Comment démarrer une mise en page PCB FPGA pour votre système embarqué

Les FPGA sont disponibles en boîtiers quad ou BGA qui peuvent être difficiles à planifier, surtout avec le grand nombre d'E/S souvent implémentées dans ces composants. Les FPGA offrent de nombreux avantages en termes de reconfigurabilité, mais ils peuvent nécessiter beaucoup d'efforts pour être disposés et connectés sans problèmes. Si vous n'avez jamais travaillé avec un FPGA dans votre agencement de PCB, nous avons quelques directives qui peuvent vous aider à démarrer.

Créer un agencement de PCB pour FPGA est principalement difficile car cela nécessite une planification importante qui doit correspondre à la conception globale du système. La conception du système FPGA peut dicter où certains composants doivent être placés et connectés dans l'agencement du PCB, et vice versa. Si vous avez déjà planifié l'agencement de votre système, alors vous aurez probablement plus de facilité à construire votre application et à la mettre en œuvre sur un FPGA avec succès. Pour commencer, nous examinerons comment penser à l'empilement et aux canaux de routage dans votre FPGA car ces points vont orienter beaucoup de choix dans l'agencement du PCB.

Empilements et Routage dans un Agencement de PCB pour FPGA

Pour commencer avec un FPGA, il est important de noter que les FPGA avancés d'aujourd'hui, avec un nombre d'E/S modéré à élevé, sont disponibles dans des boîtiers BGA. Les FPGA en QFP sont également disponibles, mais les composants les plus avancés seront proposés dans des boîtiers BGA. La raison en est simple : vous pouvez intégrer beaucoup plus d'E/S dans un boîtier BGA, et vous pouvez réduire la taille du composant si un FPGA est emballé dans un BGA.

Donc, pour commencer, assurez-vous que l'empilement conçu pour la mise en page de votre PCB FPGA respecte quelques exigences simples :

• Intercalez les couches d'alimentation et de signal avec des couches de masse dans l'empilement du PCB
• Utilisez la méthode standard dans les BGA pour déterminer le nombre requis de couches de signal pour le routage (Couches de signal = nombre de rangées avec signaux/4)
• Pour les E/S à haute vitesse, assurez-vous que la couche externe soit suffisamment mince pour éliminer le besoin de réduction de largeur
• Utilisez des plans de masse et/ou remplissez de masse pour soutenir le routage à haute vitesse avec contrôle de l'impédance

Les directives énoncées ici s'appliquent à tout BGA, mais elles sont particulièrement importantes dans les FPGA. Un FPGA est souvent utilisé car il permet d'accéder à de multiples interfaces à haute vitesse qui ne sont pas disponibles dans un composant plus lent comme un MCU/MPU. Même dans les BGA à pas sub-mm, vous n'êtes pas obligé d'implémenter des pratiques de conception HDI, mais vous devriez tout de même mettre en œuvre un empilement qui permet le type de routage dont vous avez besoin pour assurer l'intégrité du signal, l'intégrité de l'alimentation et la CEM.

Exemple d'empilement

L'empilement présenté ci-dessous offre plusieurs canaux de routage sur plusieurs couches. Si l'FPGA comporte plus de deux rangées/colonnes d'E/S, alors vous devrez dédier plusieurs couches de signaux à ces groupes d'E/S. Des couches supplémentaires peuvent être ajoutées pour supporter d'autres signaux non dédiés à l'FPGA, ou à d'autres interfaces (analogique, SPI, etc.).

Dans cet empilement, nous avons pris les meilleures mesures disponibles pour fournir une isolation dans différents canaux, offrir suffisamment d'espace et de couches pour le routage de l'alimentation, et beaucoup de masse pour contrôler les chemins de retour. L'intercalation de couches de masse entre les signaux et l'ALIM est très importante car elle fournit le contrôle du chemin de retour nécessaire pour garantir que les exigences CEM sont satisfaites. Dans cet empilement, il n'y a qu'une seule couche d'alimentation listée, bien que l'alimentation puisse également être routée sur les couches de signaux selon les besoins pour faire des connexions avec des rails plus petits. Les systèmes à courant plus élevé peuvent utiliser plusieurs couches d'alimentation en parallèle si nécessaire.

Éventail de connecteurs de carte à carte SOM

L'FPGA sera généralement placé loin des bords de la carte afin que les canaux de routage puissent être étendus vers l'extérieur. Cependant, il existe une méthode alternative pour placer un FPGA. Au lieu de placer l'FPGA comme un composant, il peut être disponible sur un module système-sur-module (SOM) fourni par le vendeur de la pièce ou par une entreprise tierce. Le placement en tant que SOM nécessite l'étalement des connecteurs de carte à carte qui peuvent avoir un nombre de broches très élevé. Un exemple est montré ci-dessous.

En fonction de l'empreinte du connecteur de carte à carte, vous pourriez avoir besoin d'une stratégie de fanout et de règles de conception que vous pourriez utiliser sur un FPGA. Il est courant de voir plusieurs connecteurs regroupés dans un arrangement carré autour de la carte SOM ou aux bords.

Planification du Routage

Comme nous pouvons le voir à partir de toute la discussion ci-dessus, la mise en page et le routage efficaces d'une carte PCB avec un FPGA concernent principalement le travail avec des BGA, donc les mêmes stratégies de routage utilisées dans d'autres BGA s'appliqueront dans les FPGA. Il existe quelques stratégies simples qui sont nécessaires pour router les signaux hors d'un grand FPGA :

• Assurez-vous que l'empreinte BGA de votre FPGA est correcte et conforme aux exigences DFM
• Sélectionnez le fanout approprié pour votre BGA afin que les signaux puissent atteindre les broches
• Créez des canaux sur chaque couche où des interfaces spécifiques seront routées
• Disposez les périphériques autour des E/S pour éviter un routage aller-retour autour de la carte
• Profitez de vos règles de conception pour assurer le contrôle de l'impédance
• Réglez la géométrie de votre paire différentielle de sorte que l'impédance soit dominée par l'espacement piste-à-terre, et non par l'espacement piste-à-piste

D'autres défis de placement impliqueraient normalement le placement de condensateurs sur les broches d'alimentation autour du FPGA pour fournir un découplage. Avec les boîtiers BGA, cela est beaucoup plus pratique car vous pouvez placer ces condensateurs à travers les broches sur le côté arrière du FPGA. Assurez-vous de spécifier via-in-pad dans votre documentation de fabrication si vous utilisez des condensateurs de plus grande taille. Si vous travaillez avec certains des standards de signalisation les plus rapides, alors vous devriez opter pour des tailles de boîtiers plus petites (sub-0402) pour assurer la réponse la plus rapide possible dans votre réseau de découplage.

Pour les signaux de très haute vitesse, où un appariement précis de la longueur est nécessaire à travers un bus parallèle important (comme DDR4 ou supérieur) et entre plusieurs paires différentielles (comme dans PCIe), vous devrez inclure les temps de vol à travers le FPGA. Les FPGA physiquement grands peuvent nécessiter que les signaux traversent le composant pour qu'un signal quitte un bloc logique et atteigne une broche d'entrée/sortie. Parfois, ceux-ci sont sur des côtés opposés du FPGA, il y aura donc un grand délai de propagation ajouté au temps de voyage du signal. Ce temps de vol supplémentaire peut être inclus dans les informations de retard de broche-boîtier pour le FPGA. Si votre signal passe par une via, n'oubliez pas d'inclure le délai de la via (voir le lien précédent).

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