Как начать разработку печатной платы FPGA для вашей встраиваемой системы

FPGA поставляются в корпусах типа quad или BGA, которые могут быть сложными для планирования расположения, особенно учитывая большое количество вводов/выводов, часто реализуемых в этих компонентах. FPGA предлагают множество преимуществ с точки зрения их переконфигурируемости, но они могут требовать значительных усилий для размещения и трассировки без головной боли. Если вы никогда не работали с FPGA в вашей разводке печатной платы, у нас есть несколько рекомендаций, которые могут помочь вам начать.

Создание разводки печатной платы для FPGA в основном сложно из-за необходимости значительного планирования расположения, которое должно соответствовать общему дизайну системы. Дизайн системы FPGA может диктовать, где некоторые компоненты должны быть размещены и проложены в разводке печатной платы, и наоборот. Если вы уже спланировали расположение вашей системы, то, скорее всего, у вас будет проще построить ваше приложение и успешно реализовать его на FPGA. Для начала мы рассмотрим, как подходить к стеку и каналам трассировки в вашем FPGA, поскольку эти моменты будут определять множество решений в разводке печатной платы.

Стеки и трассировка в разводке печатной платы для FPGA

Чтобы начать работу с FPGA, важно отметить, что современные продвинутые FPGA с умеренным или высоким количеством входов/выходов поставляются в корпусах BGA. FPGA в корпусах QFP также доступны, но наиболее продвинутые компоненты будут в корпусах BGA. Причина этого проста: в корпусе BGA можно разместить гораздо больше входов/выходов, и можно уменьшить размер компонента, если FPGA упакован в BGA.

Так что, чтобы начать, убедитесь, что стек слоев вашей платы FPGA соответствует нескольким простым требованиям:

• Чередуйте слои питания и сигнальные слои с заземляющими слоями в стеке печатной платы
• Используйте стандартный метод в BGA для определения необходимого количества сигнальных слоев для трассировки (Сигнальные слои = количество рядов с сигналами / 4)
• Для высокоскоростных входов/выходов убедитесь, что вы сделали внешний слой достаточно тонким, чтобы исключить необходимость в уменьшении ширины проводника
• Используйте заземляющие плоскости и/или заполнение заземлением для поддержки высокоскоростной трассировки с контролем импеданса

Указанные здесь рекомендации применимы к любым BGA, но они особенно важны в FPGA. FPGA часто используется, потому что он предоставляет доступ к множеству высокоскоростных интерфейсов, которые недоступны в более медленных компонентах, таких как MCU/MPU. Даже в BGA с шагом меньше миллиметра вам не требуется применять практики проектирования HDI, но вы все равно должны реализовать стек, который позволяет выполнять трассировку, необходимую для обеспечения целостности сигнала, целостности питания и ЭМС.

Пример стека

Показанная ниже структура предоставляет множество каналов маршрутизации на нескольких слоях. Если на FPGA есть более двух рядов/столбцов ввода/вывода, то вам придется выделить несколько слоев сигналов для этих групп ввода/вывода. Дополнительные слои могут быть добавлены для поддержки других сигналов, не относящихся к FPGA, или к другим интерфейсам (аналоговым, SPI и т.д.).

В этой структуре мы предприняли лучшие возможные шаги для обеспечения изоляции в различных каналах, предоставления достаточного пространства и слоев для маршрутизации питания, а также обильного заземления для контроля путей возврата. Чередование слоев заземления между сигнальными и слоями PWR очень важно, поскольку оно обеспечивает контроль путей возврата, необходимый для удовлетворения требований EMC. В этой структуре указан только один слой питания, хотя питание также может быть проложено на сигнальных слоях по мере необходимости для соединения с меньшими шинами. Системы с высоким током могут использовать несколько слоев питания параллельно, если это необходимо.

Распределение соединителей платы к плате SOM

FPGA обычно размещается вдали от краёв платы, чтобы каналы маршрутизации могли быть продлены наружу. Однако существует альтернативный метод размещения FPGA. Вместо того чтобы размещать FPGA как компонент, она может быть доступна на модуле системы на чипе (SOM) от производителя деталей или от сторонней компании. Размещение в виде SOM требует разветвления соединителей платы к плате, которые могут иметь очень высокое количество контактов. Пример показан ниже.

В зависимости от размера соединителя платы к плате, вам может потребоваться некоторая стратегия разветвления и правила проектирования, которые вы могли бы использовать на FPGA. Обычно можно увидеть несколько соединителей, сгруппированных в квадратной компоновке вокруг платы SOM или по краям.

Планирование маршрутизации

Как мы можем видеть из всего вышеизложенного, эффективная компоновка и маршрутизация печатной платы с FPGA сводится к работе с BGA, поэтому те же стратегии маршрутизации, которые используются в других BGA, будут применяться и в FPGA. Существуют некоторые простые стратегии, необходимые для маршрутизации сигналов из большого FPGA:

• Убедитесь, что у вашего FPGA правильный BGA-отпечаток и он соответствует требованиям DFM
• Выберите подходящий развод для вашего BGA, чтобы сигналы могли достигать контактов
• Выделите каналы на каждом слое, где будут прокладываться определенные интерфейсы
• Расположите периферийные устройства вокруг входов/выходов, чтобы избежать необходимости проводить трассировку туда-сюда по плате
• Используйте правила проектирования, чтобы обеспечить контроль импеданса
• Настройте геометрию вашей дифференциальной пары так, чтобы импеданс определялся расстоянием от трассы до земли, а не расстоянием между трассами

Другие задачи размещения обычно включают в себя размещение конденсаторов на питающих контактах вокруг FPGA для обеспечения развязки. С BGA-корпусами это гораздо удобнее, поскольку вы можете разместить эти конденсаторы между контактами на обратной стороне FPGA. Убедитесь, что вы указали через-пад в вашей производственной документации, если вы используете конденсаторы большего размера. Если вы работаете с одними из самых быстрых стандартов сигнализации, тогда вам следует выбрать конденсаторы меньшего размера (под-0402), чтобы обеспечить максимально быстрый отклик в вашей сети развязки.

Для очень высокоскоростных сигналов, где требуется точное согласование длин по большому параллельному шине (например, DDR4 или выше) и между несколькими дифференциальными парами (как в PCIe), вам потребуется учитывать время полета сигналов через FPGA. Физически большие FPGA могут требовать, чтобы сигналы проходили через компонент, чтобы сигнал мог выйти из логического блока и достичь вывода ввода/вывода. Иногда они находятся на противоположных сторонах FPGA, поэтому во время передачи сигнала будет добавлено большое время распространения. Это дополнительное время полета может быть включено в информацию о задержке в пакете выводов для FPGA. Если ваш сигнал проходит через переходное отверстие (виа), не забудьте учесть задержку виа (см. предыдущую ссылку).

Когда вам нужно разместить FPGA на вашей печатной плате и проложить сигналы к другим компонентам, используйте лучший набор функций разводки печатных плат в Altium Designer®. Как только вы завершите разработку вашей печатной платы и будете готовы поделиться своими проектами с коллегами или производителем, вы можете поделиться своими готовыми проектами через платформу Altium 365™. Все, что вам нужно для проектирования и производства передовой электроники, можно найти в одном программном пакете.

Мы только начали раскрывать возможности использования Altium Designer на Altium 365. Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 уже сегодня.