Como Rotear Memória DDR3 e o Espalhamento do Ventilador da CPU

Está se tornando cada vez mais inevitável que os projetistas de placas tenham que realizar designs de PCB de alta taxa de borda (alta velocidade) ao trabalhar com microcontroladores. Com o poder de CPUs como a família de dispositivos ARM multi-core Freescale iMX6, mas com um "custo por MIP" muito baixo, é cada vez mais desejável usar dispositivos como este para possibilitar softwares ricos e experiências de usuário em seu produto.

Mas usar esses super-micro controladores de memória adicionados traz consigo os desafios de alta velocidade, interfaces de memória densas com diretrizes de layout DDR3. Neste blog convidado, o usuário do Altium Designer Robert Feranec da Fedevel Academy nos mostra algumas dicas muito valiosas sobre o roteamento de memória DDR3, baseado em seu design de hardware de código aberto do iMX6 Rex, um kit de desenvolvimento de Computador de Placa Única compacto e poderoso. 

A memória DDR3 é tão pervasiva; é quase inevitável que os projetistas de placas impressas profissionais enfrentem uma placa que eles devem rotear usando-a. Este artigo oferece dicas para fazer o fan-out e roteamento de interfaces de memória DDR3 corretamente, mesmo em layouts de PCB de alta densidade e muito compactos.

Regras de Design de Memória DDR3 e Grupos de Sinais

Tudo começa com as regras recomendadas de design de PCB de alta velocidade para o roteamento de DDR3 em grupos. Durante o layout de memória DDR3, a interface é dividida em grupo de comando, grupo de controle, grupo de endereços, bem como bancos de dados 0/1/2/3/4/5/6/7, relógios e outros. É recomendado que todos os sinais que pertencem ao mesmo grupo sejam roteados "da mesma forma", ou seja, usando a mesma topologia e transições de camada.

Figura 1: Todos os sinais no Grupo DATA 6 são roteados "da mesma forma", usando a mesma topologia e transições de camada.

Como exemplo, considere a sequência de roteamento DDR mostrada em Figura 1. Todos os sinais do grupo DATA 6 vão da Camada 1 para a Camada 10, depois para a Camada 11 e, após isso, para a Camada 12. Cada sinal dentro do grupo faz as mesmas transições de camada e geralmente assume a mesma distância de roteamento e topologia.

Uma das vantagens de rotear os sinais DDR dessa maneira é que, durante o ajuste de comprimento (também conhecido como ajuste de atraso ou fase), o comprimento no eixo z nos vias pode ser ignorado. Isso ocorre porque todos os sinais roteados da mesma forma terão exatamente as mesmas transições de via e comprimentos através dos vias.

Criando Grupos de Memória DDR3

Altium Designer^® suporta uma maneira simples de criar os grupos de sinais necessários e monitorar a integridade do sinal. Este passo é realizado no esquemático do projeto. Primeiro, um cobertor é colocado em torno de cada conjunto de redes a partir do qual os grupos estão sendo criados. Em seguida, uma diretiva de classe de rede impressa na placa é anexada à borda do cobertor para aplicar uma classe de rede ao grupo. Um exemplo disso é mostrado na Figura 2.

 Figura 2: Cobertores e diretivas de PCB são usados para criar grupos de classe de rede para diretrizes de roteamento DDR3.

Atribuindo Cores a um Grupo de Memória DDR3

Após importarmos as novas classes de Net para nossa placa impressa (por meio da Ordem de Mudança de Engenharia (ECO) em Design » Atualizar Documento PCB...), é muito útil atribuir cores diferentes a cada grupo, para tornar o roteamento mais fácil de ser mentalmente seguido. Vá até o painel da placa impressa , clique com o botão direito no grupo (classe de net) ao qual você gostaria de atribuir uma cor, e escolha Alterar Cor da Net no menu popup, conforme mostrado na Figura 3.

 Figura 3: Atribuir cores diferentes a cada grupo pode tornar o roteamento mais fácil de ser mentalmente seguido.

Uma vez que você tenha escolhido uma cor, clique com o botão direito na classe de net ou net novamente e escolha Substituição de Exibição » Selecionado ON. Isso garante que a cor da net que você selecionou sobrepõe a cor da camada de qualquer camada que esteja sendo usada atualmente por objetos dessa net.

Se você não ativou a opção Substituição de Cor de Rede, as redes não terão a cor que você selecionou. Nesse caso, pressione a opção de alternância Visualizar » Substituição de Cor de Rede ou use a tecla F5 para habilitar essa configuração globalmente (para todas as redes). Agora você está pronto para realizar o fanout da interface DDR3 do CPU.

Você Planeja com Antecedência ao Trabalhar no Fanout de DDR3 do CPU? 

Escolher o estilo de via correto para um determinado grupo de memória e decidir como as camadas da PCB serão utilizadas pode facilitar muito o layout DDR3. Atribuir cores diferentes para cada grupo de memória ajuda a visualizar a interface.

Figura 4: Escolher um tamanho de via correto pode ajudar a economizar espaço para mais trilhas.

Uma microvia (μVia) ocupa menos espaço em comparação com uma Via de Passagem. Isso nos permite realizar o fanout de mais trilhas na mesma área. Microvias também economizam espaço nas outras camadas. O espaço livre pode ser utilizado para trilhas.

Por Que Usar Microvias para Sinais de Endereço, Comando e Controle?

O grupo de Endereço, Comando e Controle possui o maior número de sinais entre os grupos de memória. Se escolhêssemos Vias Passantes, utilizaríamos muito espaço em todas as camadas. Ao optar por microvias, precisamos apenas do espaço na Camada 3 e, como uma microvia é menor em diâmetro, também temos mais espaço para distribuir os sinais na Camada 3.

Figura 5: Duas ou três trilhas podem se encaixar entre microvias, no mesmo espaço necessário para uma trilha entre Vias Passantes.

Por Que Usar Vias Passantes para os “Grupos Mais Próximos” ao Grupo de Endereço, Comando e Controle?

Alguns sinais do grupo de Endereço, Comando e Controle precisarão do espaço abaixo dos “grupos mais próximos”.

Figura 6: Algumas das trilhas de Endereço, Comando e Controle têm que ser roteadas sob os pads dos “grupos mais próximos”.

Quando o grupo de sinais de Endereço, Comando ou Controle é roteado através de microvias na Camada 3, haverá espaço livre sob este grupo na Camada 10. Esse espaço pode ser utilizado para distribuir os “grupos mais próximos”.

Figura 7: O espaço livre deixado sob grupos roteados com microvias pode ser usado para expandir os "grupos mais próximos".

Por que os "Grupos Externos" Usam Microvias?

Pela imagem acima, fica claro que não haverá espaço sobrando na Camada 10 para expandir os "grupos externos". Portanto, colocar os "grupos externos" na camada 3 e usar microvias é o resultado do planejamento de expansão.

Nota: A mesma técnica de planejamento de expansão de Camada / via / microvia pode ser aplicada em outras interfaces também (por exemplo, PCI, ISA, ...). Dessa forma, até designs realmente compactos e muito densos podem ser roteados.

Conclusão

Com um pouco de cuidado e planejamento prévio, rotear e ajustar o comprimento das expansões DDR3 pode ser um processo livre de estresse, mesmo nos designs mais compactos e densamente empacotados diretrizes de design. O iMX6 Rex é um excelente exemplo desse cuidado e planejamento, projetado em parte como uma ferramenta para mostrar como é feito. Seguindo o plano e os passos de Robert, qualquer design DDR3 pode ser completado em muito menos tempo e com muito maior probabilidade de acertar na primeira tentativa. 

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