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  • 中兴电路设计规范.pdf

    2020-05-16 17:44:11
    中兴设计开发部电路设计规范,硬件工程师非常好的参考。适合硬件入门。。。。网上资源。。。仅供学习参考。设计规范是指对设计的具体技术要求,是设计工作的规则。一般包括总体目标的技术描述、功能的技术描述、技术...
  • 中兴电路设计规范

    2012-07-06 10:46:14
    中兴电路设计规范
  • 三天研读《中兴电路设计规范》精华总结

    万次阅读 多人点赞 2020-05-16 18:25:52
    本博客将简述中兴通讯股份有限公司在原理图设计中需要注意的一些事项,其中包含了中兴设计开发部积累的大量硬件开发知识和经验,可以作为学习使用。硬件工程师可以学习并掌握检查条目的内容以及对条目的详细说明,...

    目录

    1、原理图制图规范

    2、电路设计

    2.1、通用要求

    2.2、逻辑器件应用

    2.3、时钟设计

    2.4、保护器件应用

    2.5、可编程逻辑器件

    2.6、电源设计

    2.7、其他应用经验

    3、可靠性设计

    4、信号完整性/电源完整性设计

    5、系统相关设计

    6、可生产性设计

    7、可生产性设计

    7.1、JTAG

    7.2、测试点

    7.3、电路可测试性

    7.4、系统可测试性


    本博客将简述中兴通讯股份有限公司在原理图设计中需要注意的一些事项,其中包含了中兴设计开发部积累的大量硬件开发知识和经验,可以作为学习使用。硬件工程师可以学习并掌握检查条目的内容以及对条目的详细说明,学习部门经验。

    1、原理图制图规范

    原理图制图规范如下表所示:

    详细说明如下所示:

    1、原理图必须使用公司统一原理图库 

    在原理图设计中,必须采用公司统一原理图库,以保证设计的一致性和打包后封装、料单等结果的一致性。不使用公司统一原理图库造成的连接、封装错误个人承担责任。

    注意使 cds.lib 中的路径指向库服务器 eda-svr1 的路径。库服务器每天会和公司统一库服务器同步 2 次确保最新。

    在改版设计中尤其要注意这个问题,因为打包时会将部分库备份到本地,可能造成本地库和公司库不一致。

    对于历史遗留的未采用统一图库的设计,可以豁免此项检查。但是如果经历改版,必须将原理图库切换至公司统一库,以保证料单的正确性和后续的可维护性。

    2、原理图应采用0.100栅格

    该栅格设置为一般器件库管脚间距的设置,采用非标准设置的栅格可能会导致其他人员重用原理图时无法对齐。

    3、图框大小

    部门要求,除非器件符号太大无法在图面内放置,一律采用 A4 幅面的图框进行设计。部门一般均采用 A4 幅面进行打印,在 A3 幅面上绘制的原理图在 A4 幅面纸页上打印后字符无法分辨,难以进行走查、评审。故规定无特殊需要一律采用 A4 幅面图框进行设计。

    4、图框上填写的内容和页码、总页数等信息应以用户变量(Customer Text)进行标注

    采用用户变量方式标注,可以每页的内容一致,避免出错。如果因为填写错误修改,也只需修改一处即可完成整个原理图的修订,故要求所有原理图的图框信息应采用用户变量进行标注。

    5、每一页左下角标注功能注释和修改日期

    如下图所示,采用普通文本标注功能,采用 CON_LAST_MODIFIED 变量标注最后修改日期标注日期。

    6、原理图必须署名,多人设计原理图应在相应页码署各自的姓名,封面署单板负责人的姓名

    如果一份原理图由多人完成,每个人完成其中一个部分,应在定义环境变量时定义多个环境变量,如 ADRAWN1,ADRAWN2……以此类推。在分配任务时事先约定,在各自完成的部分分开填写相应的用户变量,实现分开署名。封面页的署名为单板负责人的署名。

    7、原理图上所有的文字方向应该统一,文字的上方应该朝向原理图的上方(正放文字)或左方放文字

    8、原理图上的各种标注应清晰,不允许文字重叠

    原理图上包括网络名、位好、器件管脚号等各中字符都不允许重叠下面是不符合规范的例子

    9、去耦电容的放置  

    去耦电容分为两种:局部去耦和全局去耦。局部去耦目的很明确的布置在芯片附近,为芯片和附近的信号提供信号回流路径和电源去耦。全局电容布置于板上各处。

    将去耦电容和器件在原理图上靠近放置,可以有针对性、有计划地添加局部去耦,在布局时应该注意将相应位号的电容摆放在需要去耦的芯片附近。全局去耦电容主要分布在单板上没有去耦电容的部分,以及换层过孔的附近,提供信号回流通路。

    10、差分线命名

    差分线推荐使用+/-结尾,便于在辨认网络,在布线时添加合适的约束以及信号完整性分析。因为事业部 3G 规范命名中出现信号命名以单板名称为后缀,差分线+/-符号放在中间的情况,为了兼容本规范允许+/-号放在中间。

    无特殊情况推荐将+/-符号放在信号名最后。

    11、时钟信号的命名

    为了方便信号完整性分析和布线约束制定,并保证不引起歧义,时钟信号必须以规定的 CLK 后缀结束。其他信号,例如时钟使能信号等,一律禁止以该信号命名后缀结束。时钟信号命名还应体现出时钟频率。根据绘图者的习惯,可以体现出时钟的流向、用途、来源等信息。

    例如:FPGA1_8K_CLKFPGA2_33M_CLKOIB0_52CHIP_TCLK 都是符合规范的命名。

    12、串联端接网络的绘制和命名

    对于源端端接网络,正确的画法应该是将串阻直接画在驱动器件的输出端,串阻和驱动器件之间的网络可以不进行命名,串阻之后的网络进行命名。如下图所示为一个正确的范例。

    如果将串阻放在接收端,或者在串阻之前的信号进行命名,串阻之后的信号不进行命名,都会使得布线的分析和检查困难,甚至会造成串阻被放置在接收端而未被查出的结果,导致信号完整性较差。如下图是不正确的范例:

    13、电源及有特殊要求的网络命名  

    对于电源网络和有特殊要求的网络(例如阻抗控制,电流较大,布线层、过孔数有限制等),必须加以命名,这样在 PCB 进行布线布局时,就可以对相应网络进行特定的约束和检查,确保布线满足设计要求。

    对于单板接口电源信号,应该和系统设计保持一致,不强制规范添加 VCC 前缀。但是《PCB 设计说明》中必须明确申明,确保布线符合设计实际需要。

    对于一些器件(例如时钟驱动器、锁相环等),其电源单独通过磁珠等进行滤波,往往忘记添加网络标号直接相连,或者添加普通的网络标号。这样的结果很可能导致该网络未按照电源进行布线,走线较细或者走较长线,带来性能上的降低。

    14、原理图库多部分构成的器件打包问题

    一些器件因为管脚很多,在原理图库中被分成了几个部分,例如部分背板连接器、FPGACPU 等。这些器件在绘图过程中很可能被放置在不同的页上。

    在打包过程中,很可能出现一个器件的不同部分被分以不同的位号,成为多个器件;以及多个器件位号相互交错的问题。

    一般避免此问题有如下方法:

    • 对同一个器件的不同部分,设置属性“Group”,定义为同一个组名(例如“FPGA1”);
    • 设置位号硬属性“Location”后打包。(反标产生的为“$Location”软属性。)

    以上两种方法不能同时使用,否则会出现错误信息(参见 Package XL 手册)。 一般情况下,为了避免打包时或者修改属性时出现其他问题,兼顾模块设计的需要,我们不推荐使 用“Location”指定硬属性的方法解决此问题,建议定义“Group”属性。

    15、Alias 符号的使用

    我们有时使用 Alias 来连接网络,以实现同一个物理网络,需要不同名称的场合。例如对于一个网络信号名定义为 PLUG-S,实际和 GNDD 相连,就可以使用 Alias 进行连接,不会发生错误。

    使用 Alias 连接的网络,必须使用网络标号的方式进行连接,不能使用连线(wire)进行连接,否则会导致连接失败。

    正确的画法为:

    错误的画法为:

     两种连接方式看起来完全一样,但是实际上第二种方式在打包时不能形成正确的连接。  

    16、禁止使用SIZE 属性放置多个器件

    采用定义 SIZE 属性放置多个相同连接关系器件的方法,例如去耦电容、MARK 点等。

    采用此种方法虽然方便了原理图绘制,但是导致位号难以控制的问题。当布局布线要求需要调整数量时,很可能出现调整掉已经布局好位号等问题,所以本部门规定,禁止使用 SIZE 放置多个相同连接关系的器件。

    17、Offpage/offpg 符号的调用

    Offpage 符号在原理图库中一共有六种,如下图所示:

    这六种符号分别表示出了输入、输出和双向信号从左右两个方向进入页面。垂直的出页符由水平的出页符翻转实现。需要注意的是出页符在使用中不能通过镜像、翻转的方式作为相反方向的出页符使用,例如将左侧入页符 1 翻转、镜像后作为右侧入页符 4 使用,否则会出现文字位置、方向错误的现象。

    18、器件管脚上的引线,应引出后再分叉 ,不得直接在器件管脚上分叉

    在绘图时,如果遇到 T 型的网络,必须将远见引脚引出后连接,不得直接在器件管脚连出分叉, 如下图所示。

    采用上图中左侧的方式,在原理图打印后,无法确认网络连接。故不推荐使用。

    19、关于单节点网络和浮空管脚的检查

    在设计中出现单节点和浮空管脚是很正常的事情,例如单板静电泄放模块中有很多单节点。本条目要求的是对所有的单节点和未连接管脚进行确认,确保没有漏接网络或者遗留未处理的CMOS 输入管脚、器件控制管脚器件控制管脚。

    20、采用Cadence提供的工具对原理图和PCB的网表一致性进行检查
     

    2、电路设计

    2.1、通用要求

    通用要求规范如下表所示:

    详细说明如下所示:

    1、器件接口电平匹配

    器件接口之间的电平应该匹配,尤其要注意不同电压/电平类型逻辑进行接口的场合。

    例如我们常用的 LVTTL 信号输入低电平阈值和高电平阈值分别为 0.8V 2.0V。虽然器件实际反转电平处于 0.8~2.0V 中间的某一个电压,但是设计必须保障输入电平不会处于两个阈值之间。

    对于差分线,要考虑逻辑的共模电压和差分电压范围是否都能够满足要求。 在不同标准、不同电压的逻辑电平进行接口时,尤其要注意这个问题,并避免器件工作在安全工作范围之外。

    例如某单板中曾使用 3.3V PCI 时钟驱动器 CDCV304 分发射频时钟,时钟来源于 1 5V 的压控晶体振荡(VCXO),该振荡器为 CMOS 输出。VCXO 的输出电压范围超出了 CDCV304 输入的电压范围,长期工作可能对 CDCV304 的钳位电路或 VCXO 的驱动电路造成损伤。

    随着工艺的进步,线宽减小,很多逻辑器件的内置保护电路变得非常脆弱,不能长期承受过应力,器件对过冲等指标也提出了要求。在设计中应予以甄别。

    2、PECL-LVPECL 接口

    PECL 信号电源电压为 5V,在和 LVPECL 接收器进行接口时直流偏置工作点不满足要求。对于数据流经过直流编码的应用,可以采用交流耦合方式,即在信号线上串联电容隔断直流,两边分别采用上下拉电阻设置工作点。交流耦合电容如直接对单板外部接口,则存在对对方单板输入器件的 ESD 损伤隐患。采用上面提到的,在耦合电容另外一边对地接大电阻防止静电积累是可以的,但要考虑对信号的影响,所以需要对改电路进行实际验证才可以下结论。

    对于必须采用直流接口的场合,应采用公司的 3 电阻端接参考设计。电路原理图如下图所示:

    3、单板对外接口器件选型必须能够满热拔插要求

    在单板对外接口器件选型时,应确保器件可以经受热拔插。对于普通逻辑电平器件,应考虑采用支 持 OE 控制、IoffPU3S 的器件。

    对于其他器件也应充分考虑器件在电源为 0 的情况下,是否会导致器件损坏、信号线被拉死情况,当单板上电且输入悬空的情况下,是否会出现输出乱码或错误电平、器件损坏等情况,并进行相应处理。

    4、对电源有二极管钳位保护的器件

    当器件内部存在对电源钳位的二极管时,输入电压高于电源电压(或者在热拔插场合电源电压被关闭、还没有启动),则输入电压会被二极管钳制,对其他信号造成影响,并很可能造成驱动器件或者钳位二极管的过应力损坏。

    如果器件的电源没有吸纳电流的能力,且该电源本身电流很小,则输入有可能通过钳位二极管拉高电源电压,造成局部电源过压,对器件造成损坏。

    5、差分信号应考虑Failsafe 功能

    差分线的 Failsafe 功能包括当驱动器断电,接收器断电,驱动器未连接,差分线开路,差分线短路(或者通过匹配电阻连接)等状况下,器件不应该损坏。更高的要求是当因为上述各种原因,差分线处在中间电平时,接收器应该输出一个固定的状态。接收器输出乱码很可能导致器件的时序不满足要求而 导致状态机跑飞等故障。

    我们的 3G 系统中大量使用 MLVDS 器件发放时钟,可以参考 TI 公司 SLLD009 等文档了解 MLVDS器件的 Failsafe 功能。I MLVDS 器件在我们系统应用中,在无驱动状态下会因为干扰而输出乱码,采用 II 型器件可以解决;我们系统中的 RS-485 器件,当接收端接有端接电阻且无驱动的情况下,输出低电平,造成 UART 接收到错误的码,需要进行上拉或下拉处理。

    我们系统中 RS-485 总线的处理也是考虑到 Failsafe 功能和器件驱动能力之后综合考虑的结果。

    6、了解 CMOS 器件的闩锁现象,选用不易发生闩锁的器件

    CMOS 器件的闩锁(Latch-up)现象是由 CMOS 工艺结构所造成的。CMOS 器件在生产过程中,会寄生 PNPN 结构,相当于一个 SCRSilicon Controlled Rectifier)。当因为电源电压异常、输入电压/输出电压高于电源或者低于地、ESD 放电等情况出现时,就有可能触发闩锁。 当闩锁发生时,器件内部的寄生 SCR 被触发,形成从电源到地的电流直通通路,产生大量热导致 器件烧毁。

    一般触发源消失后闩锁仍然保持,只有断电能够退出闩锁状态。为了降低器件发生闩锁的概率,我们在设计中应该理解并选择不易发生闩锁的器件。在一些器件手册上会说明,闩锁性能满足 JESD78 规定的某一级要求,均可作为参考。

     

    同时,我们在应用中应该尽量避免触发闩锁的条件,例如:

    • 热拔插过程中保证地线首先接触,然后是电源,最后才是信号

    • 在背板接口上采用串联电阻的方法限制电流,减少闩锁发生的概率

    • 多电源器件,严格遵守手册规定的上电和断电顺序
    • 避免信号和电源出现过压等情况:一方面应该采取措施避免信号线上出现浪涌,一方面应该避免因为二极管钳位电路将浪涌泻放到电源而造成局部电源过压。

    7、器件工作速率符合设计要求

    器件和引入信号的交流特性应该匹配,例如 EPLD 是否支持引入的高速时钟信号以保证逻辑能够正确采样;时钟 BUFFER 是否用来驱动比其所能支持的频率更高的时钟信号等。例如 SN65MLVD200 器件,其数据手册上的速率为 100bps,折算成时钟频率为 50MHz,如果我们用来驱动 60MHz 的信号,虽然可以工作,但是性能不能再得到数据手册上的保证。

    8、在满足系统性能要求的情况下,尽量降低信号的速率,采用慢速器件

    高速器件主要指信号切换速率高的器件。因为切换速率高对应着工作频率也能增加,所以两者有一定的联系。

    高速器件和高时钟速率对系统带来了多方面的影响:

    • 信号完整性问题。即使是很短的导线,也必须作为传输线处理,进行恰当的端接,否则就会发生振铃、过冲。这不仅仅和频率相关,频率很低而切换速度很高的器件也必须考虑!
    • 切换速率的提高使得电源完整性劣化,需要更多的考虑电源系统的设计。
    • 有可能造成成本的上升。例如曾经采购 EP20K160EFC484 FPGA,快一个等级的器件价格上要高出数百元人民币。
    • 更多的 EMC 问题。
    • 设计时序要求更加严格。
    • 功耗更大,为系统散热带来挑战。

    当不必要的时候,我们可以尽量选用便宜、满足要求的慢速器件。

    9、模块电路、通用电路和参考设计

    设计的重用可以大大简化设计工作,提高设计效率,提高工作质量。公司内部统一使用相同功能电路还能够减少器件选型种类,降低管理成本,并通过扩大单一器件采购量的方式降低采购成本。

    模块电路/参考设计一般都由相关领域经验丰富的员工开发,经过了较多的应用验证和严格的设计评审,电路成熟,可靠性较高。没有特殊的情况,能够采用模块电路实现功能者一律要求使用模块电路。 如果认为模块电路在成本上不具优势,或者模块电路存在设计问题,应提请模块电路进行修正,不要私自重新设计电路。

    10、产品设计约定

    对于部分尚未来得及模块化、通用电路化的电路,以及只和产品相关的电路设计、器件选型,部门在产品开发的特定阶段会针对产品进行约定。例如在 3G 系统中选定了部分器件作为公用器件,约束了接口逻辑器件的上拉或下拉方式,规定了 0.1uF 去耦电容的选取等。这些约束在产品范围内和模块电路、通用电路等有同等效力,必须遵守。

    11、同一物料代码下多种器件的使用

    为了降低采购成本,并避免因为供应商出现商务纠纷、财务问题、质量问题等导致公司生产受到影响,一般的物料都会要求有两家以上的供应商可以供货。物料代码的初次申请往往是为特定应用场合考虑,所以两种物料很可能各种参数不完全兼容。对同一代码物料的采购,是综合价格、供货能力等各项因素考虑的结果,

    例如某应用需要 3.3V 工作 100MHz 的视频模拟开关,为两种物料申请了代码,一种的工作电压为3.3V,另外一种可以工作在 3.3V 或者 5V 的环境下。当设计进行器件选型时,必须要求对一个代码下所有的物料都进行分析,确保可用。在调试和试生产过程中对各种物料单独使用、混合使用等各种情况进行试验,确保设计工作正常。

    12、单板上所有有复位管脚的芯片,要求复位管脚软件可控

    UART、专用芯片很多都有专用的复位管脚,FPGA 在设计中一般也会设计复位管脚用来对全片进行复位。这些管脚应该软件可控,以保证当单板一部分工作不正常的时候,可以通过软件对该部分复位,不需要复位整块单板。

    例如某接口单板,有多片 FPGA 存在。如果部分 FPGA 已经下载并开始工作,而其他没有正常工作时,会导致系统输出一些错误的数据。通过让已下载的 FPGA 处于复位状态可以避免这个问题。如果软件不能控制 FPGA 的复位端,系统将无法正常工作。例如某单板上 FLASH 的复位引脚连接到上电复位信号上,如果写 FLASH 过程中程序跑飞或被后台复位,则 FLASH 不能再次写入,必须前台断电复位才能正常工作。

    13、初次设计 CPU、DSP和 ASIC 的配置管脚的上拉或下拉状态尽量设计成可调

    在初次设计中,设计者对 CPUDSPASIC 等器件的实际应用情况并不了解,完全依赖于器件厂 商提供的器件手册,配置管脚的上拉或下拉状态很容易设计错误。对于很多专用的集成电路,其工艺、 硅片版本也都处于升级之中,数据手册经常会存在错误

    在初次设计中,将 CPUDSPASIC 等器件的配置管脚设置为可调,可以通过选焊电阻的方法避免飞线,提高一次成功率。

    14、器件手册,更正历史和勘误表

    器件厂商在开发器件的过程中,不可避免的会出现错误。有些错误是因为设计问题引起的,有些问题是因为硅片工艺问题引起的。器件手册本身在编写过程中,也会出现一些遗漏和错误。因此,器件厂商会对器件手册进行升级,或发布器件手册的勘误表(Errata)。

    例如某型号 DSP 器件,对器件手册的勘误表有多次升级,说明了在芯片当前版本中的各种问题,了解这些问题可以避免在设计中重复已经发现的错误。再例如 SPARTAN 3 FPGA2003 年的厂商的器件手册和 2004 从网上下载的器件手册在一些说明中存在差异。

    15、对于设计中的可配置部分(包括为调试设计而最终不安装的部分),必须注明本板在线运行和调试使用的所有配置方式

    单板上经常会设计可配置的方式,例如初版未确定配置方式而设计的上拉或下拉、为了器件兼容设计的上下拉电阻和 0 欧姆跳线电阻、为了同一块 PCB 实现不同配置设计的可调部分,为避免风险而设计多种器件方案,最终只采用 1 种的情况、为了调试方便设计的一些跳线和上下拉等。

    当这些情况出现时,原理图上会存在多种方案,最终设计在料单上体现。这样会给阅读、走查等带来很大的困难。

    所以我们规定,可配置部分必须在器件旁边注明配置方式。

    2.2、逻辑器件应用

    逻辑器件应用规范如下表所示:

    详细说明如下所示: 

    1、未用 CMOS/BICMOS 器件管脚不得悬空,需要通过电阻接电源或者接地

    CMOS 器件的输入端一般为一对互补的 MOSFET 的栅极。MOSFET 的栅极一般是在一层非常薄的硅氧 化物绝缘层上制造的,具有非常高的电阻和一个 小电容。当悬空时,管脚上微弱的感应电荷很难释放,就会在栅极上建立很高的电压,导致栅氧 化物击穿而损坏器件。ESD 防护二极管的可以防 止避免器件损坏,但是我们要求采用电阻降低输入端阻抗,实现可靠的设计。

    另外,悬空的 CMOS 输入端可能处于任意电平,也就导致了器件可能处于 PMOS NMOS 直通的状态,甚至处于震荡状态消耗更多功率,减少器件寿命。

    2、悬空、固定电平的管脚采用电阻接电源或者接地,禁止直接连接

    上节已经说明了 CMOS 器件输入禁止悬空的问题。另外,还有一些控制信号,我们在设计中只要求其出于常‘0’或者常‘1’状态。在有的设计中,将不使用的器件直接连接在电源或者地上。在公司的生产过程中,单板都需要进行 ICT 测试,需要通过探针对单板上的器件施加激励并测量响应,确定单板是否正常。直接将器件的输入端接地将导致器件该部分无法测试,所以从可测试性考虑,严禁将此类输入管脚直接接电源或者地,必须通过电阻连接。

    对器件悬空管脚进行处理时,应考虑测试需要,例如器件的 OE 和输入信号不应使用同一个电阻进行上下拉,否则在测试中因为有一个电平会关断器件而无法测试;多个器件不应使用公用的复位、控制或使能,否则无法隔离各个器件定位问题,如下图所示:

    3、多级具有上电3态的器件级联驱动信号时,如果信号上电过程要求确定电平,则各级输入端都必须采用上拉或下拉电阻确定状态

    有时我们可能采用上电三态的器件驱动驱动器的 OE 端等信号。这些信号在上电过程中对其电平有要求,如果上电过程中驱动器被打开,则可能引起总线冲突而导致系统工作不正常,甚至烧毁器件。此时因为不能确定各个驱动器脱离三态的顺序,各点都需要用上拉或下拉确定电平。

    例如下图中的电路,为避免驱动器 3 最先脱离上电 3 态后向背板输出数据,C 点必须采用上拉或下拉确定为无效电平。如果驱动器 2 先于 1 脱离上电三态,它可能将 C 点驱动为有效电平,所以 B 点必须进行上拉或下拉处理。同样道理,如果 A 点由一个上电时三态的器件驱动,那么 A 点也必须上拉或下拉。

    4、采用具有上电3态的器件驱动背板输入控制信号,如果该信号上电后立刻需要读取且不受上电复位控制(例如单片机ISP模块中的背板复位信号和下载使能信号),则必须采用电阻置初始电平。

    本条和上一条目内容基本一致。我们的系统中一般都采用了 LVT16244 或者类似的器件对背板输入信号进行缓冲,提高单板的可靠性。器件的选择一般和驱动输出到背板信号的驱动器一致,故都具有上电三态特性。我们不能够确定器件脱离 3 态或者完成上电开始工作的顺序,故必须采用一定的手段确定系统在上电过程中状态可控。

    5、对背板输出的驱动器,如果其OE端需要控制,应采用电阻设置为输出无效状态

    对背板输出的驱动器,应该避免在上电未完成时对背板输出,以防止出现系统异常的数据或者总线冲突。如果背板驱动器 OE 端通过 EPLDFPGACPU 等控制,则需要系统在这些器件没有上电之前,背板驱动器处于关闭状态,故应改对 OE 端进行上拉或下拉处理,采用电阻设置为输出无效状态。

    对于常用的 16244 等驱动器,对 OE 端采用电阻上拉。

    6、避免使用一个排阻同时用作信号上拉和下拉

    有些单板设计中,设计者为了节省排阻,采用 1 个排阻,其中部分电阻对信号进行上拉,部分电阻 对信号进行下拉。

    因为在加工过程中,排阻焊接容易产生搭锡短路,采用 1 个排阻同时作为上拉和下拉电阻,发生搭锡很可能会导致电源地之间的短路,此类故障极难查找定位。

    另外在调试过程中,测量时示波器探头易导致排阻相邻管脚短路而造成探头烧蚀和单板损坏。

    为避免麻烦,规定避免使用一个排阻同时用作信号上拉和下拉。

    7、UART器件16C55X,如果不使用其DSR、DCD、 CTS信号,需要进行下拉,使信号为有效状态,避免自动流控制的器件不能正常工作

    UART 器件的 DSRDCDCTS 信号,分别表示数据设备就绪(Data Set Ready)、数据载波检测到(Data Carrier Detected)、数据设备准备好发送(Clear To Send),其有效电平为低电平。

    在具有自动流控制功能的器件(TL15C55xA)中,如果使能自动流控制功能,CTS 将决定 UART的发送器是否允许发送。某事业部的某种单板,因为这几个信号悬空未处理,管脚表现为高电平,加之软件处理不当,导致了数百块待发货单板回生产线返修。

    为了确保在各种状态下器件工作正常,我们如果采用 3 线制串口通讯(TXRXGND),应将这几个信号采用电阻下拉到地。

    8、PCI 总线信号的上拉

    9、对缓慢变化的信号需要使用带施密特输入的器件进行驱动

    当对器件施加缓慢变化信号(例如采用 RC 和按钮开关产生复位脉冲的电路)时,处于切换期内的 时间较长,在切换阈值附近的时间也比较长。现在我们使用的大部分逻辑器件开关速度都比较快,这时器件的寄生电感、电容等特性就会体现出来。

     

    例如当输入电压缓慢上升到达阈值,驱动器反转时,负载电容 CL 会通过引脚电感 LP 向地上放电。快速的放电导致 LP 上产生一个电压降,器 件内部的电位实际上被抬高至高于地。内部阈值相对地升高。因为输入信号上升缓慢,此时阈值实际已经高于信号,器件再次发生翻转,VCC 通过 LP CL 进行充电,在 LP 上产生压降,器件内部的 VCC 降低,导致翻转阈值降低,器件再次发生翻转,如此往复。

    电源地上的噪声在这种情况下也可能引起阈值变化而产生振荡。

    10、设计中应防止上电及正常工作时出现总线冲突。对于可能出现冲突的情况,应采用互斥设计,确保不会因为软件问题导致冲突

    当总线产生冲突时,多于一个器件同时导通,当两个器件的输出的电平不一致时,将会有较大的电流通过器件的输出级直接从电源流到地,器件将耗散很大的功率,严重影响器件的寿命,并且干扰总线上的数据。

    11、 和背板直接相连的驱动器必须满足热拔插要求

    我们的系统为热拔插系统,在系统工作的同时需要能够插上或者拔出单板,而且当单板在位的时候,可能会关闭单板电源。这就要求单板在拔出、插上或者断电的时候,不应该造成器件损坏,不应该对系统功能造成影响。

    12、MCS-51 单片机总线和端口需要加驱动

    MCS-51 单片机的端口和总线驱动能力较弱,尤其是 P1~P3 端口,其输出上拉结构由 3 MOS 构成,输出由低跳高的前 2 个时钟周期中,上拉较强,其余时候上拉较弱。如果总线上具有类似下拉电阻的负载(输入高电平时需要流入电流的负载),将可能无法正常驱动。

    所以我们规定,对于 MCS-51 单片机总线和端口,需要加驱动。因为总线保持器件存在的保持电阻可能使单片机端口被拉死为低电平,所以禁止在 MCS-51 单片机外围电路使用总线保持器件驱动。

    关于 MCS-51 单片机端口特性的分析,可以参考早期技术文档《51 单片机 IO 口上的“高电平总线保持”特性》和 Intel MCS-51 单片机手册。

    13、原则上不推荐采用总线保持器件或者启动可编程器件的总线保持功能

    总线保持器件(TI 公司的 LVTH 器件,其他一些公司的 LVT 器件,以及部分 LVCH 器件等)在输入端添加了一个从输出端反馈的回路,等效电路如图所示:

     

    采用总线保持器件,输入信号断开时,因为正反馈的存在,会保持最后输入的电平,避免输入悬空,可以省略驱动器上的上下拉电阻,节省电路板空间和成本。

    14、总线保持器件通过电阻预置状态时的上下拉电阻推荐采用 1K

    如果经过评估,认为在设计中可以使用总线保持器件,那么如果要对某一个驱动器置初始电平,该电阻必须能够提供器件反转所需要的最小反转电流。从另外的角度上看,外接的上下拉电阻必须要在和器件内部的保持电阻分压之后,提供正常的电平来让器件翻转。

    推荐每个输入采用 1K 电阻进行上拉或下拉,确保总线保持器件在无驱动状态总能被可靠的置为需要的电平。如果多个器件并联使用,需要相应的减小电阻以确定可靠的上拉或下拉。

    15、BUSHOLD器件,不论其输出端口处于何种状态,其输入端口的BUSHOLD特性一直有效。对于双向器件,其两个方向端口在输出高阻态下输入BusHold特性一直有效

    Bus Hold 特性是对于器件输入端而言的,当器件 OE 使能信号无效,输出为高阻态时,Bus Hold 特性依然存在。对于 LVTH16245 这样的双向器件,不论其 OE DIR 信号为何状态,两个端口都有Bus Hold 特性,这一点在应用中需要注意。

    16、上下拉电阻的选择

    上拉或下拉电阻的选择必须具备以下条件:

    • 可靠的为信号确定电平;
    • 不会显著的为系统增加过多额外的功耗;
    • 能够提供器件所需要的上升下降时间要求;
    • 阻值常用,价格便宜,供货充足。

    要可靠的为器件设置电平,要求网络上的漏电流流过电阻时,电阻上产生的压降不会太大。对于LVTTL 信号,应保证器件输入高电平不低于 2.4V,低电平不高于 0.4V。也就是说,当选择上拉电阻时,电阻上的压降不能多于 3.3V-2.4V=0.9V,选择下拉电阻时,电阻上的压降不能多于 0.4V

     

    对于早先的 TTL 器件,其输入端的结构决定其 IIH 较小,而 IIL较大,加之输入低电平时电阻上允许的压降也较小,决定了 TTL 器件下拉电阻选择小于上拉电阻的经验。对于现在我们常用的 CMOS 和BiCMOS 器件,IIH IIL的区别一般不大,而且电流往往都处于 uA 级,对于我们一般选择的 1K 10K的电阻,压降不大,所以不需要过多考虑。

    当一个电阻对多个输入管脚设置电平时,必须将 I IH I IL 乘以输入管脚的个数。

    17、ISPMACH4000系列EPLD和CycloneFPGA外围的下拉电阻

    对于 ISP MACH 4000 EPLD,我们推荐使能全局上拉以简化设计。

    Cyclone 型 FPGA 在未加载时,内部弱上拉使能。内部上拉强度随着温度的变化会有较大的变化,当温度低时上拉电流较大。在某主控单板上 Cyclone 输出其他单板的复位控制信号,采用了 10K 的电阻下拉,确保未下载逻辑时输出低电平(复位无效)。在低温试验中,复位该主控单板会导致全框受控单板复位,经分析确定为低温下内置上拉电流增大,导致 10K 电阻不能够将信号线拉低。

    在某接口板中,低温下复位备用单板会导致主用单板工作异常,也定位为 Cyclone 输出的状态信号采用 10K 电阻下拉,在 FPGA 重新配置时内置上拉电阻导致主备状态信号输出高电平所致。

    18、与背板相连的普通逻辑电平信号,如非特别要求,需要采用串接电阻

    对于总线型应用等场合或者信号完整性特殊要求的场合,对电阻的取值和串联与否可以灵活处理,以信号完整性优先 信号完整性优先。例如对于驱动很多负载的总线型应用,串联 33 欧姆电阻导致信号上升沿缓慢,系统时序裕量小,可以考虑串联 5~10 欧姆的电阻提高一次波的幅度和上升斜率;在 3G 系统基带射频接口中,为了保证主备配置下的信号完整性问题,将 33 欧姆串阻放在了背板上,在射频接口板中驱动器靠近连接器放置而未加串阻。

     

    对于双向的信号,如果本身器件布局很近且版面空间不允许,可以考虑将串阻合成为 1 个电阻处理,如下图所示。

     

    19、背板输入TTL/CMOS信号缓冲器须应用下拉电阻和串阻

    3G 第二版开始,背板输入信号规定必须添加防止闩锁的串阻防止信号线浮空的下拉电阻

    串 阻的大小为 100 欧姆,下拉电阻的大小为 10K。 采用 10K 欧姆下拉电阻是因为对于单个的 LVT 输入管脚,10K 电阻可以提供足够的电流保证输入 低电平,而对于总线型的信号,即使 10 块单板同时连接时,并联形成 1K 的下拉电阻对于驱动端不会造成很大的负载。

    采用下拉电阻而不是上拉电阻,是为了防止当本单板上电而其他单板未上电时,通过上拉电阻向其 他单板提供电流,或者当信号线高电平而本单板未上电时,信号通过上拉电阻向本单板供电而造成指示 灯微亮等异常现象。

    最初的产品设计约定规定为信号先过串阻,然后通过电阻下拉,如下图左所示。在系统调试中,我们认为采用如下图右所示的电路连接更加具有优势。在一些较复杂拓扑中,易于通过下拉电阻的调整实现对信号线的端接,具有更大的灵活性,并且不会产生两个电阻对输入信号分压的情况

    上图左边连接方式在布局时,必须注意两个电阻都必须靠近驱动器输入端放置,在右边的连接方式中,串联电阻必须靠近驱动器输入端防止,而下拉电阻放置位置没有特殊的要求,可以靠近连接器或者驱动器放置,放置时需要注意不造成传输线明显的不连续点。

    有一些情况是例外,不能采用下拉电阻:槽位号,插板到位指示,各种背板的 ID 号设置。因为背板无源,所以这些信号在背板上只能采用悬空和接地的方式进行设置,这样单板上只能采用上拉电阻, 当背板信号线为悬空时,输入‘1’,当背板接地时,输入‘0’。

    2.3、时钟设计

    时钟设计规范如下表所示:

    详细说明如下所示: 

    1、时钟芯片的电源处理

    时钟芯片的电源处理直接关系到系统时钟的性能和 EMI 指标。

    对于时钟驱动器而言,比较好的方法是直接通过过孔就近将电源和地连接到平面上去,充分利用平面电容和电源去耦提供良好的电源。但是这样做的同时,将时钟驱动器这一强脉冲电流源引入全板供电系统,进而可能导致整个单板的 EMI 指标恶化。

    所以我们一般采取折中的方法,对于输出管脚较多的时钟芯片,其电源滤波采用一颗磁珠(推荐选用 120 欧姆@100MBLM31P121SGPT,根据系统 EMC 实际情况可以调整),磁珠后应接 10uF 钽电解电容,0.1uF 陶瓷电容和 1000pF 陶瓷电容提供较宽频段内的低阻抗。

    多电源管脚时钟驱动器件每对电源地管脚之间的电源去耦可以照常进行。建议在器件下方铺设一块铜皮作为电源,减低电源回路的电感。

    2、单板50MHz以上时钟驱动器件未用管脚,通过75欧姆电阻接平面

    单板时钟驱动器当输出悬空时,有可能会引起辐射的增强(目前少见实际案例)。添加 75 欧姆电阻到地可以减少输出管脚电流高频谐波分量。对悬空管脚处放置电流探头进行仿真的结果发现部分频率谐波会有所增强,部分频率(500MHz 以上)谐波成分减少。对电源的冲击是否有改善尚待验证。

    3、驱动器未用管脚接平面电阻,推荐使用分立电阻

    驱动器未用管脚的接平面电阻,因为涉及功耗和 EMI 等多种问题,实际应用中可能焊接也可能不焊接。我们期望能够添加尽量少的电阻,以减少电路工作时的功耗。为了能够灵活处理各种状况,建议使用分立电阻,不推荐使用排阻对未用管脚进行处理。

    4、时钟信号网络的端接

    时钟信号在系统中至关重要,时钟网络往往是 EMI 的主要源头,所以时钟信号的网络必须恰当的规划拓扑并进行恰当的端接,确保信号质量,减少 EMI

    时钟信号最常用的拓扑和端接方式为点对点传输,源端端接。我们推荐采用这种方式我们推荐采用这种方式。这种方式实现简单,端接恰当就可以在接收端得到一个非常好的波形。该拓扑如下图所示,其中电阻阻值推荐根据仿真和测试结果确定。

    对于一个驱动器必须驱动多个负载的情况,当负载离得很近时,可以作为一个负载处理,如下图所示。使用这样的拓扑,必须进行仿真验证,确保接收端不会出现上升沿不单调等信号完整性问题。这个方案和下面的各种两个负载的方案相比,类似于点对点的传送,更加容易保证信号质量。

    对点到点时钟还有采用如下图的 T 型源端端接方式。该端接方式会使得接收端的波形变缓,在对时钟边沿上升时间最小值有要求的场合(例如器件要求 Tr>3nS),可以使用该电路延缓上升沿。 在时钟上升沿减缓的同时,发送端的负载可能变重,发送端瞬态电流增大。因为发送端增大的电流环路较小,而整个时钟传输路径环路较大,所以信号上升沿变缓从总体看来能够改善信号完整性问题和 EMI 问题。

    该方案需要 3 个器件实现端接,比较麻烦,在初版中一般不需要采用。如果采用一个电阻的源端端接方式单板出现 EMI 超标,试验验证在超标的时钟网络上采用此方案能够解决 EMI 问题时,可采用此方案。该方法应通过仿真和试验确定电阻和电容的参数。

    另外还有下面的一些一驱二端接方式。

    当两负载完全相同,走线完全等延迟时,可以采用下面的端接方式。为了能够得到一个良好的一次波翻转源端电阻的选取一定要小。如果负载相同,且走线相同,分叉上的反射波会同时到达源端,并且重新向两个分叉上反射。在两个接收端上,都会有多次反射波出现。如果两个分叉上有轻微的差异,则可能会产生强烈的不衰减振荡。所以这个拓扑不推荐使用。

     

    当两负载不同,走线等长时可以采取如下的拓扑。这个拓扑比较起上面的拓扑要好得多,当两个分叉不对称时仍旧可以工作,只是出现一些反射和振铃现象。在单片机模块电路中,我们采用了这种拓扑。一般我们也认为在不得不驱动两个距离较远负载的情况下,可以选择这种拓扑。这种拓扑当两个分叉对称性很差时,也可能出现一些反射造成的毛刺等,建议通过仿真选择器件参数。

    两个负载可以不同,走线基本等长。三个电阻要求放在一起,离驱动端的距离控制在 0.25nS 之内,可以采用下面的拓扑。直接连接在驱动器上的端接电阻相当于在上面一个拓扑中增大了驱动器的内阻, 后面的两个电阻相当于上面图中的端接电阻减小。在这个拓扑中信号会反射产生多个台阶,要选择合适的电阻确保一次波翻转。该拓扑要必须进行仿真后才可以使用。

    再考虑时钟线减少高次谐波的情况,在中间结点接一个电容,和前面的源端端接方案添加电阻很类似。该方案要求经过仿真后使用。

     当需要驱动多个负载时,可以采用如下的菊花链拓扑。这个器件相当于一个终端端接方案。网络上每个点的分叉应该尽量减小,尽量均匀分布负载。必要时,各个负载上可以串联一个电阻,减少对整根传输线的影响。这样,多个相同负载均匀挂在传输线上相当于减少了传输线的阻抗,需要注意终端端接电阻的选取,正确的端接传输线。该方案必须经过仿真后才能使用。

     5、当接口标准或器件对时钟网络等布线有要求时,依照接口标准或器件要求执行

    对于 DDRQDR 等网络,对时钟网络的布线有严格的要求。一般我们可以依照器件或者接口标准规划网络的拓扑方案,确保器件的时序裕量和信号质量。

    一般推荐对于信号质量,都进行信号完整性仿真再次确认。

    6、锁相环串联使用,须注意不会引发谐振

    锁相环是一个闭合控制回路,它在跟踪信号相位时,对部分频率成分敏感,部分频率成分不敏感。 其环路滤波器、VCO 和鉴相器几个部分的传递函数都可能存在零极点。此时整个锁相环的传递函数中 可能存在谐振点,即对某些频率分量的增益大于 1,该频率分量上的相噪将被放大。

    如果多个锁相环串联使用,如果存在共同的谐振点,将会导致输出的时钟信号该频率上相噪大,所以在锁相环串联使用时,须避免谐振的产生。

    这里要注意的是,零延迟缓冲器、倍频器等一般都有锁相环构成,都要受本条规则约束。

    7、不推荐使用多通道输入时钟驱动器驱动不同时钟

    采用多通道时钟驱动器驱动多路时钟,各路时钟之间会发生相互干扰。一方面是由于容性或者感性耦合,一方面是因为电源和地的扰动。

    当一路时钟发生切换时,因为时钟缓冲器一般输出数量多,瞬态电流比较大,将会在地引脚或者电源引脚上产生压降(Vcc Sag 或者 Ground Bounce),造成芯片的参考电位波动。如果芯片在设计过程中接地不合理,那么一路时钟切换在电源引脚上产生的波动将可能导致其他时钟切换的不确定性,甚至导致毛刺。

    为了避免此类情况的发生,我们一般不推荐采用多通道输入的时钟驱动器驱动不同时钟。

    如果因为空间、成本等原因,必须采用多通道时钟驱动器,必须注意驱动器的接地信号处理,以及输出走线的布局,器件的接地管脚应该就近直接连接地平面,电源一般应该单独去耦并连接到电源,一定不能将所有管脚连接到一起之后通过同-一个过孔接到地或者电源,这样很容易引起问题。不同的时钟信号应相互避让,避免时钟之间互相干扰。

    8、板间传输的时钟信号,上 单板后在时钟的输入端备用去回钩电容

    时钟对边沿单调性有要求,在板间传输的信号,当网络拓扑复杂的时候,可能出现回钩。如果对板内时钟质量没有把握时,也可以加备用去回钩电容。该电容过滤了小的毛刺,但是也增加了传输线末端的容性负载,所以需要经过试验确定是否需要添加。 示例如下所示:

     如果在样板测试时,发现进板的差分信号质量不好,可以使用去回钩电容。 例如 PECL 器件质量故障,如果在样板测试时发现 PECL 信号质量差,使用了该电容过滤回钩,问题可以化解。

    必须注意的是,我们应该在系统设计中通过良好的拓扑设计、对批次不良器件进行筛选来确保信号质量良好,而不应依赖备用的电容解决设计和器件质量问题。这个电容的设置只是为了应对不时之需,不能代替拓扑设计和信号系统级完整性分析。

    9、子卡与母板间传输的时钟,应保证子卡不在位时,时钟输入不悬空,时钟的输出有匹配

    驱动在母板时,采用源端串阻匹配;驱动在子卡时,采用终端电阻匹配,或者在子卡上采用远端匹配,在母板上通过上拉或下拉电阻确保当子卡不插时接收端不会悬空。

    2.4、保护器件应用

    保护器件应用规范如下表所示:

    详细说明如下所示: 

    1、TVS 器件的应用

    TVS 器件即 Transient Voltage Suppressor,是专门设计用来吸收信号线或者电源上出现的瞬态过压的器件。

    选用 TVS 器件前,应对它的参数有所了解,这些参数主要有:

    • 击穿电压 VBR:指器件在发生击穿的区域内,在规定的试验电流条件下所测得的器件两端的电压值。
    • 最大钳位电压 VCMAX:在峰值脉冲电流下测得的最大电压值称为最大钳位电压。最大钳位电压与击穿电压之比称为钳位系数。一般箝位系数取值为 1.33(在总的额定功率下)或 1.20(在 50%的额定功率下)。
    • 最大反向工作电压 VRWM:该电压是指器件反向工作时,在规定的漏电流下,器件两端的电压值。通常取: VRWM=(0.8~0.9)VBR,在这个电压下,器件的功率消耗很小。

    在瞬变和浪涌防护电路中使用 TVS 时,一般应该遵循以下选择原则:

    1. 最大嵌位电压 VCMAX应不大于电路的最大允许安全电压。
    2. 最大反向工作电压 VRWM应不低于电路的最大工作电压,一般可选 VRWM等于或略高于电路的工作电压。
    3. 额定的最大脉冲功率必须大于电路中出现的最大瞬态浪涌功率。
    4. 对于高速链路,需要考虑结电容的要求;
    5. 注意单向和双向 TVS 管的选择;
    6. TVS 器件的选型时要考虑器件的响应时间满足要求。

    2、保护器件应与被保护器件接在相同的地平面,如采用变压器隔离,为保证隔离特性,隔离变压器初次级两侧的器件要分别接对应的参考地

    我们常用的保护器件内部一般为 TVS 管或者钳位二极管阵列。当电压高于击穿电压时或者正向导通电压时,器件就会击穿或者导通。如果保护器件和被保护器件接在不同的地平面上,就形成了一个潜通路(参见参考文档《潜在通路分析技术及其在通信系统故障调查中的应用》,刘春杰,景焕强)。当两个参考点之间的电位差异比较大时,保护器件导通,导致被保护器件过应力损坏。

    例如某单板的 E1 保护采用如下图的电路。注意变压器器件侧的 DA108S 错误的接在保护地上。当GNDP 和 GNDD 之间存在较大的电位差时,DS108S 直接将 GNDP 上面的过压泻放到信号线上,导致被保护器件损坏。在这里,DS108S 不应连接在 GNDP 上,而应该和被保护的器件一起连接在 GNDD上。

    对于机框内部的连接,即使采用变压器隔离,因为整个机框都采用数字地作为参考,所以隔离变压器初次级两侧都应该向数字地进行保护(如果需要保护的话)。对于出框的连接,隔离变压器器件侧以数字地作为参考地进行保护,线路侧以保护地作为进行保护。

    3、PTC与TVS配合使用时,PTC要能及时动作,对TVS进行过流保护,同时,PTC本身也要能够满足工作电压的要求

    PTC 的意思为正温度系数热敏电阻器,主要厂商为 Polychem 等厂商。当温度较低时,PTC 呈现很小的电阻,随着温度的升高,电阻变大。

    PTC TVS 配合使用进行保护时,过压出现时 TVS 导通钳制电压,电流较大,PTC 温度上升,电阻变大,限制了电流的增大,避免 TVS 损坏。如果 PTC 动作过缓,会导致 TVS 在 PTC 动作之前过应力损坏。而 PTC 在动作之后,呈现很大的电阻,将承受过压的大部分电压,所以必须考虑 PTC 能否承受这么高的电压。

    2.5、可编程逻辑器件

    可编程逻辑器件规范如下表所示:

    详细说明如下所示: 

    1、逻辑资源的利用率

    逻辑资源的利用率应该保存在 50%~80%之间。资源包括内置的 RAM、乘法器或者 DSP 资源、逻辑资源(包括组合逻辑和寄存器、布线资源)、IO 资源等。对于能够精确估计使用情况的资源,如乘法器或 DSP 单元,占用率允许到达 100%。对于低于 50%则推荐采用低容量器件降低成本,高于 80%则推荐采用更大的器件,避免出现修正错误、功能升级后无法完成布线或者不能保证性能的情况出现。

    一般说来,在新板设计中,为了保证未来维护升级的方便,应保证资源有一定裕量;在改版设计中,如果逻辑已经稳定,资源相对固定,允许资源占用率更高一些。如果因为逻辑功能简单,已经选择选型范围内容量最小的 FPGA,或者考虑芯片通用性好,公司使用量较大,导致该型号逻辑器件价格低廉时,允许在资源利用率较低的情况下选择该器件。

    2、可编程逻辑器件的输入时钟至少有一个本地时钟

    FPGA 的输入必须要有一个本地时钟,保证在热插拔、系统故障的时候,逻辑还有时钟可以工作。当单板或者时钟板进行拔插时,外部输入的时钟可能消失或者出现毛刺。这时候逻辑可能出现跑飞、跑死等异常。必须采用一个不间断的时钟,对外部时钟和逻辑的运行情况进行检测,确保时钟异常或者逻辑跑飞的时候能够恢复,不产生破坏性的影响(通过外部时钟通过倍频器、零延迟缓冲器、锁相环路产生的时钟不算本地时钟)。

    某单板出现过掉版本的故障,在系统断电、系统某些单板插拔的过程中,单板的软件版本会被错误 的擦除。经过定位,确认是当系统在断电等特殊状况时,会出现时钟异常,但是单板供电仍然持续的情况。这时候逻辑会异常运行,导致出现擦写版本的错误操作。

    3、对于可编程逻辑器件的悬空管脚(包括测试管脚、设计裁减导致的悬空输入等),必须确认其在正常工作中不能悬空

    在设计中,可编程逻辑器件 IO 有剩余的情况很容易出现,对大量的多余 IO 进行上拉或下拉处理会占用版面空间并增加成本。单板设计中留出的测试管脚,在实际应用中也会处于悬空状态。当管脚悬空时,编译器会将管脚处理成恒‘0’、恒‘1’、高阻等状况。

    还有一种情况会造成管脚悬空:我们的 3G 设计中有很多 1 PCB 对应多种料单,实现不同功能的情况。这样就可能产生为某一种实现定义为输入的逻辑管脚,在另外一种情况下悬空。例如射频接口单板,在不配拉远光口时,逻辑的光口数据输入管脚就会全部悬空。

    对于不用的 IO 管脚和测试管脚,可以定义为输出管脚驱动至确定电平。对于可能因为设计裁减导致悬空的信号,应采用添加外部上拉或下拉电阻或者使能器件内部 IO 管脚上下拉的方法,避免输入管脚悬空。

    4、不要用特殊管脚当做普通的IO使用

    EPLD FPGA 中,有些管脚,是作为特殊管脚使用的,但是,也可以作为普通 I/O。在一般情况下,可以当 IO 用的特殊管脚尽量不要用作 IO。这些管脚需要按照器件手册仔细对待。

    2.6、电源设计

    电源设计规范如下表所示:

    详细说明如下所示: 

    1、热拔插系统必须使用电源缓启动设计

    热拔插系统在单板插入瞬间,单板上的电容开始充电。因为电容两端的电压不能突变,会导致整个系统的电压瞬间跌落。同时因为电源阻抗很低,充电电流会非常大,快速的充电会对系统中的电容产生冲击,易导致钽电容失效。

    如果系统中采用保险丝进行过流保护,瞬态电流有可能导致保险丝熔断,而选择大电流的保险丝会使得在系统电流异常时可能熔断,起不到保护作用。

    所以,在热拔插系统中电源必须采用缓启动设计,限制启动电流,避免瞬态电流过大对系统工作和器件可靠性产生影响。

    2、在压差较大或者电流较大的降压电源设计中,建议采用开关电源,避免使用LDO作为电源

    采用线性电源(包括 LDO)可以得到较低的噪声,而且因为使用简单,成本低,所以在单板上应用较多。FPGA 内核电源、某单板上射频时钟部分的电源等都使用线性电源从更高电压的电源上调整得到。

    线性电源的基本原理如图所示。输出电压经过采样后和参考电源(由晶体管带隙参考源或者齐纳二极管提供)进行减法运算,差值经过放大后 控 制 推 动 管 上 的 电 压 降Vdropout=Voutput-Vinput,使得当 Vinput 变化或者负载电流变化导致 Voutput 变化时,通过 Vdropout 的变化保证 Voutput 的稳定。

    由下图中可见,负载电流全部流过调整管,而输入电压和输出电压之间的差异全部都加在调整管上。调整管上耗散的功率为 Vdropout*I。当电压差较大时,或者负载电流较大时,稳压器将承受较大的功率耗散。

    3、LDO输出端滤波电容选取时注意参照手册要求的最小电容、电容的ESR/ESL等要求确保电路稳定。推荐采用多个等值电容并联的方式,增加可靠性以及提高性能

    LDO 输出电容为负载的变化提供瞬态电流,同时因为输出电容处于电压反馈调节回路之中,在部分 LDO 中,对该电容容量有要求以确保调节环路稳定。该电容容量不满足要求,LDO 可能发生振荡导致输出电压存在较大纹波。

    多个电容并联,以及对大容量电解电容并联小容量的陶瓷电容,有利于减少 ESR ESL,提高电路的高频性能,但是对于某些线性稳压电源,输出端电容的 ESR 太低,也可能会诱发环路稳定裕量下降甚至环路不稳定。 在设计中应该仔细依照手册的要求进行设计,保证电源稳定。

    在某试验板中,采用 MIC39300-2.5BU 型LDO,输出电容为 20uF,不满足手册规定的 47uF保证环路稳定的最小值要求,导致 2.5V 电源发生振荡,存在较大纹波,如下图所示。 该试验板产生了高速 SERDES 芯片在光纤较短时自环正常,光纤较长时无法锁定数据的异常。增加输出电容后问题解决。

    4、电源滤波可采用RC、LC、π型滤波。电源滤波建议优选磁珠,然后才是电感。同时电阻、电感和磁珠必须考虑其电阻产生的压降

    对电源要求较高的场合以及需要将噪声隔离在局部区域的场合,可以采用无源滤波电路。在采用无源滤波电路时,推荐采用磁珠进行滤波。

    磁珠和电感的主要区别是,电感的 Q 值较高,而磁珠在高频情况下呈阻性,不易发生谐振等现象。电感加工精度较高,而磁珠加工精度相对较低,成本也较便宜。在选择滤波器件时,优选磁珠。选择电阻和电容构成无谐振的一阶 RC 低通滤波器,但是该电路只能应用于电流很小的情况。负载电流将在电阻上形成压降,导致负载电压跌落。

    无论是采用何种滤波器,都需要考虑负载电流在电感、磁珠或者电阻上的压降,确认滤波后的电压能够满足后级电路工作的要求。

    5、大容量电容应并联小容量陶瓷贴片电容使用

    大容量电容一般为电解电容,其体积较大,引脚较长,经常为卷绕式结构(钽电容为烧结的碳粉和二氧化锰)。这些电容的等效串联电感较大,导致这些电容的高频特性较差,谐振频率大约在几百 KHz到几 MHz 之间(参见 Sanyo 公司 OSCON 器件手册和 AVX 公司钽电容器件手册)。小容量的陶瓷贴片电容具有低的 ESL 和良好的频率特性,其谐振点一般能够到达数十至数百 MHz(参见参考文献《High-speed Digital Design》以及 AVX 等公司陶瓷电容器件手册),可以用于给高频信号提供低阻抗的

    回流路径,滤除信号上的高频干扰成分。 因此,在应用大容量电容(电解电容)时,应在电容上并联小容量瓷片电容使用。

    6、升压电源(BOOST)使用必须增加一个保险管以防止负载短路时,电源直通而导致整个单板工作掉电。保险的大小由模块的最大输出电流或者负载最大电流而定

    升压电源(Boost)的基本拓扑如下图所示:

    Q1 导通时两端电阻很小,电源电压加在 L两端,电能转化为磁场存储在 L 中,此时 D1 截止,避免 C0 上的电压向 Q1 流动。当 Q1 关断时, L 中的电流不能突变,电源和 L 一起通过 D1 向 C0 充电并向负载供电,得到一个高于输入电压的输出电压。

    由图中拓扑可以看出,我们不能通过控制 Q1 的通断来切断输入和输出之间的通路或者控制输出电流。当输出电源短路时,输入电源(一般是单板主电源)通过 L D1 直接短路到地。导致的结果将是L 或者 D1 烧毁且失效模式为开路。在 L 或者 D1 烧毁之前,单板电源处于短路状态,如果 L D1 电流降额较大,可能导致单板电源保护而不能上电。

    为了避免上述问题,建议为升压电源添加一个保险管防止负载短路,保险的大小依照模块的最大输出电流或者负载的最大电流而定。

    7、电源要有防反接处理,输入电流超过3A,输入电源反接只允许损坏保险丝;低于或等于3A,输入电源反接不允许损坏任何器件

    电源要有防反接处理,输入电流超过 3A,输入电源反接只允许损坏保险丝;低于或等于 3A,输入电源反接不允许损坏任何器件。

    回路电流较大时,直流电源反接处理可以按照以下方法处理。原理图如下所示:

    直流电源正常接入时,光耦D1由于输入二极管反偏置,所以输出CE不能导通,这时并联的NMOS管将由于 GS 电压的稳压至 12V,使 D-S 导通。这样电源回路将能顺利形成。电容 C1 是起到缓启动 作用的,这样可以起到防浪涌的目地。电阻 R6、二极管 VD3 构成电容 C1 的放电回路。当电源反接的时候,由于光耦输入二极管正偏置,输出 C-E 导通,使并联的 NMOS 管截止。这样回路就切断了,起到了防反接保护的作用。由于并联 NMOS 管的 RDS比较小,损耗小,比较适合于低压大电流的场合。

    8、禁用磁饱和电路;禁止选用采用磁饱和电路的电源模块

    禁用磁饱和电路,因为:

    • 磁饱和电路因为所用磁环的原因对温度比较敏感,易在高温工作时不稳定。
    • 动态负载能力差,在磁饱和路负载最小时工作最恶劣,易形成输出不稳定。

    9、对于多工作电源的器件,必须满足其电源上掉电顺序要求

    对于有核电压、IO 电压等多种电源的器件,必须满足其上电和掉电顺序的要求。这些条件不满足,很有可能导致器件不能够正常工作,甚至触发闩锁导致器件烧毁。例如 TMS320C6414T DSP2005年 5 月之后的 Errata 中说明,当 DVDD CVDD 早上电时,可能出现 PCI/HPI 数据错的问题。对于QDR、DDR 内存,其上电顺序也有要求,否则可能导致闩锁,造成器件烧毁的后果。

    当有多个电源时,如必要可采用专用的上电顺序控制器件确保上电顺序。设计中应保证在器件未加载烧结文件时,电源处于关断状态。也可以通过在不同的电源之间连接肖特基二极管确保上电掉电过程中不会违反上掉电顺序要求。

    因为电源模块、电源上的电容都会对电源上电顺序产生影响,可能出现上电过程中违反电压要求的情况,如上右图所示,所以必须进行测试验证。

    10、多个芯片配合工作,必须在最慢上电器件初始化完成后开始操作

    当多个芯片配合工作时,必须在最慢的期间完成初始化后才能开始操作,否则可能造成不可预料的结果。

    11、电源模快/芯片感应端在布局时应采用开尔文方式

    很多电源模块和电源芯片在设计时,采用了独立的 Sense 管脚,作为对输出电压的反馈输入。这个Sense 信号应该从取用电源的位置引给电源模块,而不应该在电源模块输出端直接引给电源模块,这样可以通过电源模块内部的反馈补偿掉从电源模块输出传输到实际使用电源处路径带来的衰减。如下图中白色走线所示。

    对于电源监控电路等,也应该遵守相同的原理,即从实际需要监控点将电源引给监控电路,而不是从监控电路最近处引给监控电路,以确保精确性。

    12、在存在分板工艺,以及需要过波峰焊的单板上,48V 电源滤波尽量避免使用贴片陶瓷电容

    电源滤波电容存在于单板电源入口处,安装和波峰焊过程中易受到应力从而产生微裂纹。在使用中可能产生短路等失效。

    2.7、其他应用经验

    其他应用经验规范如下表所示:

    详细说明如下所示: 

    1、使用CY2302时钟驱动器,应注意如果对输入输出时钟的相位要求一 致,那么必须选择OUT2反馈、OUT1输出

    系统中常用 CY2302 进行倍频。如果对输入输出时钟的相位要求一致,那么必须选择 OUT2 反馈、 OUT1 输出。如果选中 OUT1 反馈,OUT2 输出,则相位有可能对齐,也可能不对齐,随机出现。

    因为 OUT2 OUT1 1/2 分频时钟,两者同相位,选择 OUT2 反馈时,OUT2 与输入时钟同相位, 自然 OUT1 就与输入时钟同相位;如果选择 OUT1 反馈,则自能保证 OUT1 与输入同相,OUT2 与输入 时钟可能同相也可能不同相。

    2、ADM706R在使用中应该将PFI直接接电源,避免器件上电时进入测试模式

    CCM/CDSU 单板在插入机框时有时无法正常启动,其比率达到 18%左右。测量复位芯片 ADM706R 的复位信号输出,发现单板插入机框时 ADM706R 输出恒定为低电平或恒定为高电平,从而使单板不能正常启动。分析结论是:ADM706R 上电时进入了测试模式。其解决措施是如果不使用 Power Fail 功能,将 PFI 上拉。

    3、MPC860的TRST*设计时接/PRESET,避免器件上电时进入测试模式

    CCM 单板调试过程中发现当使用热拔插电路上电时,MPC860 多数情况不能正常启动(有的单板不能启动的几率高达 80%以上)。分析结论是:由于 TRST*接到了/HRESET,所以当电源上电缓慢时, MPC860 进入了 JTAG 模式,不能正常启动。将单板上的 TRST*改为接/PRESET,单板上电使用热拔插 电路,开关电 100 次,MPC860 都能正常启动。

    4、在使用MPC860的设计中,如果只对MPC860硬件复位配置字用到的部分数据线通过硬件复位配置字驱动器进行驱动,其他数据线默认为MPC860内部下拉,那么MPC860的数据总线不能使用带总线保持功能的驱动器

    5、面板灯和指示灯

    在面板灯设计中,我们规定必须经过驱动器驱动点灯。原因有两个:避免点灯器件(如 CPU FPGA) 驱动能力不足;避免静电干扰直接冲击点灯器件造成单板工作异常。同样是为了防止静电干扰重要信号, 规定面板灯信号不与重要信号公用驱动器。设计中可以将面板灯、面板状态信号合用一个驱动器。

    6、MOSFET 的应用

    MOSFET 在应用时,推荐在栅极串联一个 10 欧姆左右的电阻。在双管并联使用时,应该对每个MOSFET 分别串联电阻,避免在开关过程中造成振荡,在 MOSFET 上耗散过多的功率导致器件烧毁。

    7、继电器线圈、风扇电机绕组等感性负载必须有续流二极管

    继电器线圈、风扇绕组为感性负载。电流不能突变。当控制开关断开时会强行续流,产生的感应电压有可能导致开关元件击穿损坏,故继电器线圈必须添加续流二极管。

    8、继电器线圈工作电压不允许降额使用,继电器在应用中应注意是线圈是否有极性要求,避免退磁

    继电器额定电压下才能保证可靠吸合,故继电器线圈工作电压不允许降额使用。

    现在的小型密封继电器有一些是极化继电器,其线圈有极性要求,连接反了会导致退磁,必须严格按照说明书设计。

    继电器的触点应降额使用。当驱动感性负载的时候,也需要添加续流保护电路避免触点烧蚀。

    9、三态/OC/OD时分数据/状态总线释放时应注意释放速度的问题

    有时系统设计中会采用时分复用的方式让多个单板或器件共享一根/一组信号线。当一个设备需要占用总线时,向总线驱动有效电平,当不需要占用总线时,关闭输出以释放总线。这时总线总是在下拉电阻的作用下恢复默认无效电平。

    当驱动器占用总线时,因为驱动能力一般会比较强,总线会快速跳变到有效电平。但是当驱动器释放总线时,要通过上下拉电阻对整个走线、所有负载的电容进行充放电,上升过程相对比较缓慢。如果需要一个快速的上升沿,那么可以控制驱动器的输入端,每次释放总线为无效之前,先让驱动器将总线驱动为无效电平一小段时间,然后再释放总线。

     

    3、可靠性设计

    可靠性设计规范如下表所示:

    详细说明如下所示: 

    1、工业级及商业级器件在实际使用中,结温降额应采用同样的降额标准,以确保实际使用中具有较高的可靠性水平

    根据供应商提供的信息,一般工业级器件和商业级器件生产工艺基本相同,区别只是在于工业及器件通过额外的测试,能够在扩展温度范围内使用。所以在应用工业级器件时,节温降额应采取同样的标准,以确保实际应用中有较高的可靠性水平。

    2、对于一些敏感电路,设计中应进行容限分析,以确认器件选型满足电路容限要求

    器件本身的参数都是标称值,实际值实际上是在标称值附近一定容限范围内的一个数值,而且,随着温度、电应力、老化、潮湿、振动等的影响,参数还会发生变化。

    3、散热器的接地

    对于单板内部的散热器,接保护地、静电泻放地都有将浪涌等信号引入单板内部的危险。所以应就近接工作地。接地的方式还需要讨论。采用 1M 欧姆电阻接地,可以缓慢泻放积累的静电电荷,但是高频情况下可能 EMI 会超标。采用 0.1u 或者更小的陶瓷电容接地可以提供高频回流路径,EMI 改进,但是静电没有直流泻放通路。所以我们也在考虑采用并联的 RC 进行接地抑或是直接连接工作地。进一步的规范在部门有定论之后给出。

     

    4、信号完整性/电源完整性设计

    信号完整性/电源完整性设计规范如下表所示:

    详细说明如下所示: 

    1、选择更加不易引起信号完整性的接口方式和器件

    在满足速度要求的前提下,应该选择更加不易引起信号完整性问题的接口方式和器件。电压摆幅较低的器件相对于电压摆幅较高的器件,较少引发 EMI 的问题。差分信号较之单端信号,较少引发 EMI的问题。另外,低速器件(边沿摆率低的器件)比起高速器件(边沿摆率高的器件)较少引发信号完整性和 EMI 问题。点到点的传送比起总线、分叉等复杂的拓扑,较少引发信号完整性问题。

    例如单端信号 SSTL/HSTL 信号比起 TTL CMOS 信号,摆幅较低,应用于 DDR QDR RAM 等高速接口场合。LVDSPECL 等差分接口方式在高速度情况下比起 TTL 更加有优势。相对于 BLVDS而言,限制摆率的 MLVDS 速率较低,但是信号完整性的问题相对好一些,被 ATCA 架构采用。

    2、采用16244驱动器驱动变化信号,建议在驱动器输出添加33.2欧姆电阻或者33欧姆排阻

    我们系统中经常采用的 16244 已经属于高速器件,其输出端应该进行端接。简单的方法就是添加33 欧姆左右串阻。例如某单板通过 16244 缓冲后的数据,未端接即连接到 FPGA 上,接收信号呈现很大的过冲和振铃,上冲、下冲峰值分别达到了 5.62V -1.66V(下左图)。添加 33 欧姆串阻之后,上冲和下冲下降到 3.906V -0.934V,明显下降并且低于 FPGA 的电压容限。同时无明显振铃。

    如果认为信号振铃仍不可接受,可以通过增加源端电阻的方法抑制。

    3、有一些可编程逻辑器件可以设置输出的驱动强度、电流等参数,通过合理设置可以改善信号完整性

    一般我们系统中使用的 EPLD/FPGA 都有管脚摆率(Slew Rate)设置。Cyclone FPGA 还可以对驱动电流进行设置。如果系统时序裕量允许较低的摆率,推荐奖 Slew Rate 设置为 Slow,减少信号完整性和 EMI 问题。

    当信号较多,不易进行端接时,也可以采取对摆率和电流设置的方法改善信号完整性。例如某单板,采用 Cyclone 输出,当采用默认的快摆率,不设置电流约束时,信号质量较差,上冲、下冲分别达到5.34V 和-1.44V。设置约束为慢摆率,电流限制为 8mA 4mA,过冲和振铃明显减小。过冲分别为 4.08V,-1.06V 以及 3.78V-0.34V,如下中、右图示。

    4、读写信号的驱动拓扑应尽量简化,必要应采用多个驱动器的方法,并进行信号完整性仿真

    总线读写信号一般都是单方向信号(存在 DMA 的系统例外),经常变化,对于某些器件,对其沿的单调性有要求,所以在拓扑设计时需要注意。

    一般设计时,我们常常采用一个驱动器驱动整个总线上所有器件的读写,导致网络复杂。有的时候某些接收端还会出现信号沿单调的情况,导致系统工作异常。(参考文献马峰超《3G 统一平台单板PSN4V WE#信号情况分析》)

    在设计中,如果时序裕量允许,可以采用多个驱动器驱动的方法,简化每一个网络的拓扑,易于端接以实现较好的信号完整性。

    5、电源上电解电容的数目应该满足电源完整性要求

    电源上的电解电容应能够提供电路工作瞬态需要的电流。从直观上看,当器件工作时,切换产生的高频瞬间电流由平面间杂散电容和和陶瓷去耦电容滤除。但是器件从待机到开始工作,或者不同工作情况之间的瞬态电流,需要由稳压电源和电解电容来提供。

    稳压电源响应时间相对慢一些,这时就需要电 解电容提供稳压电源未来得及响应时器件工作的瞬态电流,保证这段时间器件的工作电压满足要求。从频率域来看,我们期望在工作关心的整个频段上,电源具有小的内阻(期望阻抗),这样当负载电流变化时,不会导致电源上过大的噪声电压。小容量小 ESL 的陶瓷电容提供了数 MHz 到数百 MHz 频率范围的低阻抗,电源提供了低频直至数十 KHz 的低动态阻抗,在数十 KHz 至数 MHz 范围上,需要电解电容提供足够低的阻抗。

    电解电容选取的原则是,针对特定的电源器件,当负载突变时,电源输出端电压波动不超过器件正常工作范围。电解电容的计算请参照部门 PI 计算表选择,或者根据电源器件手册的负载特性部分选取。

    6、在需要对电源完整性进行测试的位置,放置电源完整性测试点

    原理图中应增加关键芯片(如大规模的处理器和 ASIC 等)的 I/O 电源和 Core 电源的 PI 测试点。用示波器对芯片的电源进行纹波测试时,使用 PI 测试点,配上自制的电源测试探头,可以避免地回路较大带来的测试误差。

    每个关键芯片的 I/O 电源加 2 PI 测试点,Core 电源加 1 个。PI 测试点不入料单,使用库 TP1X2_1,第 1 脚接 GND,第 2 脚接需要测试的电源网络。PI 测试点在 PCB 上放在被测芯片附近,I/O 电源测试点分别放在芯片的对边。

    7、时序设计  

    时序设计在本检查单中不列出,但要求关键路径必须有时序计算表。计算可以采用时序计算表或者工具计算(例如 SynaptCAD Timing Diagrammer Pro Forte Timing Designer 等)。注意器件上 TCO 参数测试方法,当负载不同时,TCO 和手册上可能有差异,当时序裕量很小时,可能带来时序问题。

     

    5、系统相关设计

    系统相关设计规范如下表所示:

    详细说明如下所示: 

    1、热插拔系统的接口不应采用不支持插拔的标准

    我们的系统一般要求单板支持热拔插。在接口标准选取时,应该仔细了解该电平原理上是否支持热拔插,选取在热拔插系统中可行的标准。

    例如 I2C 总线使用了上拉电阻,当一块单板掉电时其电源为 0V,总线上通过该单板上的上拉电阻给该单板供电。因为 I2C 总线本身是通过上拉电阻来置高电平的,上拉本身就较弱,所以总线很容易被拉死。对这种情况,可以考虑在上拉电阻处添加一个肖特基二极管防止局部掉电拉死总线。

    对于具有保护二极管的器件,也需要注意,信号线可能会通过其保护二极管在单板断电或者拔插过程中给单板供电,造成信号线被拉死甚至器件损坏。

    2、背板输入的TTL/CMOS控制信号应该设置成高电平有效,一般情况处于低电平

    在 3G 第一版设计中,接口控制信号电平的定义并没有考虑必须高电平有效,而是根据 TTL 时代的惯例,低电平表示信号有效(TTL 器件当管脚悬空时认为是高电平)。在接收器上,一般采用上拉处理,确保当发送器断电呈现高阻态时,接收端收到的是固定的无效状态。

    实际使用中,出现了断电单板指示灯微亮的异常现象。经过检查分析,发现是因为信号线或者其他单板上的上拉电阻给单板供电造成的。当信号线很多时,通过上拉电阻点灯甚至给单板部分电路供电时很可能的。

    I2C 总线也是一个例子,当一块单板掉电时,其上拉电阻往往会起到下拉电阻的作用,导致整根总线被拉死,并可能导致断电单板部分电路有电。

    为了避免这种情况发生,要求一般信号线定义,以高电平为有效电平,采用下拉电阻确定当发送器断电或者不存在、高阻时,信号处于固定低电平。

    3、背板信号在上电之前处于三态

    背板信号在上电前应处于高阻态,避免总线冲突或者输出错误的状态。对于 TTL/CMOS 器件,这一点可以通过具有 PU3S 的驱动器,以及采用 OE 端的上下拉电阻确保在单板上电,OE 控制信号有效之前,驱动器处于高阻状态。

    4、单板运行时不需要进行调节的地方一律不用可调器件

    可调器件的可靠性和稳定性较低。例如电位器、可调电容等都可能由于震动导致设置值发生变化。 电位器还可能因为电刷接触不良导致故障。另外,对可调元器件进行调节增加了生产的复杂性,也增加了生产的成本。

    我们规定,在不需要调节的地方一律不用可调器件。因调试需要,在样板中采用可调器件调节,在最终版本中应采用固定元件替代。

    5、设计应保证所有测试使用的跳线帽、跳线针在最终产品中不需安装

     

    安装调线帽增加了成本和安装工序,因为需要人工安装,增加了出错机会。跳线帽在运输中可能脱落,受到污染可能接触不良,增加了系统的不稳定因素,所以设计应保证跳线帽只在调试中使用,最终产品不需要调线帽,不需要焊接跳线针。

    在电路设计中,应保证所有模式设置使用的调线帽只有在测试模式需要安装,正常工作模式默认调线帽不需要安装。所有为调试方便设置的调线,应该有 0 欧姆电阻并联,确保在最终产品中,可以通过0 欧电阻实现跳线的功能,不需要安装跳线帽。

    对于机架号设置等使用,可以采用跳线或者拨码开关方式。必要时须采用点胶等方式紧固,防止运输过程松脱、遗失带来故障。

    6、系统级信号完整性设计和系统级时序设计

    我们的移动通讯基站系统都很多单板构成,由背板互连线和电缆等实现单板间的的连接关系。在单板上,我们一般都会很注意的规划拓扑,注意 PCB 走线延迟的控制,确保各个芯片接口的建立保持时间。但是对于单板间接口和背板的信号完整性关注不够。

     

    6、可生产性设计

    可生产性设计规范如下表所示:

    详细说明如下所示: 

    1、光学定位点(MARK点)的放置(来源于参考文献《Q/ZX 04.104.2-2002 电路原理图设计规范一基于 CADENCE平台的设计要求》。)

    贴片机需要为了在 PCB 文件中能够输出光学定位点的坐标,应根据 BGA、TQFP 等封装器件个数,在原理图的末页放适量的 mark(光学定位点)符号。

    mark 符号个数的估算如下:

    mark 个数 = K + 2*(管脚中心距≤0.5 mm20 mil)的 QFP 个数 + 中心距≤0.8 mm31 mil)的BGA 个数器件)

    其中:

    • 单面贴装器件时,K 3

    • 双面贴装器件时,K 6

    2、尽量采用贴装器件,双面回流工艺。尽量不使用插装器件

    采用表面贴装器件生产,能够使得单板生产的自动化程度提高,提高生产效率。

    插装元件来料封装与PCB焊接孔尺寸一般都是不一致的,比如说常见的分立插件电阻、二极管,其来料都是编带,两引脚在同一水平线上,如果要插装在印制电路板上,必须对引脚进行弯脚成型(立式或卧式),所以就很直接的得出它的生产工艺流程:

    元件成型—>插件—>波峰焊—>检验或元件成型—>手工焊接—>检验

    而SMD料,因来料与PCB焊盘封装一致,直接贴装焊接即可,其生产工艺流程为:

    贴片—>回流焊—>检验或手工焊接—>检验

    从以上生产工艺流程可以看出,分立插装元件焊接要比贴片元件多-道成型工序,增加了生产工艺流程和单板生产周期(也就意味着增加了人力、物力、财力等成本) ;

    另外,因分立元件目前每个元器件厂家做的标准都不一样, 就算同一个代码下的物料可能有的厂家做的元器件引脚长或粗,有的引脚短或细,有的厂家封装体积大,有的封装体积小,给材料选型、生产工艺过程带来比较多的麻烦。

    如果采用少量插装元器件,单板这部分需要进行人工焊接。如果插装器件较多,人工焊接效率较低。当插装器件较多时,将采用波峰焊接工艺。波峰焊接工艺对单板B面元器件的封装、摆放都提出了要求,例如不能摆放排阻、四周出引脚、BGA封装、管脚间距小的器件,器件摆放方向必须一致等。

    3、除非信号完整性特殊要求,背板上- -般不应放置串阻等器件;背板尽量采用压接连接器,避免焊接连接器

    大量压接器件加工过程中容易使单板变形,对器件造成损伤。并且压接模具如果在加工过程中压到器件,可能会导致器件损坏。所以除非信号完整性等特殊要求,背板上不应放置串阻等器件。 背板厚度很厚,加工不便,所以背板上的插装、表面贴装连接器经常需要手工焊接,为了提高效率, 背板尽量采用压接连接器,避免焊接连接器。

    4、潮湿敏感器件

    潮湿敏感器件在生产中必须要注意,在保存、生产中注意遵循相应的规范。

    潮敏器件应该保存在干燥箱中或者密封袋内。开包后应在规定时间内焊接完成。如果拆包时间超过规定时间,在生产之前,应对潮敏器件进行干燥处理。否则在焊接过程中温度迅速上升,封装中吸收的水分迅速气化膨胀,就会导致器件内部裂纹、剥离等“爆米花”效应,导致器件损坏。

     5、有铅工艺和无铅工艺

    2003年2月13 日,欧盟发布了WEEE《关于报废电子电气设备指令》(2002/96/EC) 、RoHS 《关于在电子电气设备中限制使用某些有害物质指令》(2002/95/EC) 两项指令。在两项指令中,限制铅和一些有害化学物质的使用。

    至本文撰写时,我司目前已经开始无铅化生产的研究。对于高锡无铅焊料,存在低温相变、晶须生长等问题。这些问题因为专业不同,对于硬件开发人员影响并不是很大。而对于生产来说,Sn-Ag-Cu焊料的熔点为217度,较Sn~Pb焊料的183度高34度,对器件提出了更高的要求。所以,一般不能够使用无铅焊料焊接有铅元器件。

    实际上现在很多采用有铅、无铅器件,用有铅焊膏混合使用的情况和试验也在进行。对于无铅的BGA和CSP封装的器件,不得使用有铅焊料进行焊接。即如果采用无铅的BGA、CSP封装的器件,则必须采用相应的焊料,这是其他器件不能采用有铅工艺器件以保证生产中的可靠性。我们不推荐一起混 合使用有铅和无铅器件。

    7、可生产性设计

    7.1、JTAG

    JTAG设计规范如下表所示:

    详细说明如下所示: 

    1、多个同样的芯片,设计JTAG串行链路

    多个同样的芯片推荐设计JTAG串行链路。为了调试过程方便,可以通过0欧姆电阻跳线,使得JTAG 可以单独引出,也可以成链引出。

    7.2、测试点

    测试点设计规范如下表所示:

    详细说明如下所示: 

    1、地测试点

    板上应该分布地测试点,方便测试。现在我们的信号速率都较高,地测试点距离较远可能导致信号完整性测量的不准确,在测试时应该保证示波器探头能够就近接地。例如某单板的信号完整性测试,当采用示波器探头就近采用小飞线接地和采用普通接地线接地时,信号的过冲差异有数百毫伏。

    一般情况下我们单板提供的地测试点能够满足一般调试时示波器能够方便的接地,在信号完整性测 试时,还需要在离信号最近的地方(往往是电容上)飞出地线测试点,采用尽可能短的探头接地线连接。

    2、多针测试点,空余的管脚应接地处理

    在设计中,可能出现放置一个 8pin 测试点,只用了其中 6 PIN 的情况。这种情况下,应该将测试点多余的管脚接地。这样可以方便数字探头的就近接地,为测量提供方便。不要将空余的管脚悬空。

    3、向PCB提供不焊接插装器件清单

    如果提供了不安装的插装器件清单,将来 PCB 设计时就可以避免测试点打在插装器件的管腿上。 否则如果将插装器件的管腿作为一个测试点的话,如果生产时不安装此器件,有可能造成测试点丢失和漏测。

    4、测试点带来的信号完整性问题

    重要的信号线添加测试点能够方便调试,例如一组时序复杂的总线,每根信号线都有测试点就可以方便的采用逻辑分析仪进行分析。

    但是测试点本身也可能带来信号完整性问题,需要注意测试点不能使信号线引入长的分叉,避免影响信号的信号完整性。例如某单板在高温下 FPGA 下载失败,分析为加测试点导致信号线分岔,影响

    信号完整性问题所致。 对于速率很高的信号,例如高速串行链路,信号线上的测试点、过孔都会为传输线带来阻抗不连续 点,引起信号的反射,导致信号质量恶化。对于这样的电路,有可能有必要采用高频场分析工具对过孔、 表贴 ICT 测试点进行建模分析,确保电路工作正常。

    7.3、电路可测试性

    7.4、系统可测试性

     

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  • 中兴通讯股份有限公司CDMA 事业部设计开发部《电路设计规范》(以下简称《规范》)为原理图 设计规范文档。本文档规定和推荐了CDMA 设计开发部在原理图设计中需要注意的一些事项,目的是 使设计规范化,并通过将经验...
  • 2、电路设计 2.1、通用要求 2.2、逻辑器件应用 2.3、时钟设计 2.4、保护器件应用 2.5、可编程逻辑器件 2.6、电源设计 2.7、其他应用经验 3、可靠性设计 4、信号完整性/电源完整性设计 5、系统相关设计 6、可生产性...

    目录

    1、原理图制图规范

    2、电路设计

    2.1、通用要求

    2.2、逻辑器件应用

    2.3、时钟设计

    2.4、保护器件应用

    2.5、可编程逻辑器件

    2.6、电源设计

    2.7、其他应用经验

    3、可靠性设计

    4、信号完整性/电源完整性设计

    5、系统相关设计

    6、可生产性设计

    7、可生产性设计

    7.1、JTAG

    7.2、测试点

    7.3、电路可测试性

    7.4、系统可测试性


    本博客将简述中兴通讯股份有限公司在原理图设计中需要注意的一些事项,其中包含了中兴设计开发部积累的大量硬件开发知识和经验,可以作为学习使用。硬件工程师可以学习并掌握检查条目的内容以及对条目的详细说明,学习部门经验。

    1、原理图制图规范

    原理图制图规范如下表所示:

    详细说明如下所示:

    1、原理图必须使用公司统一原理图库 

    在原理图设计中,必须采用公司统一原理图库,以保证设计的一致性和打包后封装、料单等结果的一致性。不使用公司统一原理图库造成的连接、封装错误个人承担责任。

    注意使 cds.lib 中的路径指向库服务器 eda-svr1 的路径。库服务器每天会和公司统一库服务器同步 2 次确保最新。

    在改版设计中尤其要注意这个问题,因为打包时会将部分库备份到本地,可能造成本地库和公司库不一致。

    对于历史遗留的未采用统一图库的设计,可以豁免此项检查。但是如果经历改版,必须将原理图库切换至公司统一库,以保证料单的正确性和后续的可维护性。

    2、原理图应采用0.100栅格

    该栅格设置为一般器件库管脚间距的设置,采用非标准设置的栅格可能会导致其他人员重用原理图时无法对齐。

    3、图框大小

    部门要求,除非器件符号太大无法在图面内放置,一律采用 A4 幅面的图框进行设计。部门一般均采用 A4 幅面进行打印,在 A3 幅面上绘制的原理图在 A4 幅面纸页上打印后字符无法分辨,难以进行走查、评审。故规定无特殊需要一律采用 A4 幅面图框进行设计。

    4、图框上填写的内容和页码、总页数等信息应以用户变量(Customer Text)进行标注

    采用用户变量方式标注,可以每页的内容一致,避免出错。如果因为填写错误修改,也只需修改一处即可完成整个原理图的修订,故要求所有原理图的图框信息应采用用户变量进行标注。

    5、每一页左下角标注功能注释和修改日期

    如下图所示,采用普通文本标注功能,采用 CON_LAST_MODIFIED 变量标注最后修改日期标注日期。

    6、原理图必须署名,多人设计原理图应在相应页码署各自的姓名,封面署单板负责人的姓名

    如果一份原理图由多人完成,每个人完成其中一个部分,应在定义环境变量时定义多个环境变量,如 ADRAWN1,ADRAWN2……以此类推。在分配任务时事先约定,在各自完成的部分分开填写相应的用户变量,实现分开署名。封面页的署名为单板负责人的署名。

    7、原理图上所有的文字方向应该统一,文字的上方应该朝向原理图的上方(正放文字)或左方放文字

    8、原理图上的各种标注应清晰,不允许文字重叠

    原理图上包括网络名、位好、器件管脚号等各中字符都不允许重叠下面是不符合规范的例子 :

    9、去耦电容的放置  

    去耦电容分为两种:局部去耦和全局去耦。局部去耦目的很明确的布置在芯片附近,为芯片和附近的信号提供信号回流路径和电源去耦。全局电容布置于板上各处。

    将去耦电容和器件在原理图上靠近放置,可以有针对性、有计划地添加局部去耦,在布局时应该注意将相应位号的电容摆放在需要去耦的芯片附近。全局去耦电容主要分布在单板上没有去耦电容的部分,以及换层过孔的附近,提供信号回流通路。

    10、差分线命名

    差分线推荐使用+/-结尾,便于在辨认网络,在布线时添加合适的约束以及信号完整性分析。因为事业部 3G 规范命名中出现信号命名以单板名称为后缀,差分线+/-符号放在中间的情况,为了兼容本规范允许+/-号放在中间。

    无特殊情况推荐将+/-符号放在信号名最后。

    11、时钟信号的命名

    为了方便信号完整性分析和布线约束制定,并保证不引起歧义,时钟信号必须以规定的 CLK 后缀结束。其他信号,例如时钟使能信号等,一律禁止以该信号命名后缀结束。时钟信号命名还应体现出时钟频率。根据绘图者的习惯,可以体现出时钟的流向、用途、来源等信息。

    例如:FPGA1_8K_CLK,FPGA2_33M_CLK,OIB0_52CHIP_TCLK 都是符合规范的命名。

    12、串联端接网络的绘制和命名

    对于源端端接网络,正确的画法应该是将串阻直接画在驱动器件的输出端,串阻和驱动器件之间的网络可以不进行命名,串阻之后的网络进行命名。如下图所示为一个正确的范例。

    如果将串阻放在接收端,或者在串阻之前的信号进行命名,串阻之后的信号不进行命名,都会使得布线的分析和检查困难,甚至会造成串阻被放置在接收端而未被查出的结果,导致信号完整性较差。如下图是不正确的范例:

    13、电源及有特殊要求的网络命名  

    对于电源网络和有特殊要求的网络(例如阻抗控制,电流较大,布线层、过孔数有限制等),必须加以命名,这样在 PCB 进行布线布局时,就可以对相应网络进行特定的约束和检查,确保布线满足设计要求。

    对于单板接口电源信号,应该和系统设计保持一致,不强制规范添加 VCC 前缀。但是《PCB 设计说明》中必须明确申明,确保布线符合设计实际需要。

    对于一些器件(例如时钟驱动器、锁相环等),其电源单独通过磁珠等进行滤波,往往忘记添加网络标号直接相连,或者添加普通的网络标号。这样的结果很可能导致该网络未按照电源进行布线,走线较细或者走较长线,带来性能上的降低。

    14、原理图库多部分构成的器件打包问题

    一些器件因为管脚很多,在原理图库中被分成了几个部分,例如部分背板连接器、FPGA、CPU 等。这些器件在绘图过程中很可能被放置在不同的页上。

    在打包过程中,很可能出现一个器件的不同部分被分以不同的位号,成为多个器件;以及多个器件位号相互交错的问题。

    一般避免此问题有如下方法:

    • 对同一个器件的不同部分,设置属性“Group”,定义为同一个组名(例如“FPGA1”);
    • 设置位号硬属性“Location”后打包。(反标产生的为“$Location”软属性。)

    以上两种方法不能同时使用,否则会出现错误信息(参见 Package XL 手册)。 一般情况下,为了避免打包时或者修改属性时出现其他问题,兼顾模块设计的需要,我们不推荐使 用“Location”指定硬属性的方法解决此问题,建议定义“Group”属性。

    15、Alias 符号的使用

    我们有时使用 Alias 来连接网络,以实现同一个物理网络,需要不同名称的场合。例如对于一个网络信号名定义为 PLUG-S,实际和 GNDD 相连,就可以使用 Alias 进行连接,不会发生错误。

    使用 Alias 连接的网络,必须使用网络标号的方式进行连接,不能使用连线(wire)进行连接,否则会导致连接失败。

    正确的画法为:

    错误的画法为:

     两种连接方式看起来完全一样,但是实际上第二种方式在打包时不能形成正确的连接。  

    16、禁止使用SIZE 属性放置多个器件

    采用定义 SIZE 属性放置多个相同连接关系器件的方法,例如去耦电容、MARK 点等。

    采用此种方法虽然方便了原理图绘制,但是导致位号难以控制的问题。当布局布线要求需要调整数量时,很可能出现调整掉已经布局好位号等问题,所以本部门规定,禁止使用 SIZE 放置多个相同连接关系的器件。

    17、Offpage/offpg 符号的调用

    Offpage 符号在原理图库中一共有六种,如下图所示:

    这六种符号分别表示出了输入、输出和双向信号从左右两个方向进入页面。垂直的出页符由水平的出页符翻转实现。需要注意的是出页符在使用中不能通过镜像、翻转的方式作为相反方向的出页符使用,例如将左侧入页符 1 翻转、镜像后作为右侧入页符 4 使用,否则会出现文字位置、方向错误的现象。

    18、器件管脚上的引线,应引出后再分叉 ,不得直接在器件管脚上分叉

    在绘图时,如果遇到 T 型的网络,必须将远见引脚引出后连接,不得直接在器件管脚连出分叉, 如下图所示。

    采用上图中左侧的方式,在原理图打印后,无法确认网络连接。故不推荐使用。

    19、关于单节点网络和浮空管脚的检查

    在设计中出现单节点和浮空管脚是很正常的事情,例如单板静电泄放模块中有很多单节点。本条目要求的是对所有的单节点和未连接管脚进行确认,确保没有漏接网络或者遗留未处理的CMOS 输入管脚、器件控制管脚器件控制管脚。

    20、采用Cadence提供的工具对原理图和PCB的网表一致性进行检查
     

    2、电路设计

    2.1、通用要求

    通用要求规范如下表所示:

    详细说明如下所示:

    1、器件接口电平匹配

    器件接口之间的电平应该匹配,尤其要注意不同电压/电平类型逻辑进行接口的场合。

    例如我们常用的 LVTTL 信号输入低电平阈值和高电平阈值分别为 0.8V 和 2.0V。虽然器件实际反转电平处于 0.8~2.0V 中间的某一个电压,但是设计必须保障输入电平不会处于两个阈值之间。

    对于差分线,要考虑逻辑的共模电压和差分电压范围是否都能够满足要求。 在不同标准、不同电压的逻辑电平进行接口时,尤其要注意这个问题,并避免器件工作在安全工作范围之外。

    例如某单板中曾使用 3.3V 的 PCI 时钟驱动器 CDCV304 分发射频时钟,时钟来源于 1 颗 5V 的压控晶体振荡(VCXO),该振荡器为 CMOS 输出。VCXO 的输出电压范围超出了 CDCV304 输入的电压范围,长期工作可能对 CDCV304 的钳位电路或 VCXO 的驱动电路造成损伤。

    随着工艺的进步,线宽减小,很多逻辑器件的内置保护电路变得非常脆弱,不能长期承受过应力,器件对过冲等指标也提出了要求。在设计中应予以甄别。

    2、PECL-LVPECL 接口

    PECL 信号电源电压为 5V,在和 LVPECL 接收器进行接口时直流偏置工作点不满足要求。对于数据流经过直流编码的应用,可以采用交流耦合方式,即在信号线上串联电容隔断直流,两边分别采用上下拉电阻设置工作点。交流耦合电容如直接对单板外部接口,则存在对对方单板输入器件的 ESD 损伤隐患。采用上面提到的,在耦合电容另外一边对地接大电阻防止静电积累是可以的,但要考虑对信号的影响,所以需要对改电路进行实际验证才可以下结论。

    对于必须采用直流接口的场合,应采用公司的 3 电阻端接参考设计。电路原理图如下图所示:

    3、单板对外接口器件选型必须能够满热拔插要求

    在单板对外接口器件选型时,应确保器件可以经受热拔插。对于普通逻辑电平器件,应考虑采用支 持 OE 控制、Ioff、PU3S 的器件。

    对于其他器件也应充分考虑器件在电源为 0 的情况下,是否会导致器件损坏、信号线被拉死情况,当单板上电且输入悬空的情况下,是否会出现输出乱码或错误电平、器件损坏等情况,并进行相应处理。

    4、对电源有二极管钳位保护的器件

    当器件内部存在对电源钳位的二极管时,输入电压高于电源电压(或者在热拔插场合电源电压被关闭、还没有启动),则输入电压会被二极管钳制,对其他信号造成影响,并很可能造成驱动器件或者钳位二极管的过应力损坏。

    如果器件的电源没有吸纳电流的能力,且该电源本身电流很小,则输入有可能通过钳位二极管拉高电源电压,造成局部电源过压,对器件造成损坏。

    5、差分信号应考虑Failsafe 功能

    差分线的 Failsafe 功能包括当驱动器断电,接收器断电,驱动器未连接,差分线开路,差分线短路(或者通过匹配电阻连接)等状况下,器件不应该损坏。更高的要求是当因为上述各种原因,差分线处在中间电平时,接收器应该输出一个固定的状态。接收器输出乱码很可能导致器件的时序不满足要求而 导致状态机跑飞等故障。

    我们的 3G 系统中大量使用 MLVDS 器件发放时钟,可以参考 TI 公司 SLLD009 等文档了解 MLVDS器件的 Failsafe 功能。I 型 MLVDS 器件在我们系统应用中,在无驱动状态下会因为干扰而输出乱码,采用 II 型器件可以解决;我们系统中的 RS-485 器件,当接收端接有端接电阻且无驱动的情况下,输出低电平,造成 UART 接收到错误的码,需要进行上拉或下拉处理。

    我们系统中 RS-485 总线的处理也是考虑到 Failsafe 功能和器件驱动能力之后综合考虑的结果。

    6、了解 CMOS 器件的闩锁现象,选用不易发生闩锁的器件

    CMOS 器件的闩锁(Latch-up)现象是由 CMOS 工艺结构所造成的。CMOS 器件在生产过程中,会寄生 PNPN 结构,相当于一个 SCR(Silicon Controlled Rectifier)。当因为电源电压异常、输入电压/输出电压高于电源或者低于地、ESD 放电等情况出现时,就有可能触发闩锁。 当闩锁发生时,器件内部的寄生 SCR 被触发,形成从电源到地的电流直通通路,产生大量热导致 器件烧毁。

    一般触发源消失后闩锁仍然保持,只有断电能够退出闩锁状态。为了降低器件发生闩锁的概率,我们在设计中应该理解并选择不易发生闩锁的器件。在一些器件手册上会说明,闩锁性能满足 JESD78 规定的某一级要求,均可作为参考。

     

    同时,我们在应用中应该尽量避免触发闩锁的条件,例如:

    • 热拔插过程中保证地线首先接触,然后是电源,最后才是信号

    • 在背板接口上采用串联电阻的方法限制电流,减少闩锁发生的概率

    • 多电源器件,严格遵守手册规定的上电和断电顺序
    • 避免信号和电源出现过压等情况:一方面应该采取措施避免信号线上出现浪涌,一方面应该避免因为二极管钳位电路将浪涌泻放到电源而造成局部电源过压。

    7、器件工作速率符合设计要求

    器件和引入信号的交流特性应该匹配,例如 EPLD 是否支持引入的高速时钟信号以保证逻辑能够正确采样;时钟 BUFFER 是否用来驱动比其所能支持的频率更高的时钟信号等。例如 SN65MLVD200 器件,其数据手册上的速率为 100bps,折算成时钟频率为 50MHz,如果我们用来驱动 60MHz 的信号,虽然可以工作,但是性能不能再得到数据手册上的保证。

    8、在满足系统性能要求的情况下,尽量降低信号的速率,采用慢速器件

    高速器件主要指信号切换速率高的器件。因为切换速率高对应着工作频率也能增加,所以两者有一定的联系。

    高速器件和高时钟速率对系统带来了多方面的影响:

    • 信号完整性问题。即使是很短的导线,也必须作为传输线处理,进行恰当的端接,否则就会发生振铃、过冲。这不仅仅和频率相关,频率很低而切换速度很高的器件也必须考虑!
    • 切换速率的提高使得电源完整性劣化,需要更多的考虑电源系统的设计。
    • 有可能造成成本的上升。例如曾经采购 EP20K160EFC484 型 FPGA,快一个等级的器件价格上要高出数百元人民币。
    • 更多的 EMC 问题。
    • 设计时序要求更加严格。
    • 功耗更大,为系统散热带来挑战。

    当不必要的时候,我们可以尽量选用便宜、满足要求的慢速器件。

    9、模块电路、通用电路和参考设计

    设计的重用可以大大简化设计工作,提高设计效率,提高工作质量。公司内部统一使用相同功能电路还能够减少器件选型种类,降低管理成本,并通过扩大单一器件采购量的方式降低采购成本。

    模块电路/参考设计一般都由相关领域经验丰富的员工开发,经过了较多的应用验证和严格的设计评审,电路成熟,可靠性较高。没有特殊的情况,能够采用模块电路实现功能者一律要求使用模块电路。 如果认为模块电路在成本上不具优势,或者模块电路存在设计问题,应提请模块电路进行修正,不要私自重新设计电路。

    10、产品设计约定

    对于部分尚未来得及模块化、通用电路化的电路,以及只和产品相关的电路设计、器件选型,部门在产品开发的特定阶段会针对产品进行约定。例如在 3G 系统中选定了部分器件作为公用器件,约束了接口逻辑器件的上拉或下拉方式,规定了 0.1uF 去耦电容的选取等。这些约束在产品范围内和模块电路、通用电路等有同等效力,必须遵守。

    11、同一物料代码下多种器件的使用

    为了降低采购成本,并避免因为供应商出现商务纠纷、财务问题、质量问题等导致公司生产受到影响,一般的物料都会要求有两家以上的供应商可以供货。物料代码的初次申请往往是为特定应用场合考虑,所以两种物料很可能各种参数不完全兼容。对同一代码物料的采购,是综合价格、供货能力等各项因素考虑的结果,

    例如某应用需要 3.3V 工作 100MHz 的视频模拟开关,为两种物料申请了代码,一种的工作电压为3.3V,另外一种可以工作在 3.3V 或者 5V 的环境下。当设计进行器件选型时,必须要求对一个代码下所有的物料都进行分析,确保可用。在调试和试生产过程中对各种物料单独使用、混合使用等各种情况进行试验,确保设计工作正常。

    12、单板上所有有复位管脚的芯片,要求复位管脚软件可控

    UART、专用芯片很多都有专用的复位管脚,FPGA 在设计中一般也会设计复位管脚用来对全片进行复位。这些管脚应该软件可控,以保证当单板一部分工作不正常的时候,可以通过软件对该部分复位,不需要复位整块单板。

    例如某接口单板,有多片 FPGA 存在。如果部分 FPGA 已经下载并开始工作,而其他没有正常工作时,会导致系统输出一些错误的数据。通过让已下载的 FPGA 处于复位状态可以避免这个问题。如果软件不能控制 FPGA 的复位端,系统将无法正常工作。例如某单板上 FLASH 的复位引脚连接到上电复位信号上,如果写 FLASH 过程中程序跑飞或被后台复位,则 FLASH 不能再次写入,必须前台断电复位才能正常工作。

    13、初次设计 CPU、DSP和 ASIC 的配置管脚的上拉或下拉状态尽量设计成可调

    在初次设计中,设计者对 CPU、DSP、ASIC 等器件的实际应用情况并不了解,完全依赖于器件厂 商提供的器件手册,配置管脚的上拉或下拉状态很容易设计错误。对于很多专用的集成电路,其工艺、 硅片版本也都处于升级之中,数据手册经常会存在错误。

    在初次设计中,将 CPU、DSP、ASIC 等器件的配置管脚设置为可调,可以通过选焊电阻的方法避免飞线,提高一次成功率。

    14、器件手册,更正历史和勘误表

    器件厂商在开发器件的过程中,不可避免的会出现错误。有些错误是因为设计问题引起的,有些问题是因为硅片工艺问题引起的。器件手册本身在编写过程中,也会出现一些遗漏和错误。因此,器件厂商会对器件手册进行升级,或发布器件手册的勘误表(Errata)。

    例如某型号 DSP 器件,对器件手册的勘误表有多次升级,说明了在芯片当前版本中的各种问题,了解这些问题可以避免在设计中重复已经发现的错误。再例如 SPARTAN 3 型 FPGA,2003 年的厂商的器件手册和 2004 从网上下载的器件手册在一些说明中存在差异。

    15、对于设计中的可配置部分(包括为调试设计而最终不安装的部分),必须注明本板在线运行和调试使用的所有配置方式

    单板上经常会设计可配置的方式,例如初版未确定配置方式而设计的上拉或下拉、为了器件兼容设计的上下拉电阻和 0 欧姆跳线电阻、为了同一块 PCB 实现不同配置设计的可调部分,为避免风险而设计多种器件方案,最终只采用 1 种的情况、为了调试方便设计的一些跳线和上下拉等。

    当这些情况出现时,原理图上会存在多种方案,最终设计在料单上体现。这样会给阅读、走查等带来很大的困难。

    所以我们规定,可配置部分必须在器件旁边注明配置方式。

    2.2、逻辑器件应用

    逻辑器件应用规范如下表所示:

    详细说明如下所示: 

    1、未用 CMOS/BICMOS 器件管脚不得悬空,需要通过电阻接电源或者接地

    CMOS 器件的输入端一般为一对互补的 MOSFET 的栅极。MOSFET 的栅极一般是在一层非常薄的硅氧 化物绝缘层上制造的,具有非常高的电阻和一个 小电容。当悬空时,管脚上微弱的感应电荷很难释放,就会在栅极上建立很高的电压,导致栅氧 化物击穿而损坏器件。ESD 防护二极管的可以防 止避免器件损坏,但是我们要求采用电阻降低输入端阻抗,实现可靠的设计。

    另外,悬空的 CMOS 输入端可能处于任意电平,也就导致了器件可能处于 PMOS 和 NMOS 直通的状态,甚至处于震荡状态消耗更多功率,减少器件寿命。

    2、悬空、固定电平的管脚采用电阻接电源或者接地,禁止直接连接

    上节已经说明了 CMOS 器件输入禁止悬空的问题。另外,还有一些控制信号,我们在设计中只要求其出于常‘0’或者常‘1’状态。在有的设计中,将不使用的器件直接连接在电源或者地上。在公司的生产过程中,单板都需要进行 ICT 测试,需要通过探针对单板上的器件施加激励并测量响应,确定单板是否正常。直接将器件的输入端接地将导致器件该部分无法测试,所以从可测试性考虑,严禁将此类输入管脚直接接电源或者地,必须通过电阻连接。

    对器件悬空管脚进行处理时,应考虑测试需要,例如器件的 OE 和输入信号不应使用同一个电阻进行上下拉,否则在测试中因为有一个电平会关断器件而无法测试;多个器件不应使用公用的复位、控制或使能,否则无法隔离各个器件定位问题,如下图所示:

    3、多级具有上电3态的器件级联驱动信号时,如果信号上电过程要求确定电平,则各级输入端都必须采用上拉或下拉电阻确定状态

    有时我们可能采用上电三态的器件驱动驱动器的 OE 端等信号。这些信号在上电过程中对其电平有要求,如果上电过程中驱动器被打开,则可能引起总线冲突而导致系统工作不正常,甚至烧毁器件。此时因为不能确定各个驱动器脱离三态的顺序,各点都需要用上拉或下拉确定电平。

    例如下图中的电路,为避免驱动器 3 最先脱离上电 3 态后向背板输出数据,C 点必须采用上拉或下拉确定为无效电平。如果驱动器 2 先于 1 脱离上电三态,它可能将 C 点驱动为有效电平,所以 B 点必须进行上拉或下拉处理。同样道理,如果 A 点由一个上电时三态的器件驱动,那么 A 点也必须上拉或下拉。

    4、采用具有上电3态的器件驱动背板输入控制信号,如果该信号上电后立刻需要读取且不受上电复位控制(例如单片机ISP模块中的背板复位信号和下载使能信号),则必须采用电阻置初始电平。

    本条和上一条目内容基本一致。我们的系统中一般都采用了 LVT16244 或者类似的器件对背板输入信号进行缓冲,提高单板的可靠性。器件的选择一般和驱动输出到背板信号的驱动器一致,故都具有上电三态特性。我们不能够确定器件脱离 3 态或者完成上电开始工作的顺序,故必须采用一定的手段确定系统在上电过程中状态可控。

    5、对背板输出的驱动器,如果其OE端需要控制,应采用电阻设置为输出无效状态

    对背板输出的驱动器,应该避免在上电未完成时对背板输出,以防止出现系统异常的数据或者总线冲突。如果背板驱动器 OE 端通过 EPLD、FPGA、CPU 等控制,则需要系统在这些器件没有上电之前,背板驱动器处于关闭状态,故应改对 OE 端进行上拉或下拉处理,采用电阻设置为输出无效状态。

    对于常用的 16244 等驱动器,对 OE 端采用电阻上拉。

    6、避免使用一个排阻同时用作信号上拉和下拉

    有些单板设计中,设计者为了节省排阻,采用 1 个排阻,其中部分电阻对信号进行上拉,部分电阻 对信号进行下拉。

    因为在加工过程中,排阻焊接容易产生搭锡短路,采用 1 个排阻同时作为上拉和下拉电阻,发生搭锡很可能会导致电源地之间的短路,此类故障极难查找定位。

    另外在调试过程中,测量时示波器探头易导致排阻相邻管脚短路而造成探头烧蚀和单板损坏。

    为避免麻烦,规定避免使用一个排阻同时用作信号上拉和下拉。

    7、UART器件16C55X,如果不使用其DSR、DCD、 CTS信号,需要进行下拉,使信号为有效状态,避免自动流控制的器件不能正常工作

    UART 器件的 DSR、DCD、CTS 信号,分别表示数据设备就绪(Data Set Ready)、数据载波检测到(Data Carrier Detected)、数据设备准备好发送(Clear To Send),其有效电平为低电平。

    在具有自动流控制功能的器件(TL15C55xA)中,如果使能自动流控制功能,CTS 将决定 UART的发送器是否允许发送。某事业部的某种单板,因为这几个信号悬空未处理,管脚表现为高电平,加之软件处理不当,导致了数百块待发货单板回生产线返修。

    为了确保在各种状态下器件工作正常,我们如果采用 3 线制串口通讯(TX,RX,GND),应将这几个信号采用电阻下拉到地。

    8、PCI 总线信号的上拉

    9、对缓慢变化的信号需要使用带施密特输入的器件进行驱动

    当对器件施加缓慢变化信号(例如采用 RC 和按钮开关产生复位脉冲的电路)时,处于切换期内的 时间较长,在切换阈值附近的时间也比较长。现在我们使用的大部分逻辑器件开关速度都比较快,这时器件的寄生电感、电容等特性就会体现出来。

     

    例如当输入电压缓慢上升到达阈值,驱动器反转时,负载电容 CL 会通过引脚电感 LP 向地上放电。快速的放电导致 LP 上产生一个电压降,器 件内部的电位实际上被抬高至高于地。内部阈值相对地升高。因为输入信号上升缓慢,此时阈值实际已经高于信号,器件再次发生翻转,VCC 通过 LP 对 CL 进行充电,在 LP 上产生压降,器件内部的 VCC 降低,导致翻转阈值降低,器件再次发生翻转,如此往复。

    电源地上的噪声在这种情况下也可能引起阈值变化而产生振荡。

    10、设计中应防止上电及正常工作时出现总线冲突。对于可能出现冲突的情况,应采用互斥设计,确保不会因为软件问题导致冲突

    当总线产生冲突时,多于一个器件同时导通,当两个器件的输出的电平不一致时,将会有较大的电流通过器件的输出级直接从电源流到地,器件将耗散很大的功率,严重影响器件的寿命,并且干扰总线上的数据。

    11、 和背板直接相连的驱动器必须满足热拔插要求

    我们的系统为热拔插系统,在系统工作的同时需要能够插上或者拔出单板,而且当单板在位的时候,可能会关闭单板电源。这就要求单板在拔出、插上或者断电的时候,不应该造成器件损坏,不应该对系统功能造成影响。

    12、MCS-51 单片机总线和端口需要加驱动

    MCS-51 单片机的端口和总线驱动能力较弱,尤其是 P1~P3 端口,其输出上拉结构由 3 个 MOS 构成,输出由低跳高的前 2 个时钟周期中,上拉较强,其余时候上拉较弱。如果总线上具有类似下拉电阻的负载(输入高电平时需要流入电流的负载),将可能无法正常驱动。

    所以我们规定,对于 MCS-51 单片机总线和端口,需要加驱动。因为总线保持器件存在的保持电阻可能使单片机端口被拉死为低电平,所以禁止在 MCS-51 单片机外围电路使用总线保持器件驱动。

    关于 MCS-51 单片机端口特性的分析,可以参考早期技术文档《51 单片机 IO 口上的“高电平总线保持”特性》和 Intel 的 MCS-51 单片机手册。

    13、原则上不推荐采用总线保持器件或者启动可编程器件的总线保持功能

    总线保持器件(TI 公司的 LVTH 器件,其他一些公司的 LVT 器件,以及部分 LVCH 器件等)在输入端添加了一个从输出端反馈的回路,等效电路如图所示:

     

    采用总线保持器件,输入信号断开时,因为正反馈的存在,会保持最后输入的电平,避免输入悬空,可以省略驱动器上的上下拉电阻,节省电路板空间和成本。

    14、总线保持器件通过电阻预置状态时的上下拉电阻推荐采用 1K

    如果经过评估,认为在设计中可以使用总线保持器件,那么如果要对某一个驱动器置初始电平,该电阻必须能够提供器件反转所需要的最小反转电流。从另外的角度上看,外接的上下拉电阻必须要在和器件内部的保持电阻分压之后,提供正常的电平来让器件翻转。

    推荐每个输入采用 1K 电阻进行上拉或下拉,确保总线保持器件在无驱动状态总能被可靠的置为需要的电平。如果多个器件并联使用,需要相应的减小电阻以确定可靠的上拉或下拉。

    15、BUSHOLD器件,不论其输出端口处于何种状态,其输入端口的BUSHOLD特性一直有效。对于双向器件,其两个方向端口在输出高阻态下输入BusHold特性一直有效

    Bus Hold 特性是对于器件输入端而言的,当器件 OE 使能信号无效,输出为高阻态时,Bus Hold 特性依然存在。对于 LVTH16245 这样的双向器件,不论其 OE 和 DIR 信号为何状态,两个端口都有Bus Hold 特性,这一点在应用中需要注意。

    16、上下拉电阻的选择

    上拉或下拉电阻的选择必须具备以下条件:

    • 可靠的为信号确定电平;
    • 不会显著的为系统增加过多额外的功耗;
    • 能够提供器件所需要的上升下降时间要求;
    • 阻值常用,价格便宜,供货充足。

    要可靠的为器件设置电平,要求网络上的漏电流流过电阻时,电阻上产生的压降不会太大。对于LVTTL 信号,应保证器件输入高电平不低于 2.4V,低电平不高于 0.4V。也就是说,当选择上拉电阻时,电阻上的压降不能多于 3.3V-2.4V=0.9V,选择下拉电阻时,电阻上的压降不能多于 0.4V。

     

    对于早先的 TTL 器件,其输入端的结构决定其 IIH 较小,而 IIL较大,加之输入低电平时电阻上允许的压降也较小,决定了 TTL 器件下拉电阻选择小于上拉电阻的经验。对于现在我们常用的 CMOS 和BiCMOS 器件,IIH 和 IIL的区别一般不大,而且电流往往都处于 uA 级,对于我们一般选择的 1K 到 10K的电阻,压降不大,所以不需要过多考虑。

    当一个电阻对多个输入管脚设置电平时,必须将 I IH 和 I IL 乘以输入管脚的个数。

    17、ISPMACH4000系列EPLD和CycloneFPGA外围的下拉电阻

    对于 ISP MACH 4000 型 EPLD,我们推荐使能全局上拉以简化设计。

    Cyclone 型 FPGA 在未加载时,内部弱上拉使能。内部上拉强度随着温度的变化会有较大的变化,当温度低时上拉电流较大。在某主控单板上 Cyclone 输出其他单板的复位控制信号,采用了 10K 的电阻下拉,确保未下载逻辑时输出低电平(复位无效)。在低温试验中,复位该主控单板会导致全框受控单板复位,经分析确定为低温下内置上拉电流增大,导致 10K 电阻不能够将信号线拉低。

    在某接口板中,低温下复位备用单板会导致主用单板工作异常,也定位为 Cyclone 输出的状态信号采用 10K 电阻下拉,在 FPGA 重新配置时内置上拉电阻导致主备状态信号输出高电平所致。

    18、与背板相连的普通逻辑电平信号,如非特别要求,需要采用串接电阻

    对于总线型应用等场合或者信号完整性特殊要求的场合,对电阻的取值和串联与否可以灵活处理,以信号完整性优先 信号完整性优先。例如对于驱动很多负载的总线型应用,串联 33 欧姆电阻导致信号上升沿缓慢,系统时序裕量小,可以考虑串联 5~10 欧姆的电阻提高一次波的幅度和上升斜率;在 3G 系统基带射频接口中,为了保证主备配置下的信号完整性问题,将 33 欧姆串阻放在了背板上,在射频接口板中驱动器靠近连接器放置而未加串阻。

     

    对于双向的信号,如果本身器件布局很近且版面空间不允许,可以考虑将串阻合成为 1 个电阻处理,如下图所示。

     

    19、背板输入TTL/CMOS信号缓冲器须应用下拉电阻和串阻

    从 3G 第二版开始,背板输入信号规定必须添加防止闩锁的串阻和防止信号线浮空的下拉电阻。

    串 阻的大小为 100 欧姆,下拉电阻的大小为 10K。 采用 10K 欧姆下拉电阻是因为对于单个的 LVT 输入管脚,10K 电阻可以提供足够的电流保证输入 低电平,而对于总线型的信号,即使 10 块单板同时连接时,并联形成 1K 的下拉电阻对于驱动端不会造成很大的负载。

    采用下拉电阻而不是上拉电阻,是为了防止当本单板上电而其他单板未上电时,通过上拉电阻向其 他单板提供电流,或者当信号线高电平而本单板未上电时,信号通过上拉电阻向本单板供电而造成指示 灯微亮等异常现象。

    最初的产品设计约定规定为信号先过串阻,然后通过电阻下拉,如下图左所示。在系统调试中,我们认为采用如下图右所示的电路连接更加具有优势。在一些较复杂拓扑中,易于通过下拉电阻的调整实现对信号线的端接,具有更大的灵活性,并且不会产生两个电阻对输入信号分压的情况

    上图左边连接方式在布局时,必须注意两个电阻都必须靠近驱动器输入端放置,在右边的连接方式中,串联电阻必须靠近驱动器输入端防止,而下拉电阻放置位置没有特殊的要求,可以靠近连接器或者驱动器放置,放置时需要注意不造成传输线明显的不连续点。

    有一些情况是例外,不能采用下拉电阻:槽位号,插板到位指示,各种背板的 ID 号设置。因为背板无源,所以这些信号在背板上只能采用悬空和接地的方式进行设置,这样单板上只能采用上拉电阻, 当背板信号线为悬空时,输入‘1’,当背板接地时,输入‘0’。

    2.3、时钟设计

    时钟设计规范如下表所示:

    详细说明如下所示: 

    1、时钟芯片的电源处理

    时钟芯片的电源处理直接关系到系统时钟的性能和 EMI 指标。

    对于时钟驱动器而言,比较好的方法是直接通过过孔就近将电源和地连接到平面上去,充分利用平面电容和电源去耦提供良好的电源。但是这样做的同时,将时钟驱动器这一强脉冲电流源引入全板供电系统,进而可能导致整个单板的 EMI 指标恶化。

    所以我们一般采取折中的方法,对于输出管脚较多的时钟芯片,其电源滤波采用一颗磁珠(推荐选用 120 欧姆@100M,BLM31P121SGPT,根据系统 EMC 实际情况可以调整),磁珠后应接 10uF 钽电解电容,0.1uF 陶瓷电容和 1000pF 陶瓷电容提供较宽频段内的低阻抗。

    多电源管脚时钟驱动器件每对电源地管脚之间的电源去耦可以照常进行。建议在器件下方铺设一块铜皮作为电源,减低电源回路的电感。

    2、单板50MHz以上时钟驱动器件未用管脚,通过75欧姆电阻接平面

    单板时钟驱动器当输出悬空时,有可能会引起辐射的增强(目前少见实际案例)。添加 75 欧姆电阻到地可以减少输出管脚电流高频谐波分量。对悬空管脚处放置电流探头进行仿真的结果发现部分频率谐波会有所增强,部分频率(500MHz 以上)谐波成分减少。对电源的冲击是否有改善尚待验证。

    3、驱动器未用管脚接平面电阻,推荐使用分立电阻

    驱动器未用管脚的接平面电阻,因为涉及功耗和 EMI 等多种问题,实际应用中可能焊接也可能不焊接。我们期望能够添加尽量少的电阻,以减少电路工作时的功耗。为了能够灵活处理各种状况,建议使用分立电阻,不推荐使用排阻对未用管脚进行处理。

    4、时钟信号网络的端接

    时钟信号在系统中至关重要,时钟网络往往是 EMI 的主要源头,所以时钟信号的网络必须恰当的规划拓扑并进行恰当的端接,确保信号质量,减少 EMI。

    时钟信号最常用的拓扑和端接方式为点对点传输,源端端接。我们推荐采用这种方式我们推荐采用这种方式。这种方式实现简单,端接恰当就可以在接收端得到一个非常好的波形。该拓扑如下图所示,其中电阻阻值推荐根据仿真和测试结果确定。

    对于一个驱动器必须驱动多个负载的情况,当负载离得很近时,可以作为一个负载处理,如下图所示。使用这样的拓扑,必须进行仿真验证,确保接收端不会出现上升沿不单调等信号完整性问题。这个方案和下面的各种两个负载的方案相比,类似于点对点的传送,更加容易保证信号质量。

    对点到点时钟还有采用如下图的 T 型源端端接方式。该端接方式会使得接收端的波形变缓,在对时钟边沿上升时间最小值有要求的场合(例如器件要求 Tr>3nS),可以使用该电路延缓上升沿。 在时钟上升沿减缓的同时,发送端的负载可能变重,发送端瞬态电流增大。因为发送端增大的电流环路较小,而整个时钟传输路径环路较大,所以信号上升沿变缓从总体看来能够改善信号完整性问题和 EMI 问题。

    该方案需要 3 个器件实现端接,比较麻烦,在初版中一般不需要采用。如果采用一个电阻的源端端接方式单板出现 EMI 超标,试验验证在超标的时钟网络上采用此方案能够解决 EMI 问题时,可采用此方案。该方法应通过仿真和试验确定电阻和电容的参数。

    另外还有下面的一些一驱二端接方式。

    当两负载完全相同,走线完全等延迟时,可以采用下面的端接方式。为了能够得到一个良好的一次波翻转源端电阻的选取一定要小。如果负载相同,且走线相同,分叉上的反射波会同时到达源端,并且重新向两个分叉上反射。在两个接收端上,都会有多次反射波出现。如果两个分叉上有轻微的差异,则可能会产生强烈的不衰减振荡。所以这个拓扑不推荐使用。

     

    当两负载不同,走线等长时可以采取如下的拓扑。这个拓扑比较起上面的拓扑要好得多,当两个分叉不对称时仍旧可以工作,只是出现一些反射和振铃现象。在单片机模块电路中,我们采用了这种拓扑。一般我们也认为在不得不驱动两个距离较远负载的情况下,可以选择这种拓扑。这种拓扑当两个分叉对称性很差时,也可能出现一些反射造成的毛刺等,建议通过仿真选择器件参数。

    两个负载可以不同,走线基本等长。三个电阻要求放在一起,离驱动端的距离控制在 0.25nS 之内,可以采用下面的拓扑。直接连接在驱动器上的端接电阻相当于在上面一个拓扑中增大了驱动器的内阻, 后面的两个电阻相当于上面图中的端接电阻减小。在这个拓扑中信号会反射产生多个台阶,要选择合适的电阻确保一次波翻转。该拓扑要必须进行仿真后才可以使用。

    再考虑时钟线减少高次谐波的情况,在中间结点接一个电容,和前面的源端端接方案添加电阻很类似。该方案要求经过仿真后使用。

     当需要驱动多个负载时,可以采用如下的菊花链拓扑。这个器件相当于一个终端端接方案。网络上每个点的分叉应该尽量减小,尽量均匀分布负载。必要时,各个负载上可以串联一个电阻,减少对整根传输线的影响。这样,多个相同负载均匀挂在传输线上相当于减少了传输线的阻抗,需要注意终端端接电阻的选取,正确的端接传输线。该方案必须经过仿真后才能使用。

     5、当接口标准或器件对时钟网络等布线有要求时,依照接口标准或器件要求执行

    对于 DDR、QDR 等网络,对时钟网络的布线有严格的要求。一般我们可以依照器件或者接口标准规划网络的拓扑方案,确保器件的时序裕量和信号质量。

    一般推荐对于信号质量,都进行信号完整性仿真再次确认。

    6、锁相环串联使用,须注意不会引发谐振

    锁相环是一个闭合控制回路,它在跟踪信号相位时,对部分频率成分敏感,部分频率成分不敏感。 其环路滤波器、VCO 和鉴相器几个部分的传递函数都可能存在零极点。此时整个锁相环的传递函数中 可能存在谐振点,即对某些频率分量的增益大于 1,该频率分量上的相噪将被放大。

    如果多个锁相环串联使用,如果存在共同的谐振点,将会导致输出的时钟信号该频率上相噪大,所以在锁相环串联使用时,须避免谐振的产生。

    这里要注意的是,零延迟缓冲器、倍频器等一般都有锁相环构成,都要受本条规则约束。

    7、不推荐使用多通道输入时钟驱动器驱动不同时钟

    采用多通道时钟驱动器驱动多路时钟,各路时钟之间会发生相互干扰。一方面是由于容性或者感性耦合,一方面是因为电源和地的扰动。

    当一路时钟发生切换时,因为时钟缓冲器一般输出数量多,瞬态电流比较大,将会在地引脚或者电源引脚上产生压降(Vcc Sag 或者 Ground Bounce),造成芯片的参考电位波动。如果芯片在设计过程中接地不合理,那么一路时钟切换在电源引脚上产生的波动将可能导致其他时钟切换的不确定性,甚至导致毛刺。

    为了避免此类情况的发生,我们一般不推荐采用多通道输入的时钟驱动器驱动不同时钟。

    如果因为空间、成本等原因,必须采用多通道时钟驱动器,必须注意驱动器的接地信号处理,以及输出走线的布局,器件的接地管脚应该就近直接连接地平面,电源一般应该单独去耦并连接到电源,一定不能将所有管脚连接到一起之后通过同-一个过孔接到地或者电源,这样很容易引起问题。不同的时钟信号应相互避让,避免时钟之间互相干扰。

    8、板间传输的时钟信号,上 单板后在时钟的输入端备用去回钩电容

    时钟对边沿单调性有要求,在板间传输的信号,当网络拓扑复杂的时候,可能出现回钩。如果对板内时钟质量没有把握时,也可以加备用去回钩电容。该电容过滤了小的毛刺,但是也增加了传输线末端的容性负载,所以需要经过试验确定是否需要添加。 示例如下所示:

     如果在样板测试时,发现进板的差分信号质量不好,可以使用去回钩电容。 例如 PECL 器件质量故障,如果在样板测试时发现 PECL 信号质量差,使用了该电容过滤回钩,问题可以化解。

    必须注意的是,我们应该在系统设计中通过良好的拓扑设计、对批次不良器件进行筛选来确保信号质量良好,而不应依赖备用的电容解决设计和器件质量问题。这个电容的设置只是为了应对不时之需,不能代替拓扑设计和信号系统级完整性分析。

    9、子卡与母板间传输的时钟,应保证子卡不在位时,时钟输入不悬空,时钟的输出有匹配

    驱动在母板时,采用源端串阻匹配;驱动在子卡时,采用终端电阻匹配,或者在子卡上采用远端匹配,在母板上通过上拉或下拉电阻确保当子卡不插时接收端不会悬空。

    2.4、保护器件应用

    保护器件应用规范如下表所示:

    详细说明如下所示: 

    1、TVS 器件的应用

    TVS 器件即 Transient Voltage Suppressor,是专门设计用来吸收信号线或者电源上出现的瞬态过压的器件。

    选用 TVS 器件前,应对它的参数有所了解,这些参数主要有:

    • 击穿电压 VBR:指器件在发生击穿的区域内,在规定的试验电流条件下所测得的器件两端的电压值。
    • 最大钳位电压 VCMAX:在峰值脉冲电流下测得的最大电压值称为最大钳位电压。最大钳位电压与击穿电压之比称为钳位系数。一般箝位系数取值为 1.33(在总的额定功率下)或 1.20(在 50%的额定功率下)。
    • 最大反向工作电压 VRWM:该电压是指器件反向工作时,在规定的漏电流下,器件两端的电压值。通常取: VRWM=(0.8~0.9)VBR,在这个电压下,器件的功率消耗很小。

    在瞬变和浪涌防护电路中使用 TVS 时,一般应该遵循以下选择原则:

    1. 最大嵌位电压 VCMAX应不大于电路的最大允许安全电压。
    2. 最大反向工作电压 VRWM应不低于电路的最大工作电压,一般可选 VRWM等于或略高于电路的工作电压。
    3. 额定的最大脉冲功率必须大于电路中出现的最大瞬态浪涌功率。
    4. 对于高速链路,需要考虑结电容的要求;
    5. 注意单向和双向 TVS 管的选择;
    6. TVS 器件的选型时要考虑器件的响应时间满足要求。

    2、保护器件应与被保护器件接在相同的地平面,如采用变压器隔离,为保证隔离特性,隔离变压器初次级两侧的器件要分别接对应的参考地

    我们常用的保护器件内部一般为 TVS 管或者钳位二极管阵列。当电压高于击穿电压时或者正向导通电压时,器件就会击穿或者导通。如果保护器件和被保护器件接在不同的地平面上,就形成了一个潜通路(参见参考文档《潜在通路分析技术及其在通信系统故障调查中的应用》,刘春杰,景焕强)。当两个参考点之间的电位差异比较大时,保护器件导通,导致被保护器件过应力损坏。

    例如某单板的 E1 保护采用如下图的电路。注意变压器器件侧的 DA108S 错误的接在保护地上。当GNDP 和 GNDD 之间存在较大的电位差时,DS108S 直接将 GNDP 上面的过压泻放到信号线上,导致被保护器件损坏。在这里,DS108S 不应连接在 GNDP 上,而应该和被保护的器件一起连接在 GNDD上。

    对于机框内部的连接,即使采用变压器隔离,因为整个机框都采用数字地作为参考,所以隔离变压器初次级两侧都应该向数字地进行保护(如果需要保护的话)。对于出框的连接,隔离变压器器件侧以数字地作为参考地进行保护,线路侧以保护地作为进行保护。

    3、PTC与TVS配合使用时,PTC要能及时动作,对TVS进行过流保护,同时,PTC本身也要能够满足工作电压的要求

    PTC 的意思为正温度系数热敏电阻器,主要厂商为 Polychem 等厂商。当温度较低时,PTC 呈现很小的电阻,随着温度的升高,电阻变大。

    当 PTC 与 TVS 配合使用进行保护时,过压出现时 TVS 导通钳制电压,电流较大,PTC 温度上升,电阻变大,限制了电流的增大,避免 TVS 损坏。如果 PTC 动作过缓,会导致 TVS 在 PTC 动作之前过应力损坏。而 PTC 在动作之后,呈现很大的电阻,将承受过压的大部分电压,所以必须考虑 PTC 能否承受这么高的电压。

    2.5、可编程逻辑器件

    可编程逻辑器件规范如下表所示:

    详细说明如下所示: 

    1、逻辑资源的利用率

    逻辑资源的利用率应该保存在 50%~80%之间。资源包括内置的 RAM、乘法器或者 DSP 资源、逻辑资源(包括组合逻辑和寄存器、布线资源)、IO 资源等。对于能够精确估计使用情况的资源,如乘法器或 DSP 单元,占用率允许到达 100%。对于低于 50%则推荐采用低容量器件降低成本,高于 80%则推荐采用更大的器件,避免出现修正错误、功能升级后无法完成布线或者不能保证性能的情况出现。

    一般说来,在新板设计中,为了保证未来维护升级的方便,应保证资源有一定裕量;在改版设计中,如果逻辑已经稳定,资源相对固定,允许资源占用率更高一些。如果因为逻辑功能简单,已经选择选型范围内容量最小的 FPGA,或者考虑芯片通用性好,公司使用量较大,导致该型号逻辑器件价格低廉时,允许在资源利用率较低的情况下选择该器件。

    2、可编程逻辑器件的输入时钟至少有一个本地时钟

    FPGA 的输入必须要有一个本地时钟,保证在热插拔、系统故障的时候,逻辑还有时钟可以工作。当单板或者时钟板进行拔插时,外部输入的时钟可能消失或者出现毛刺。这时候逻辑可能出现跑飞、跑死等异常。必须采用一个不间断的时钟,对外部时钟和逻辑的运行情况进行检测,确保时钟异常或者逻辑跑飞的时候能够恢复,不产生破坏性的影响(通过外部时钟通过倍频器、零延迟缓冲器、锁相环路产生的时钟不算本地时钟)。

    某单板出现过掉版本的故障,在系统断电、系统某些单板插拔的过程中,单板的软件版本会被错误 的擦除。经过定位,确认是当系统在断电等特殊状况时,会出现时钟异常,但是单板供电仍然持续的情况。这时候逻辑会异常运行,导致出现擦写版本的错误操作。

    3、对于可编程逻辑器件的悬空管脚(包括测试管脚、设计裁减导致的悬空输入等),必须确认其在正常工作中不能悬空

    在设计中,可编程逻辑器件 IO 有剩余的情况很容易出现,对大量的多余 IO 进行上拉或下拉处理会占用版面空间并增加成本。单板设计中留出的测试管脚,在实际应用中也会处于悬空状态。当管脚悬空时,编译器会将管脚处理成恒‘0’、恒‘1’、高阻等状况。

    还有一种情况会造成管脚悬空:我们的 3G 设计中有很多 1 块 PCB 对应多种料单,实现不同功能的情况。这样就可能产生为某一种实现定义为输入的逻辑管脚,在另外一种情况下悬空。例如射频接口单板,在不配拉远光口时,逻辑的光口数据输入管脚就会全部悬空。

    对于不用的 IO 管脚和测试管脚,可以定义为输出管脚驱动至确定电平。对于可能因为设计裁减导致悬空的信号,应采用添加外部上拉或下拉电阻或者使能器件内部 IO 管脚上下拉的方法,避免输入管脚悬空。

    4、不要用特殊管脚当做普通的IO使用

    在 EPLD 和 FPGA 中,有些管脚,是作为特殊管脚使用的,但是,也可以作为普通 I/O。在一般情况下,可以当 IO 用的特殊管脚尽量不要用作 IO。这些管脚需要按照器件手册仔细对待。

    2.6、电源设计

    电源设计规范如下表所示:

    详细说明如下所示: 

    1、热拔插系统必须使用电源缓启动设计

    热拔插系统在单板插入瞬间,单板上的电容开始充电。因为电容两端的电压不能突变,会导致整个系统的电压瞬间跌落。同时因为电源阻抗很低,充电电流会非常大,快速的充电会对系统中的电容产生冲击,易导致钽电容失效。

    如果系统中采用保险丝进行过流保护,瞬态电流有可能导致保险丝熔断,而选择大电流的保险丝会使得在系统电流异常时可能熔断,起不到保护作用。

    所以,在热拔插系统中电源必须采用缓启动设计,限制启动电流,避免瞬态电流过大对系统工作和器件可靠性产生影响。

    2、在压差较大或者电流较大的降压电源设计中,建议采用开关电源,避免使用LDO作为电源

    采用线性电源(包括 LDO)可以得到较低的噪声,而且因为使用简单,成本低,所以在单板上应用较多。FPGA 内核电源、某单板上射频时钟部分的电源等都使用线性电源从更高电压的电源上调整得到。

    线性电源的基本原理如图所示。输出电压经过采样后和参考电源(由晶体管带隙参考源或者齐纳二极管提供)进行减法运算,差值经过放大后 控 制 推 动 管 上 的 电 压 降Vdropout=Voutput-Vinput,使得当 Vinput 变化或者负载电流变化导致 Voutput 变化时,通过 Vdropout 的变化保证 Voutput 的稳定。

    由下图中可见,负载电流全部流过调整管,而输入电压和输出电压之间的差异全部都加在调整管上。调整管上耗散的功率为 Vdropout*I。当电压差较大时,或者负载电流较大时,稳压器将承受较大的功率耗散。

    3、LDO输出端滤波电容选取时注意参照手册要求的最小电容、电容的ESR/ESL等要求确保电路稳定。推荐采用多个等值电容并联的方式,增加可靠性以及提高性能

    LDO 输出电容为负载的变化提供瞬态电流,同时因为输出电容处于电压反馈调节回路之中,在部分 LDO 中,对该电容容量有要求以确保调节环路稳定。该电容容量不满足要求,LDO 可能发生振荡导致输出电压存在较大纹波。

    多个电容并联,以及对大容量电解电容并联小容量的陶瓷电容,有利于减少 ESR 和 ESL,提高电路的高频性能,但是对于某些线性稳压电源,输出端电容的 ESR 太低,也可能会诱发环路稳定裕量下降甚至环路不稳定。 在设计中应该仔细依照手册的要求进行设计,保证电源稳定。

    在某试验板中,采用 MIC39300-2.5BU 型LDO,输出电容为 20uF,不满足手册规定的 47uF保证环路稳定的最小值要求,导致 2.5V 电源发生振荡,存在较大纹波,如下图所示。 该试验板产生了高速 SERDES 芯片在光纤较短时自环正常,光纤较长时无法锁定数据的异常。增加输出电容后问题解决。

    4、电源滤波可采用RC、LC、π型滤波。电源滤波建议优选磁珠,然后才是电感。同时电阻、电感和磁珠必须考虑其电阻产生的压降

    对电源要求较高的场合以及需要将噪声隔离在局部区域的场合,可以采用无源滤波电路。在采用无源滤波电路时,推荐采用磁珠进行滤波。

    磁珠和电感的主要区别是,电感的 Q 值较高,而磁珠在高频情况下呈阻性,不易发生谐振等现象。电感加工精度较高,而磁珠加工精度相对较低,成本也较便宜。在选择滤波器件时,优选磁珠。选择电阻和电容构成无谐振的一阶 RC 低通滤波器,但是该电路只能应用于电流很小的情况。负载电流将在电阻上形成压降,导致负载电压跌落。

    无论是采用何种滤波器,都需要考虑负载电流在电感、磁珠或者电阻上的压降,确认滤波后的电压能够满足后级电路工作的要求。

    5、大容量电容应并联小容量陶瓷贴片电容使用

    大容量电容一般为电解电容,其体积较大,引脚较长,经常为卷绕式结构(钽电容为烧结的碳粉和二氧化锰)。这些电容的等效串联电感较大,导致这些电容的高频特性较差,谐振频率大约在几百 KHz到几 MHz 之间(参见 Sanyo 公司 OSCON 器件手册和 AVX 公司钽电容器件手册)。小容量的陶瓷贴片电容具有低的 ESL 和良好的频率特性,其谐振点一般能够到达数十至数百 MHz(参见参考文献《High-speed Digital Design》以及 AVX 等公司陶瓷电容器件手册),可以用于给高频信号提供低阻抗的

    回流路径,滤除信号上的高频干扰成分。 因此,在应用大容量电容(电解电容)时,应在电容上并联小容量瓷片电容使用。

    6、升压电源(BOOST)使用必须增加一个保险管以防止负载短路时,电源直通而导致整个单板工作掉电。保险的大小由模块的最大输出电流或者负载最大电流而定

    升压电源(Boost)的基本拓扑如下图所示:

    当 Q1 导通时两端电阻很小,电源电压加在 L两端,电能转化为磁场存储在 L 中,此时 D1 截止,避免 C0 上的电压向 Q1 流动。当 Q1 关断时, L 中的电流不能突变,电源和 L 一起通过 D1 向 C0 充电并向负载供电,得到一个高于输入电压的输出电压。

    由图中拓扑可以看出,我们不能通过控制 Q1 的通断来切断输入和输出之间的通路或者控制输出电流。当输出电源短路时,输入电源(一般是单板主电源)通过 L 和 D1 直接短路到地。导致的结果将是L 或者 D1 烧毁且失效模式为开路。在 L 或者 D1 烧毁之前,单板电源处于短路状态,如果 L 和 D1 电流降额较大,可能导致单板电源保护而不能上电。

    为了避免上述问题,建议为升压电源添加一个保险管防止负载短路,保险的大小依照模块的最大输出电流或者负载的最大电流而定。

    7、电源要有防反接处理,输入电流超过3A,输入电源反接只允许损坏保险丝;低于或等于3A,输入电源反接不允许损坏任何器件

    电源要有防反接处理,输入电流超过 3A,输入电源反接只允许损坏保险丝;低于或等于 3A,输入电源反接不允许损坏任何器件。

    回路电流较大时,直流电源反接处理可以按照以下方法处理。原理图如下所示:

    直流电源正常接入时,光耦D1由于输入二极管反偏置,所以输出C-E不能导通,这时并联的NMOS管将由于 G-S 电压的稳压至 12V,使 D-S 导通。这样电源回路将能顺利形成。电容 C1 是起到缓启动 作用的,这样可以起到防浪涌的目地。电阻 R6、二极管 VD3 构成电容 C1 的放电回路。当电源反接的时候,由于光耦输入二极管正偏置,输出 C-E 导通,使并联的 NMOS 管截止。这样回路就切断了,起到了防反接保护的作用。由于并联 NMOS 管的 RDS比较小,损耗小,比较适合于低压大电流的场合。

    8、禁用磁饱和电路;禁止选用采用磁饱和电路的电源模块

    禁用磁饱和电路,因为:

    • 磁饱和电路因为所用磁环的原因对温度比较敏感,易在高温工作时不稳定。
    • 动态负载能力差,在磁饱和路负载最小时工作最恶劣,易形成输出不稳定。

    9、对于多工作电源的器件,必须满足其电源上掉电顺序要求

    对于有核电压、IO 电压等多种电源的器件,必须满足其上电和掉电顺序的要求。这些条件不满足,很有可能导致器件不能够正常工作,甚至触发闩锁导致器件烧毁。例如 TMS320C6414T 型 DSP,2005年 5 月之后的 Errata 中说明,当 DVDD 较 CVDD 早上电时,可能出现 PCI/HPI 数据错的问题。对于QDR、DDR 内存,其上电顺序也有要求,否则可能导致闩锁,造成器件烧毁的后果。

    当有多个电源时,如必要可采用专用的上电顺序控制器件确保上电顺序。设计中应保证在器件未加载烧结文件时,电源处于关断状态。也可以通过在不同的电源之间连接肖特基二极管确保上电掉电过程中不会违反上掉电顺序要求。

    因为电源模块、电源上的电容都会对电源上电顺序产生影响,可能出现上电过程中违反电压要求的情况,如上右图所示,所以必须进行测试验证。

    10、多个芯片配合工作,必须在最慢上电器件初始化完成后开始操作

    当多个芯片配合工作时,必须在最慢的期间完成初始化后才能开始操作,否则可能造成不可预料的结果。

    11、电源模快/芯片感应端在布局时应采用开尔文方式

    很多电源模块和电源芯片在设计时,采用了独立的 Sense 管脚,作为对输出电压的反馈输入。这个Sense 信号应该从取用电源的位置引给电源模块,而不应该在电源模块输出端直接引给电源模块,这样可以通过电源模块内部的反馈补偿掉从电源模块输出传输到实际使用电源处路径带来的衰减。如下图中白色走线所示。

    对于电源监控电路等,也应该遵守相同的原理,即从实际需要监控点将电源引给监控电路,而不是从监控电路最近处引给监控电路,以确保精确性。

    12、在存在分板工艺,以及需要过波峰焊的单板上,48V 电源滤波尽量避免使用贴片陶瓷电容

    电源滤波电容存在于单板电源入口处,安装和波峰焊过程中易受到应力从而产生微裂纹。在使用中可能产生短路等失效。

    2.7、其他应用经验

    其他应用经验规范如下表所示:

    详细说明如下所示: 

    1、使用CY2302时钟驱动器,应注意如果对输入输出时钟的相位要求一 致,那么必须选择OUT2反馈、OUT1输出

    系统中常用 CY2302 进行倍频。如果对输入输出时钟的相位要求一致,那么必须选择 OUT2 反馈、 OUT1 输出。如果选中 OUT1 反馈,OUT2 输出,则相位有可能对齐,也可能不对齐,随机出现。

    因为 OUT2 是 OUT1 的 1/2 分频时钟,两者同相位,选择 OUT2 反馈时,OUT2 与输入时钟同相位, 自然 OUT1 就与输入时钟同相位;如果选择 OUT1 反馈,则自能保证 OUT1 与输入同相,OUT2 与输入 时钟可能同相也可能不同相。

    2、ADM706R在使用中应该将PFI直接接电源,避免器件上电时进入测试模式

    CCM/CDSU 单板在插入机框时有时无法正常启动,其比率达到 18%左右。测量复位芯片 ADM706R 的复位信号输出,发现单板插入机框时 ADM706R 输出恒定为低电平或恒定为高电平,从而使单板不能正常启动。分析结论是:ADM706R 上电时进入了测试模式。其解决措施是如果不使用 Power Fail 功能,将 PFI 上拉。

    3、MPC860的TRST*设计时接/PRESET,避免器件上电时进入测试模式

    CCM 单板调试过程中发现当使用热拔插电路上电时,MPC860 多数情况不能正常启动(有的单板不能启动的几率高达 80%以上)。分析结论是:由于 TRST*接到了/HRESET,所以当电源上电缓慢时, MPC860 进入了 JTAG 模式,不能正常启动。将单板上的 TRST*改为接/PRESET,单板上电使用热拔插 电路,开关电 100 次,MPC860 都能正常启动。

    4、在使用MPC860的设计中,如果只对MPC860硬件复位配置字用到的部分数据线通过硬件复位配置字驱动器进行驱动,其他数据线默认为MPC860内部下拉,那么MPC860的数据总线不能使用带总线保持功能的驱动器

    5、面板灯和指示灯

    在面板灯设计中,我们规定必须经过驱动器驱动点灯。原因有两个:避免点灯器件(如 CPU 和 FPGA) 驱动能力不足;避免静电干扰直接冲击点灯器件造成单板工作异常。同样是为了防止静电干扰重要信号, 规定面板灯信号不与重要信号公用驱动器。设计中可以将面板灯、面板状态信号合用一个驱动器。

    6、MOSFET 的应用

    MOSFET 在应用时,推荐在栅极串联一个 10 欧姆左右的电阻。在双管并联使用时,应该对每个MOSFET 分别串联电阻,避免在开关过程中造成振荡,在 MOSFET 上耗散过多的功率导致器件烧毁。

    7、继电器线圈、风扇电机绕组等感性负载必须有续流二极管

    继电器线圈、风扇绕组为感性负载。电流不能突变。当控制开关断开时会强行续流,产生的感应电压有可能导致开关元件击穿损坏,故继电器线圈必须添加续流二极管。

    8、继电器线圈工作电压不允许降额使用,继电器在应用中应注意是线圈是否有极性要求,避免退磁

    继电器额定电压下才能保证可靠吸合,故继电器线圈工作电压不允许降额使用。

    现在的小型密封继电器有一些是极化继电器,其线圈有极性要求,连接反了会导致退磁,必须严格按照说明书设计。

    继电器的触点应降额使用。当驱动感性负载的时候,也需要添加续流保护电路避免触点烧蚀。

    9、三态/OC/OD时分数据/状态总线释放时应注意释放速度的问题

    有时系统设计中会采用时分复用的方式让多个单板或器件共享一根/一组信号线。当一个设备需要占用总线时,向总线驱动有效电平,当不需要占用总线时,关闭输出以释放总线。这时总线总是在下拉电阻的作用下恢复默认无效电平。

    当驱动器占用总线时,因为驱动能力一般会比较强,总线会快速跳变到有效电平。但是当驱动器释放总线时,要通过上下拉电阻对整个走线、所有负载的电容进行充放电,上升过程相对比较缓慢。如果需要一个快速的上升沿,那么可以控制驱动器的输入端,每次释放总线为无效之前,先让驱动器将总线驱动为无效电平一小段时间,然后再释放总线。

     

    3、可靠性设计

    可靠性设计规范如下表所示:

    详细说明如下所示: 

    1、工业级及商业级器件在实际使用中,结温降额应采用同样的降额标准,以确保实际使用中具有较高的可靠性水平

    根据供应商提供的信息,一般工业级器件和商业级器件生产工艺基本相同,区别只是在于工业及器件通过额外的测试,能够在扩展温度范围内使用。所以在应用工业级器件时,节温降额应采取同样的标准,以确保实际应用中有较高的可靠性水平。

    2、对于一些敏感电路,设计中应进行容限分析,以确认器件选型满足电路容限要求

    器件本身的参数都是标称值,实际值实际上是在标称值附近一定容限范围内的一个数值,而且,随着温度、电应力、老化、潮湿、振动等的影响,参数还会发生变化。

    3、散热器的接地

    对于单板内部的散热器,接保护地、静电泻放地都有将浪涌等信号引入单板内部的危险。所以应就近接工作地。接地的方式还需要讨论。采用 1M 欧姆电阻接地,可以缓慢泻放积累的静电电荷,但是高频情况下可能 EMI 会超标。采用 0.1u 或者更小的陶瓷电容接地可以提供高频回流路径,EMI 改进,但是静电没有直流泻放通路。所以我们也在考虑采用并联的 RC 进行接地抑或是直接连接工作地。进一步的规范在部门有定论之后给出。

     

    4、信号完整性/电源完整性设计

    信号完整性/电源完整性设计规范如下表所示:

    详细说明如下所示: 

    1、选择更加不易引起信号完整性的接口方式和器件

    在满足速度要求的前提下,应该选择更加不易引起信号完整性问题的接口方式和器件。电压摆幅较低的器件相对于电压摆幅较高的器件,较少引发 EMI 的问题。差分信号较之单端信号,较少引发 EMI的问题。另外,低速器件(边沿摆率低的器件)比起高速器件(边沿摆率高的器件)较少引发信号完整性和 EMI 问题。点到点的传送比起总线、分叉等复杂的拓扑,较少引发信号完整性问题。

    例如单端信号 SSTL/HSTL 信号比起 TTL 和 CMOS 信号,摆幅较低,应用于 DDR 和 QDR RAM 等高速接口场合。LVDS、PECL 等差分接口方式在高速度情况下比起 TTL 更加有优势。相对于 BLVDS而言,限制摆率的 MLVDS 速率较低,但是信号完整性的问题相对好一些,被 ATCA 架构采用。

    2、采用16244驱动器驱动变化信号,建议在驱动器输出添加33.2欧姆电阻或者33欧姆排阻

    我们系统中经常采用的 16244 已经属于高速器件,其输出端应该进行端接。简单的方法就是添加33 欧姆左右串阻。例如某单板通过 16244 缓冲后的数据,未端接即连接到 FPGA 上,接收信号呈现很大的过冲和振铃,上冲、下冲峰值分别达到了 5.62V 和-1.66V(下左图)。添加 33 欧姆串阻之后,上冲和下冲下降到 3.906V 和-0.934V,明显下降并且低于 FPGA 的电压容限。同时无明显振铃。

    如果认为信号振铃仍不可接受,可以通过增加源端电阻的方法抑制。

    3、有一些可编程逻辑器件可以设置输出的驱动强度、电流等参数,通过合理设置可以改善信号完整性

    一般我们系统中使用的 EPLD/FPGA 都有管脚摆率(Slew Rate)设置。Cyclone FPGA 还可以对驱动电流进行设置。如果系统时序裕量允许较低的摆率,推荐奖 Slew Rate 设置为 Slow,减少信号完整性和 EMI 问题。

    当信号较多,不易进行端接时,也可以采取对摆率和电流设置的方法改善信号完整性。例如某单板,采用 Cyclone 输出,当采用默认的快摆率,不设置电流约束时,信号质量较差,上冲、下冲分别达到5.34V 和-1.44V。设置约束为慢摆率,电流限制为 8mA 和 4mA,过冲和振铃明显减小。过冲分别为 4.08V,-1.06V 以及 3.78V,-0.34V,如下中、右图示。

    4、读写信号的驱动拓扑应尽量简化,必要应采用多个驱动器的方法,并进行信号完整性仿真

    总线读写信号一般都是单方向信号(存在 DMA 的系统例外),经常变化,对于某些器件,对其沿的单调性有要求,所以在拓扑设计时需要注意。

    一般设计时,我们常常采用一个驱动器驱动整个总线上所有器件的读写,导致网络复杂。有的时候某些接收端还会出现信号沿单调的情况,导致系统工作异常。(参考文献马峰超《3G 统一平台单板PSN4V WE#信号情况分析》)

    在设计中,如果时序裕量允许,可以采用多个驱动器驱动的方法,简化每一个网络的拓扑,易于端接以实现较好的信号完整性。

    5、电源上电解电容的数目应该满足电源完整性要求

    电源上的电解电容应能够提供电路工作瞬态需要的电流。从直观上看,当器件工作时,切换产生的高频瞬间电流由平面间杂散电容和和陶瓷去耦电容滤除。但是器件从待机到开始工作,或者不同工作情况之间的瞬态电流,需要由稳压电源和电解电容来提供。

    稳压电源响应时间相对慢一些,这时就需要电 解电容提供稳压电源未来得及响应时器件工作的瞬态电流,保证这段时间器件的工作电压满足要求。从频率域来看,我们期望在工作关心的整个频段上,电源具有小的内阻(期望阻抗),这样当负载电流变化时,不会导致电源上过大的噪声电压。小容量小 ESL 的陶瓷电容提供了数 MHz 到数百 MHz 频率范围的低阻抗,电源提供了低频直至数十 KHz 的低动态阻抗,在数十 KHz 至数 MHz 范围上,需要电解电容提供足够低的阻抗。

    电解电容选取的原则是,针对特定的电源器件,当负载突变时,电源输出端电压波动不超过器件正常工作范围。电解电容的计算请参照部门 PI 计算表选择,或者根据电源器件手册的负载特性部分选取。

    6、在需要对电源完整性进行测试的位置,放置电源完整性测试点

    原理图中应增加关键芯片(如大规模的处理器和 ASIC 等)的 I/O 电源和 Core 电源的 PI 测试点。用示波器对芯片的电源进行纹波测试时,使用 PI 测试点,配上自制的电源测试探头,可以避免地回路较大带来的测试误差。

    每个关键芯片的 I/O 电源加 2 个 PI 测试点,Core 电源加 1 个。PI 测试点不入料单,使用库 TP1X2_1,第 1 脚接 GND,第 2 脚接需要测试的电源网络。PI 测试点在 PCB 上放在被测芯片附近,I/O 电源测试点分别放在芯片的对边。

    7、时序设计  

    时序设计在本检查单中不列出,但要求关键路径必须有时序计算表。计算可以采用时序计算表或者工具计算(例如 SynaptCAD Timing Diagrammer Pro 和 Forte Timing Designer 等)。注意器件上 TCO 参数测试方法,当负载不同时,TCO 和手册上可能有差异,当时序裕量很小时,可能带来时序问题。

     

    5、系统相关设计

    系统相关设计规范如下表所示:

    详细说明如下所示: 

    1、热插拔系统的接口不应采用不支持插拔的标准

    我们的系统一般要求单板支持热拔插。在接口标准选取时,应该仔细了解该电平原理上是否支持热拔插,选取在热拔插系统中可行的标准。

    例如 I2C 总线使用了上拉电阻,当一块单板掉电时其电源为 0V,总线上通过该单板上的上拉电阻给该单板供电。因为 I2C 总线本身是通过上拉电阻来置高电平的,上拉本身就较弱,所以总线很容易被拉死。对这种情况,可以考虑在上拉电阻处添加一个肖特基二极管防止局部掉电拉死总线。

    对于具有保护二极管的器件,也需要注意,信号线可能会通过其保护二极管在单板断电或者拔插过程中给单板供电,造成信号线被拉死甚至器件损坏。

    2、背板输入的TTL/CMOS控制信号应该设置成高电平有效,一般情况处于低电平

    在 3G 第一版设计中,接口控制信号电平的定义并没有考虑必须高电平有效,而是根据 TTL 时代的惯例,低电平表示信号有效(TTL 器件当管脚悬空时认为是高电平)。在接收器上,一般采用上拉处理,确保当发送器断电呈现高阻态时,接收端收到的是固定的无效状态。

    实际使用中,出现了断电单板指示灯微亮的异常现象。经过检查分析,发现是因为信号线或者其他单板上的上拉电阻给单板供电造成的。当信号线很多时,通过上拉电阻点灯甚至给单板部分电路供电时很可能的。

    I2C 总线也是一个例子,当一块单板掉电时,其上拉电阻往往会起到下拉电阻的作用,导致整根总线被拉死,并可能导致断电单板部分电路有电。

    为了避免这种情况发生,要求一般信号线定义,以高电平为有效电平,采用下拉电阻确定当发送器断电或者不存在、高阻时,信号处于固定低电平。

    3、背板信号在上电之前处于三态

    背板信号在上电前应处于高阻态,避免总线冲突或者输出错误的状态。对于 TTL/CMOS 器件,这一点可以通过具有 PU3S 的驱动器,以及采用 OE 端的上下拉电阻确保在单板上电,OE 控制信号有效之前,驱动器处于高阻状态。

    4、单板运行时不需要进行调节的地方一律不用可调器件

    可调器件的可靠性和稳定性较低。例如电位器、可调电容等都可能由于震动导致设置值发生变化。 电位器还可能因为电刷接触不良导致故障。另外,对可调元器件进行调节增加了生产的复杂性,也增加了生产的成本。

    我们规定,在不需要调节的地方一律不用可调器件。因调试需要,在样板中采用可调器件调节,在最终版本中应采用固定元件替代。

    5、设计应保证所有测试使用的跳线帽、跳线针在最终产品中不需安装

     

    安装调线帽增加了成本和安装工序,因为需要人工安装,增加了出错机会。跳线帽在运输中可能脱落,受到污染可能接触不良,增加了系统的不稳定因素,所以设计应保证跳线帽只在调试中使用,最终产品不需要调线帽,不需要焊接跳线针。

    在电路设计中,应保证所有模式设置使用的调线帽只有在测试模式需要安装,正常工作模式默认调线帽不需要安装。所有为调试方便设置的调线,应该有 0 欧姆电阻并联,确保在最终产品中,可以通过0 欧电阻实现跳线的功能,不需要安装跳线帽。

    对于机架号设置等使用,可以采用跳线或者拨码开关方式。必要时须采用点胶等方式紧固,防止运输过程松脱、遗失带来故障。

    6、系统级信号完整性设计和系统级时序设计

    我们的移动通讯基站系统都很多单板构成,由背板互连线和电缆等实现单板间的的连接关系。在单板上,我们一般都会很注意的规划拓扑,注意 PCB 走线延迟的控制,确保各个芯片接口的建立保持时间。但是对于单板间接口和背板的信号完整性关注不够。

     

    6、可生产性设计

    可生产性设计规范如下表所示:

    详细说明如下所示: 

    1、光学定位点(MARK点)的放置(来源于参考文献《Q/ZX 04.104.2-2002 电路原理图设计规范一基于 CADENCE平台的设计要求》。)

    贴片机需要为了在 PCB 文件中能够输出光学定位点的坐标,应根据 BGA、TQFP 等封装器件个数,在原理图的末页放适量的 mark(光学定位点)符号。

    mark 符号个数的估算如下:

    mark 个数 = K + 2*(管脚中心距≤0.5 mm(20 mil)的 QFP 个数 + 中心距≤0.8 mm(31 mil)的BGA 个数器件)

    其中:

    • 单面贴装器件时,K 取 3;

    • 双面贴装器件时,K 取 6。

    2、尽量采用贴装器件,双面回流工艺。尽量不使用插装器件

    采用表面贴装器件生产,能够使得单板生产的自动化程度提高,提高生产效率。

    插装元件来料封装与PCB焊接孔尺寸一般都是不一致的,比如说常见的分立插件电阻、二极管,其来料都是编带,两引脚在同一水平线上,如果要插装在印制电路板上,必须对引脚进行弯脚成型(立式或卧式),所以就很直接的得出它的生产工艺流程:

    元件成型—>插件—>波峰焊—>检验或元件成型—>手工焊接—>检验

    而SMD料,因来料与PCB焊盘封装一致,直接贴装焊接即可,其生产工艺流程为:

    贴片—>回流焊—>检验或手工焊接—>检验

    从以上生产工艺流程可以看出,分立插装元件焊接要比贴片元件多-道成型工序,增加了生产工艺流程和单板生产周期(也就意味着增加了人力、物力、财力等成本) ;

    另外,因分立元件目前每个元器件厂家做的标准都不一样, 就算同一个代码下的物料可能有的厂家做的元器件引脚长或粗,有的引脚短或细,有的厂家封装体积大,有的封装体积小,给材料选型、生产工艺过程带来比较多的麻烦。

    如果采用少量插装元器件,单板这部分需要进行人工焊接。如果插装器件较多,人工焊接效率较低。当插装器件较多时,将采用波峰焊接工艺。波峰焊接工艺对单板B面元器件的封装、摆放都提出了要求,例如不能摆放排阻、四周出引脚、BGA封装、管脚间距小的器件,器件摆放方向必须一致等。

    3、除非信号完整性特殊要求,背板上- -般不应放置串阻等器件;背板尽量采用压接连接器,避免焊接连接器

    大量压接器件加工过程中容易使单板变形,对器件造成损伤。并且压接模具如果在加工过程中压到器件,可能会导致器件损坏。所以除非信号完整性等特殊要求,背板上不应放置串阻等器件。 背板厚度很厚,加工不便,所以背板上的插装、表面贴装连接器经常需要手工焊接,为了提高效率, 背板尽量采用压接连接器,避免焊接连接器。

    4、潮湿敏感器件

    潮湿敏感器件在生产中必须要注意,在保存、生产中注意遵循相应的规范。

    潮敏器件应该保存在干燥箱中或者密封袋内。开包后应在规定时间内焊接完成。如果拆包时间超过规定时间,在生产之前,应对潮敏器件进行干燥处理。否则在焊接过程中温度迅速上升,封装中吸收的水分迅速气化膨胀,就会导致器件内部裂纹、剥离等“爆米花”效应,导致器件损坏。

     5、有铅工艺和无铅工艺

    2003年2月13 日,欧盟发布了WEEE《关于报废电子电气设备指令》(2002/96/EC) 、RoHS 《关于在电子电气设备中限制使用某些有害物质指令》(2002/95/EC) 两项指令。在两项指令中,限制铅和一些有害化学物质的使用。

    至本文撰写时,我司目前已经开始无铅化生产的研究。对于高锡无铅焊料,存在低温相变、晶须生长等问题。这些问题因为专业不同,对于硬件开发人员影响并不是很大。而对于生产来说,Sn-Ag-Cu焊料的熔点为217度,较Sn~Pb焊料的183度高34度,对器件提出了更高的要求。所以,一般不能够使用无铅焊料焊接有铅元器件。

    实际上现在很多采用有铅、无铅器件,用有铅焊膏混合使用的情况和试验也在进行。对于无铅的BGA和CSP封装的器件,不得使用有铅焊料进行焊接。即如果采用无铅的BGA、CSP封装的器件,则必须采用相应的焊料,这是其他器件不能采用有铅工艺器件以保证生产中的可靠性。我们不推荐一起混 合使用有铅和无铅器件。

    7、可生产性设计

    7.1、JTAG

    JTAG设计规范如下表所示:

    详细说明如下所示: 

    1、多个同样的芯片,设计JTAG串行链路

    多个同样的芯片推荐设计JTAG串行链路。为了调试过程方便,可以通过0欧姆电阻跳线,使得JTAG 可以单独引出,也可以成链引出。

    7.2、测试点

    测试点设计规范如下表所示:

    详细说明如下所示: 

    1、地测试点

    板上应该分布地测试点,方便测试。现在我们的信号速率都较高,地测试点距离较远可能导致信号完整性测量的不准确,在测试时应该保证示波器探头能够就近接地。例如某单板的信号完整性测试,当采用示波器探头就近采用小飞线接地和采用普通接地线接地时,信号的过冲差异有数百毫伏。

    一般情况下我们单板提供的地测试点能够满足一般调试时示波器能够方便的接地,在信号完整性测 试时,还需要在离信号最近的地方(往往是电容上)飞出地线测试点,采用尽可能短的探头接地线连接。

    2、多针测试点,空余的管脚应接地处理

    在设计中,可能出现放置一个 8pin 测试点,只用了其中 6 个 PIN 的情况。这种情况下,应该将测试点多余的管脚接地。这样可以方便数字探头的就近接地,为测量提供方便。不要将空余的管脚悬空。

    3、向PCB提供不焊接插装器件清单

    如果提供了不安装的插装器件清单,将来 PCB 设计时就可以避免测试点打在插装器件的管腿上。 否则如果将插装器件的管腿作为一个测试点的话,如果生产时不安装此器件,有可能造成测试点丢失和漏测。

    4、测试点带来的信号完整性问题

    重要的信号线添加测试点能够方便调试,例如一组时序复杂的总线,每根信号线都有测试点就可以方便的采用逻辑分析仪进行分析。

    但是测试点本身也可能带来信号完整性问题,需要注意测试点不能使信号线引入长的分叉,避免影响信号的信号完整性。例如某单板在高温下 FPGA 下载失败,分析为加测试点导致信号线分岔,影响

    信号完整性问题所致。 对于速率很高的信号,例如高速串行链路,信号线上的测试点、过孔都会为传输线带来阻抗不连续 点,引起信号的反射,导致信号质量恶化。对于这样的电路,有可能有必要采用高频场分析工具对过孔、 表贴 ICT 测试点进行建模分析,确保电路工作正常。

    7.3、电路可测试性

    7.4、系统可测试性

     

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  • 中兴设计开发部电路设计规范,硬件工程师非常好的参考规范
  • 中兴电路设计规范,参见:https://handsome-man.blog.csdn.net/article/details/106117196
  • 中兴电路设计规范.rar

    2010-10-11 09:42:25
    中兴电路设计规范,是PCB设计方面的非常好的设计的规范的资料,希望对大家有用!!
  • 中兴通讯印制电路设计规范-工艺性要求.pdf 仅供参考
  • 华为、中兴、华硕印制电路板(PCB)设计规范文档合集,共4份。 华为印刷电路板PCB设计规范 华为EMC资料-94页 中兴内部资料--射频RF板PCB工艺设计规范 PCB工艺设计系列之华硕内部的PCB设计规范
  • 本标准规定了印制电路板(以下简称PCB)设计应遵守的基本工艺要求。
  • 深圳市中兴通讯股份有限公司企业标准:印制电路设计规范
  • 中兴通讯股份有限公司CDMA 事业部设计开发部《电路设计规范》(以下简称《规范》)为原理图设计规范文档。本文档规定和推荐了CDMA 设计开发部在原理图设计中需要注意的一些事项,目的是使设计规范化,并通过将经验...
  • 中兴通讯EMC设计规范

    2013-08-15 18:26:23
    中兴通讯 PCB的EMC设计规范,各位做硬件的,或者是做PCB Layout的童鞋赶紧下载收藏吧
  • 电路设计规范_中兴.pdf !!!!!!!!!!!!!!!!!
  • 中兴PCB设计规范

    2018-12-07 19:49:25
    中兴PCB设计规范,内部资料,有很好的指导意义,详细的讲解了很多细节,设计方法,并有案例分析
  • 印制电路设计规范(中兴通讯)工艺性要求, DFM的意思是面向制造的设计,Design for manufacture,即从提高零件的可制造性入手,使得零件和各种工艺容易制造,制造成本低,效率高,并且成本比例低。
  • 中兴等三家公司早年的电路设计规范,虽然年代稍久远,但对电路设计的新手来说仍有很大的学习意义,我曾经也是一名小白,一步一步地前进着,现在也设计好了两三个电路,我觉得这个东西还是有用的,特别是规范性美观性...
  • 电路设计规范

    2012-06-21 08:54:20
    电路设计规范 中兴 可以学习中兴电子在制作PCB时一些要注意到的,或容易被忽略的地方。
  • 中兴印制电路设计规范-工艺性要求的技术文档
  • 深圳市中兴通讯股份有限公司企业标准 本标准规定了印制电路板(以下简称PCB)设计检查的基本项目
  • 原理图制图规范、电路设计规范、逻辑器件应用规范、时钟设计规范、保护器件应用规范、。。。。。。很完善。
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  • 中兴技术文档 中兴通讯印制电路板(PCB)设计规范
  • 硬件电路设计规范

    2013-04-21 09:56:18
    中兴的硬件电路的原理设计,PCB规范。是硬件设计的经验总结,很实用啊!
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中兴电路设计规范