMI2.1/DP1.4/PCI-E3.0协议标准)。推荐使用这些厂商的连接器：Molex、Amphenol、HRS等等。

3、根据接口选择挖空一层或者两层地平面，如果挖空连接器焊盘正下方的L2地参考层，需隔层参考，即L3层要作为地参考层；如果挖空L2和L3的地参考层，那么L4层需要为地平面，作为隔层参考层。挖空尺寸需结合连接器型号并根据实际叠层通过仿真确定。

4、建议在连接器的每个地焊盘各打2个地通孔，且地孔要尽可能靠近焊盘。

以下给出基于EVB一阶HDI叠层的挖空参考尺寸。

 

表1-5连接器焊盘挖空尺寸参考值

 

连接器推荐布线方式：

 

图1-8  DP连接器布线示意

 

图1-9  Type-C连接器布线示意

 

图1-10  HDMI2.1连接器布线示意

 

 图1-11 PCI-E3.0连接器布线示意

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