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背板设计 |详解PCB设计中高速背板设计过程

前言

“高速背板和高速背板连接器”在“高速PCB设计中的几个隐形杀手”中提到,那么高速背板是如何设计的,从头到尾会采取什么设计步骤,每个环节的重点是什么?本期将对案例分享进行总结。

高速背板的设计流程

高速背板的完整设计过程除了遵循IPD(Product Integrated Development)流程外,还有一定的特殊性,与普通硬件PCB模块开发过程不同,主要是因为背板与产品的硬件架构密切相关,除了与系统中各个硬件模块的信号接口外,还与整机的框架结构设计密切相关。

高速背板的设计过程主要包括以下设计环节:

高速背板设计过程中各环节的关键内容

关键技术示范

除了要注意背板的PCBA设计元素,整个系统的高速信号互联链路的设计也需要注意。对于典型的高速信号链路,请参考下图:

因此,有必要在前期进行充分的技术论证,主要包括:

①芯片SerDes的选型和高速信号驱动能力的验证(仿真分析也可以提供参考结论,但如果芯片SerDes有Demo板进行测试,则更建议测试验证)

②高速连接器的选择和验证(重点是连接器的时域和频域指标,是否能满足产品系统最高速度信号传输的性能要求,一般通过设计“连接器SI测试板”)

③PCB板的选择(系统链路包括两侧子卡的PCB走线和背板的PCB走线,PCB板的性能直接影响链路损耗,需要确定合适规格的Low Dk/Df板)

硬件架构设计

(1)系统中每个单板模块的功能和数量

系统的整体数据交换能力决定了系统的单槽数据容量和业务子卡数量;

系统中其他子卡的数量,如核心交换子卡数量、主控子卡数量、整机电源模块/风扇控制模块数量等。

②用于连接各模块和背板的接口连接器的具体型号和数量

根据信号数量,确定各模块接口连接器的具体选择

③与整机框架设计相关的架构设计

子卡插槽间距、面向子卡结构的设计方案、系统总功耗、系统冷却风道设计等。

总体设计方案

将之前关键技术论证和硬件架构设计确定的设计实现方案形成背板总体设计方案文件,同时对高速信号链路进行预仿真分析

PINMAP设计

这个阶段已经进入了背板的详细设计和实现阶段。由于背板与产品系统中的各种硬件功能子模块都有信号接口,所以需要明确定义接口连接器上所有接口信号的定义,类似于芯片管脚的PINMAP。

一方面,背板PINMAP的设计需要重点关注高速接口信号的串扰控制(比如信号之间是否要分离一个GND信号或者两个GND信号);另一方面,需要注意PCB Layout设计的可实现性(通常背板PCB布线比较流畅,高速背板层数通常比较多,信号清晰度失真的话,PCB设计层数会呈指数级增长)

原理图设计

背板的原理图设计比较简单,PINMAP可以通过自行开发的软件工具脚本直接转换成原理图

印刷电路板布局

初步设计工作已经做到位,背板PCB的设计和实现通常不会太难。可以按照既定的接线规则进行连接,重点是保证系统电源的供电电流容量

超声波测试

背板的UT单元测试侧重于背板高速信号通道的SI性能,此时可使用连接器测试板作为测试辅助

系统集成测试

系统集成测试的过程会比较长,因为背板本身有与各种硬件子模块的接口,在不同的排列组合下会有更多的测试场景,比如交换子卡与业务子卡的通信,主子卡与业务子卡的通信,主子卡与整机子模块的通信等等。

整个产品的测试,如高低温、温度循环、可靠性等,也需要背板开发设计人员参与定位产品测试问题。

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