Wie man mit dem FPGA-PCB-Layout für Ihr eingebettetes System beginnt

FPGAs kommen in Quad- oder BGA-Gehäusen, die schwer zu planen sein können, besonders wegen der hohen Anzahl an I/Os, die oft in diesen Komponenten implementiert sind. FPGAs bieten viele Vorteile in Bezug auf ihre Rekonfigurierbarkeit, aber sie können viel Aufwand erfordern, um sie ohne Kopfschmerzen zu layouten und zu verdrahten. Wenn Sie noch nie mit einem FPGA in Ihrem PCB-Layout gearbeitet haben, haben wir einige Richtlinien, die Ihnen den Einstieg erleichtern können.

Ein FPGA-PCB-Layout zu erstellen, ist hauptsächlich schwierig, weil es eine erhebliche Planung erfordert, die mit dem gesamten Systemdesign übereinstimmen muss. Das FPGA-Systemdesign kann vorgeben, wo einige Komponenten im PCB-Layout platziert und verdrahtet werden müssen und umgekehrt. Wenn Sie Ihr Systemlayout bereits geplant haben, dann werden Sie wahrscheinlich eine einfachere Zeit haben, Ihre Anwendung zu bauen und erfolgreich auf einem FPGA zu implementieren. Um zu beginnen, werden wir uns anschauen, wie man über den Stackup und die Verdrahtungskanäle in Ihrem FPGA nachdenkt, da diese Punkte viele Entscheidungen im PCB-Layout beeinflussen werden.

Stackups und Verdrahtung in einem FPGA-PCB-Layout

Um mit einem FPGA zu beginnen, ist es wichtig zu beachten, dass heutige fortschrittliche FPGAs mit mittlerer bis hoher I/O-Anzahl in BGA-Gehäusen erhältlich sind. FPGAs in QFPs sind ebenfalls verfügbar, aber die fortschrittlichsten Komponenten werden in BGA-Gehäusen angeboten. Der Grund dafür ist einfach: In einem BGA-Gehäuse können viel mehr I/Os untergebracht werden, und die Größe der Komponente kann reduziert werden, wenn ein FPGA in einem BGA verpackt ist.

Um also zu beginnen, stellen Sie sicher, dass der Stackup für Ihr FPGA-PCB-Layout einige einfache Anforderungen erfüllt:

• Verschachteln Sie Leistungsschichten und Signallagen mit Masseebenen im PCB-Stackup
• Verwenden Sie die Standardmethode bei BGAs, um die erforderliche Anzahl von Signallagen für das Routing zu bestimmen (Signallagen = Anzahl der Reihen mit Signalen/4)
• Bei Hochgeschwindigkeits-I/Os stellen Sie sicher, dass Sie die äußere Lage dünn genug machen, um die Notwendigkeit für ein Neck-Down zu eliminieren
• Verwenden Sie Masseebenen und/oder nutzen Sie Ground-Fill, um das Hochgeschwindigkeits-Routing mit Impedanzkontrolle zu unterstützen

Die hier genannten Richtlinien gelten für jedes BGA, sind aber bei FPGAs besonders wichtig. Ein FPGA wird oft verwendet, weil es Zugang zu mehreren Hochgeschwindigkeitsschnittstellen bietet, die in einem langsameren Bauteil wie einem MCU/MPU nicht verfügbar sind. Selbst bei BGAs mit weniger als mm-Pitch müssen Sie keine HDI-Designpraktiken implementieren, aber Sie sollten dennoch einen Stackup implementieren, der das Routing ermöglicht, das Sie benötigen, um Signalintegrität, Leistungsintegrität und EMC zu gewährleisten.

Beispiel-Stackup

Der unten dargestellte Stackup bietet mehrere Routing-Kanäle auf mehreren Ebenen. Wenn es mehr als zwei Reihen/Spalten von I/Os auf dem FPGA gibt, dann müssen Sie mehrere Signallagen diesen I/O-Gruppen widmen. Zusätzliche Lagen können hinzugefügt werden, um andere Signale zu unterstützen, die nicht dem FPGA gewidmet sind, oder um andere Schnittstellen zu unterstützen (analog, SPI usw.).

In diesem Stackup haben wir die besten verfügbaren Schritte unternommen, um Isolation in verschiedenen Kanälen zu bieten, genügend Raum und Lagen für das Routing von Strom bereitzustellen und viel Masse, um Rücklaufwege zu kontrollieren. Die Zwischenschaltung von Masseebenen zwischen Signal- und PWR-Lagen ist sehr wichtig, da sie die Kontrolle über den Rücklaufweg bietet, die benötigt wird, um die EMC-Anforderungen zu erfüllen. In diesem Stackup ist nur eine Stromlage aufgeführt, obwohl Strom auch auf Signallagen geroutet werden könnte, wie benötigt, um Verbindungen mit kleineren Schienen herzustellen. Systeme mit höherem Strom können mehrere Stromlagen parallel verwenden, falls nötig.

SOM Board-zu-Board-Steckverbinder Fanout

Das FPGA wird im Allgemeinen von den Rändern der Platine entfernt platziert, damit die Routing-Kanäle nach außen erweitert werden können. Es gibt jedoch eine alternative Methode zur Platzierung eines FPGAs. Anstatt das FPGA als Komponente zu platzieren, kann es auf einem System-on-Module (SOM) vom Teilehersteller oder von einem Drittanbieter verfügbar sein. Die Platzierung als SOM erfordert das Ausfächern von Board-zu-Board-Verbindern, die eine sehr hohe Pinanzahl haben können. Ein Beispiel wird unten gezeigt.

Abhängig vom Footprint des Board-zu-Board-Verbinders benötigen Sie möglicherweise eine bestimmte Ausfächerstrategie und Designregeln, die Sie bei einem FPGA verwenden könnten. Es ist üblich, mehrere Verbinder in einer quadratischen Anordnung um das SOM-Board oder an den Rändern zu sehen.

Planung für das Routing

Wie wir aus all den Diskussionen oben sehen können, dreht sich ein effektives PCB-Layout und Routing mit einem FPGA alles um den Umgang mit BGAs, sodass die gleichen Routing-Strategien, die bei anderen BGAs verwendet werden, auch bei FPGAs gelten. Es gibt einige einfache Strategien, die für das Routing von Signalen aus einem großen FPGA benötigt werden:

• Stellen Sie sicher, dass der BGA-Fußabdruck Ihres FPGA korrekt ist und den DFM-Anforderungen entspricht
• Wählen Sie das passende Fanout für Ihr BGA, damit Signale die Pins erreichen können
• Legen Sie auf jeder Schicht Kanäle an, in denen spezifische Schnittstellen verlegt werden
• Ordnen Sie Peripheriegeräte um die I/Os an, um ein Hin- und Herführen von Leitungen um die Platine zu vermeiden
• Nutzen Sie Ihre Designregeln, um die Impedanzkontrolle zu gewährleisten
• Stellen Sie Ihre Differentialpaar-Geometrie so ein, dass die Impedanz durch den Abstand Leiterbahn zu Masse dominiert wird, nicht durch den Abstand Leiterbahn zu Leiterbahn

Andere Platzierungsprobleme würden normalerweise die Platzierung von Kondensatoren an den Strompins um das FPGA zur Entkopplung beinhalten. Bei BGA-Paketen ist dies viel bequemer, da Sie diese Kondensatoren über Pins auf der Rückseite des FPGA platzieren können. Stellen Sie sicher, dass Sie Via-in-Pad in Ihrer Fertigungsdokumentation angeben, wenn Sie größere Gehäusekondensatoren verwenden. Wenn Sie mit einigen der schnellsten Signalstandards arbeiten, dann sollten Sie sich für kleinere Gehäusegrößen (unter 0402) entscheiden, um die schnellstmögliche Reaktion in Ihrem Entkopplungsnetzwerk zu gewährleisten.

Für sehr hochgeschwindigkeitssignale, bei denen eine präzise Längenanpassung über einen großen parallelen Bus (wie DDR4 oder höher) und zwischen mehreren differentiellen Paaren (wie bei PCIe) erforderlich ist, müssen Sie die Flugzeiten über den FPGA einbeziehen. Physisch große FPGAs könnten erfordern, dass Signale quer durch die Komponente reisen müssen, damit ein Signal einen Logikblock verlassen und einen I/O-Pin erreichen kann. Manchmal befinden sich diese auf gegenüberliegenden Seiten des FPGA, sodass eine große Ausbreitungsverzögerung zur Reisezeit des Signals hinzugefügt wird. Diese zusätzliche Flugzeit kann in den Pin-Package-Verzögerungs-Informationen für den FPGA enthalten sein. Wenn Ihr Signal durch eine Durchkontaktierung (Via) übergeht, vergessen Sie nicht, die Via-Verzögerung einzubeziehen (siehe vorherigen Link).

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