基于萬兆交換機(jī)的信號完整性設(shè)計研究

劉澤等

一、概述

浪潮為滿足工業(yè)級應(yīng)用開發(fā)了多款自主研發(fā)的工業(yè)計算機(jī)及服務(wù)器產(chǎn)品。最新推出的某型多單元服務(wù)器系統(tǒng)，采用了最新的ATCA架構(gòu)，為滿足系統(tǒng)內(nèi)各計算單元的高速互聯(lián)需求，自主研發(fā)了一款萬兆交換機(jī)。

二、萬兆交換機(jī)方案介紹

萬兆交換機(jī)主板采用Broadcom的萬兆交換芯片，同時提供千兆網(wǎng)端口和萬兆網(wǎng)端口，可以通過管理單元實(shí)現(xiàn)對交換單元的配置，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器系統(tǒng)中計算單元數(shù)據(jù)的交互和計算單元與存儲單元數(shù)據(jù)的交互。

三、萬兆交換機(jī)高速PCB設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)分析

1.信號完整性設(shè)計

萬兆交換機(jī)主板上的信號最高速率為10Gbps，信號的上升沿大概是35ps左右，信號的走線不能按照幾百M(fèi)或幾Gbps的信號那樣進(jìn)行簡單處理，需要綜合考慮疊層、信號阻抗、信號串?dāng)_、信號Skew控制、過孔Stub、PCB板材、信號阻抗匹配等等各方面因素的影響。

1.1主板疊層設(shè)計。疊層設(shè)計的好壞影響到主板的性能、穩(wěn)定性以及加工成本，必須同時滿足加工要求、信號完整性和EMI的要求。綜合考慮以上因素，本主板采用了16層PCB設(shè)計：萬兆信號走在L3、L5和L12、L14層，以L2、L4、L13、L15的地層為參考平面，這幾層都是完整沒有分割的地層，用來提供高速信號的回流平面。該疊層設(shè)計保證了萬兆信號的阻抗連續(xù)性和良好的EMI性能。

1.2萬兆高速信號走線設(shè)計。萬兆（10Gb）信號的走線系統(tǒng)是典型的傳輸線系統(tǒng)，需要用信號完整性的理論（包括傳輸線理論中阻抗、損耗、反射、串?dāng)_、地彈等）來指導(dǎo)主板的布線設(shè)計。本主板的萬兆布線采用圓弧布線方式以減少信號傳輸過程中的損耗；差分線對之間的間距加大到20mil以上以減少信號之間的串?dāng)_；差分線布線過程中嚴(yán)格等長，最大程度的減少了信號Skew；通過采用1.1的疊層設(shè)計，為高速信號提供了完整的地平面作為回流平面，減少了高速信號反射和地彈的影響；阻抗連續(xù)性方面，在信號經(jīng)過SMT焊盤時，把焊盤下的銅平面挖掉來增大該處的阻抗，達(dá)到與走線的阻抗相匹配。

1.3高速信號過孔設(shè)計。信號的過孔（VIA）用來連接不同層的信號線。當(dāng)連接的信號是高速信號時，過孔會產(chǎn)生相當(dāng)大的寄生電感和寄生電容。本主板上萬兆信號的過孔通過增加抵抗襯墊（Anti-pad）來降低寄生電感和寄生電容的影響；在高速信號換層時，增加GND return via以保證信號線過孔換層走線時，其回流路徑能夠連續(xù)；另外，在主板加工時，使用了背面鉆孔（back drill）工藝，把過孔上不做信號傳輸?shù)牟椒ィ╒ia Stub）鉆掉以降低信號反射，從而進(jìn)一步保證了高速信號的阻抗連續(xù)性。

1.4PCB板材的選用。板材對PCB設(shè)計和加工影響最大的因素主要是介電常數(shù)和損耗因子。對于多層板設(shè)計，板材選取還需考慮加工沖孔、層壓的性能。1）一般的PCB設(shè)計，可以選用FR4。FR4的優(yōu)點(diǎn)是成本低、多層壓制板工藝成熟，缺點(diǎn)是不同廠家以及不同批次生產(chǎn)的FR4板材摻雜不同，介電常數(shù)不同（4.2-5.4）且不穩(wěn)定。2）工作在幾個Gbps的信號，可以選用改性環(huán)氧樹脂材料，其介電常數(shù)在幾Gbps時比較穩(wěn)定、成本較低、多層壓制板工藝與FR4相同。3）由于本主板中相當(dāng)一部分信號速率工作在10Gps，因此選用了高頻板材，高頻板材的介電常數(shù)相當(dāng)穩(wěn)定、損耗因子較低、耐熱特性好、加工工藝與FR4相當(dāng)，兼顧了信號完整性與成本的要求。

2.高速信號電源完整性設(shè)計

在萬兆交換機(jī)主板設(shè)計時，除了考慮降低反射、串?dāng)_等信號完整性問題外，穩(wěn)定可靠的電源也是重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。高速時鐘和數(shù)據(jù)信號在狀態(tài)變化時，會在電源平面/地平面上產(chǎn)生噪聲電流和噪聲電壓，造成供電不連續(xù)，同時產(chǎn)生電磁干擾發(fā)射（EMI），影響主板的正常工作。

2.1電源分配系統(tǒng)的設(shè)計。主板的電源分配系統(tǒng)在布局布線之前就已經(jīng)做了充分的規(guī)劃，給系統(tǒng)主電源、CPU電源、各個主芯片和接口的電源預(yù)留了足夠的銅皮寬度，保證了供電電流有足夠的余量。同時，為了降低電源系統(tǒng)的紋波，采用了以下的措施來降低電源分配系統(tǒng)的阻抗：1）每個芯片的入口使用較厚、較寬的電源銅皮，同時避免在某個位置集中打過孔（Via）以保證電源和地平面的完整。2）各個電源分配系統(tǒng)遠(yuǎn)離晶振等干擾元器件，保證為主芯片提供無干擾的回流通路。3）在疊層設(shè)計時，就考慮電源層和地層的間距盡量小，保證了最低的電源阻抗，并有效抑制了高頻噪聲。4）配置了足夠的、均勻分布的去耦電容，有效降低了電源噪聲。

2.2電容的應(yīng)用。在主板的布局布線過程中，充分考慮了旁路和濾波等電容的放置，以更好的濾除電源上的高頻干擾，使每個電源的輸出電流更加平滑。1）盡量減小電容的引線或者引腳的長度，并使電容和PIN管腳的連線盡量寬，必要的時候使用了銅皮連接。2）電容盡量靠近元器件PIN放置，并盡量使用表貼型（SMT）電容。3）電容之間不共用過孔，使用了多個過孔連接電容和地。4）電容的過孔盡量靠近焊盤放置。

四、結(jié)束語

隨著半導(dǎo)體工業(yè)和計算機(jī)工業(yè)的飛速發(fā)展，PCB設(shè)計也會面臨更多的挑戰(zhàn)，需要綜合運(yùn)用信號完整性分析的方法來指導(dǎo)高速PCB設(shè)計。同時，這種基于信號完整性分析的高速信號PCB設(shè)計也需要不斷的完善和提高，從而帶動高速PCB設(shè)計方法的提升，而高速PCB設(shè)計方法的提升同時也會促進(jìn)PCB產(chǎn)業(yè)乃至整個電子行業(yè)的持續(xù)進(jìn)步與發(fā)展。

（作者單位：山東超越數(shù)控電子有限公司）