MEMORY系列之“DDR设计规则”

硬件助手 2019-03-27

本文主要介绍DDR的原理图和PCB设计规则。


1、SCH设计原则

DDR原理图的设计目前比较成熟,由于其信号引脚固定,且有统一的规范(JESD79系列),而且像Micron、Samsung、SK Hynix、Toshiba等厂家都有各自的technical note,因此本文只罗列一些特殊的注意事项。


1.1、颗粒容量的可扩展性

根据JEDEC标准,不同容量的内存芯片一般引脚兼容,为了实现电路板的可扩展性,可以做如下处理,如128Mb与256Mb的兼容应用。



1.2、未用的DQ引脚处理

对于x16的DDR器件来说,未用的引脚要作一定的处理。例如x16的DDR来说,DQ[15:8]未用,则处理如下,将相关的UDM/DQMH拉高用来屏蔽DQ线,DQ[15:8]通过1~10k的电阻接地用来阻止迸发写时的噪声。


1.3、端接技术

DDR常用的端接技术有两种,分别如下:

串行端接,主要应用在负载DDR颗粒不大于4个的情况下。对于双向I/O信号来说,例如DQ,串行端接电阻Rs放置在走线的中间,用来抑制振铃,过冲和下冲。对于单向的信号来说,例如地址线,控制线,串行端接电阻放置在走线中间或者是信号的发送端,推荐放置在信号的发送端。



并行端接,主要应用在负载SDRAM器件大于4个,走线长度>2inch,或者通过仿真验证需要并行端接的情况下。并行端接电阻Rt取值大约为2Rs,Rs的取值范围是10~33ohm,故Rt的取值范围为22~66ohm。并行端接电压为VTT。



对于没有ODT功能的DDR,所有的数据线,地址,命令,控制线都需要使用single-ended Parallel Termination端接。


1.4、时钟信号

所有DDR的差分时钟线CK与CK#必须在同一层布线,误差+-20mil,最好在内层布线以抑制EMI。如果系统有多个DDR器件的话,要用阻值100~200ohm的电阻进行差分端接。

若时钟线的分叉点到DDR器件的走线长度<1000mil,要使用100~120ohm的差分端接(只用一个端接电阻),如下图:



若时钟线的分叉点到DDR器件的走线长度>1000mil,要两个使用200~240ohm的电阻差分端接,因为两个200~240ohm的电阻并联值正好为100~120ohm。如下图所示。



针对一拖多的情况,在时钟线差分对之间经常会并联一个pF级的差分电容,容值根据阻抗匹配的观点,需匹配差分阻抗Z0,故,即800MHz时钟、100Ω差分阻抗时,C约为2pF。该电容一般放在发送端,为了滤除差模干扰、消除反射。


1.5、参考电压VREF

对于较轻的负载(<4片DDR器件),可使用下图的方法:



  • VREF走线尽量短粗;

  • 在器件VREF引脚处放置一个0.1uF的旁路电容;

  • 在VREF和VDDQ之间放置一个0.1uF的电容(上电时电压的跟随特性更好);

  • 在VREF和VSSQ之间放置一个0.1uF的电容;

具体如下图所示:



对于较重的负载(>4片DDR器件),可使用IC来产生VREF。IC内部集成了两种电压VTT和VREF,其中VTT在重负载的情况下最高电流可达3.5A,平均电流为0A,VREF的电流比较小,一般只有3mA左右。

Appropriate DDR termination regulator vendors offering products with VTT, VREF, VDDQ, and VDD outputs include:

  • Fairchild—ML6554and FAN1655

  • LinearTechnology—LTC3413 and LTC3831

  • NationalSemiconductor—LP2995 and LP2996

  • Phillips—NE57810 and NE47814

  • TI—TPS51200


1.6、VTT设计

当数据线地址线负载较重时,VTT的暂态电流峰值可达到3.5A左右,这种暂态电流的平均值为0A。一些情况下不需要VTT技术(并行端接):

  • 系统中有2个或更少的DDR

  • 总线上需要的电流不是很高,中等左右

  • 通过仿真验证不需要

VTT电压的产生一般用IC,厂商包括:Intersil,Philips Semiconductors, Fairchild,National, TI等等。选用IC实现VTT,推荐使用下面的原则:

  • 地址/控制/命令信号线用Rt端接到VTT,VTT=VDD/2

  • VTT并不端接时钟信号线,时钟信号线使用差分端接技术

  • VTT与VREF走线平面在同一层,必须具有150mil的距离,推荐它们在不同层

  • VTT走线平面需要至少2个4.7uF的去耦电容,2个100uF的电容。具体放置位置是VTT的两个端点(at each end)

  • VTT表面走线宽度至少150mil,推荐250mil

  • 上电时序:VTT开始上电必须在VDDQ之后(具体实现方式可以采用VDDQ来控制VTT电源芯片的使能),避免器件latch-up,推荐VTT和VREF同时上电

  • 如果走线要分支的话,建议使用T型分支。

具体见下图:





1.7、引脚交换特性

同组(Lane)数据线可以交换。原因是内存的数据线只是存放数据,而CPU是根据CPU的数据线来存取,与内存的数据线顺序无关,相当于把数据存到一组容器,数据按什么顺序放就按什么顺序取。有时为了布线方便而调整组内的顺序。

地址线不能交换。原因是模式寄存器的值是通过地址总线发出的(通过A4~A6配置模式寄存器)。


2、PCB设计规则

2.1、布局

首先要确定DDR的拓补结构,一般而言,DDR1/2采用星形结构,DDR3采用菊花链结构(不是所有的DDR3都可以用Fly by结构,如果主控芯片不支持读写平衡(Read and WriteLeveling)功能,则不能使用Fly by拓扑结构(因为Fly by结构的DQS和CK不等长!!!没有write leveling就没法调整DQS和CK之间的偏斜。))。拓补结构只影响地址线的走线方式,不影响数据线。星形拓补就是地址线走到两片DDR中间再向两片DDR分别走线,菊花链就是用地址线把两片DDR“串起来”。

DDR2是采用T形拓扑结构,这种结构是不是星形结构的删减版?采用T形拓扑是因为时序要求信号要同时到达。那DDR3采用的Fly by结构,其实就是stub较短的菊花链,之所以采用此种结构是因为DDR3多了读写平衡的新技能,即使你们不同时到达,也能把它调过来。所以采用何种拓扑结构首先要看时序要求。



确定了DDR的拓补结构,就可以进行元器件的摆放,有以下几个原则需要遵守:

  • 原则一,考虑拓补结构,仔细查看CPU地址线的位置,使得地址线有利于相应的拓补结构;

  • 原则二,地址线上的匹配电阻靠近CPU(发送端);

  • 原则三,数据线上的匹配电阻靠近DDR;

  • 原则四,将DDR芯片摆放并旋转,使得DDR数据线尽量短,也就是,DDR芯片的数据引脚靠近CPU;

  • 原则五,如果有VTT端接电阻,将其摆放在地址线可以走到的最远的位置。一般来说,DDR2不需要VTT端接电阻,只有少数CPU需要;DDR3都需要VTT端接电阻。

  • 原则六,DDR芯片的去耦电容放在靠近DDR芯片相应的引脚。

以下是DDR2的元器件摆放示意图(未包括去耦电容),可以很容易看出,地址线可以走到两颗芯片中间然后向两边分,很容易实现星形拓补,同时,数据线会很短。

不带VTT端接电阻的布局图如下:



带VTT端接电阻的布局图如下:




带VTT端接电阻的情况,地址线上没有串联匹配电阻(DDR3),VTT端接电阻摆放在地址线可以到达的最远距离。如果有数据线匹配电阻则必须靠近DDR放置。

以下是DDR3的元器件布局图,这里使用的CPU支持双通道DDR3,所以看到有四片(参考设计是8片)DDR3,其实是每两个组成一个通道,地址线沿着图中绿色的走线传递,实现了菊花链拓扑。地址线上的VTT端接电阻摆放在了地址线可以到达的最远的地方。同样地,数据线上的端接电阻也放置在了靠近DDR3芯片的位置,数据线到达CPU的距离很短。同时,可以看到,去耦电容放置在了很靠近DDR3相应电源引脚的地方。



2.2、布线

2.2.1、设置线宽与线距

DDR走线线宽与阻抗控制密切相关,经常可以看到很多同行做阻抗控制。对于纯数字电路,完全有条件针对高速线做单端阻抗控制;但对于混合电路,包含高速数字电路与射频电路,射频电路比数字电路要重要的多,必须对射频信号做50欧姆阻抗控制,同时射频走线不可能太细,否则会引起较大的损耗,所以在混合电路中,往往舍弃数字电路的阻抗控制。

DDR的供电走线,建议8mil以上,在Allegro可以针对一类线进行物理参数的统一设定,可以建立PWR-10MIL的约束条件,并为所有电源网络分配这一约束条件。

间距的控制要考虑阻抗要求和走线的密度。通常采用的间距原则是2W或者3W。如果有足够的空间来走线,可以将数据线按3W的间距来走,可以减小很多串扰。如果实在不行至少要保证2W的间距。除此之外,数据线与其它信号线的间距至少要有3W的间距,如果能更大则更好。时钟与其它的信号线的间距至少也要保持3W,并尽可能的大。绕线的间距也可以采用2W和3W原则,应优先用3W原则。相邻两层尽量参考GND。对于线间距,也可以在Allegro中建立一种约束条件,为所有DDR走线(XNET)分配这样的约束条件。

还有一种可能需要的规则,就是区域规则。Allegro中默认的线宽线距都是5mil,在CPU引脚比较密集的时候,这样的规则是无法满足的,这就需要在CPU或DDR芯片周围设定允许小间距、小线宽的区域规则。


2.2.2、设置等长规则

对于数据线,DDR1/2与DDR3的规则是一致的:每个BYTE与各自的DQS,DQM等长,即DQ[0:7]与DQS0,DQS0N,DQM0等长,DQ[8:15]与DQS1,DQS1N,DQM1等长,以此类推。

地址线方面的等长,要特别注意,DDR1/2与DDR3是很不一样的。对于DDR1/2,需要设定每条地址到达同一片DDR的距离保持等长。对于DDR3,地址线的等长往往需要过孔来配合,具体的规则均绑定在过孔上和VTT端接电阻上。可以看到,CPU的地址线到达过孔的距离等长,过孔到达VTT端接电阻的距离也等长。


2.2.3、走线及等长

走线注意事项如下:

  • 所有走线尽量短;

  • 走线不能有锐角;

  • 尽量少打过孔;

  • 保证所有走线有完整的参考平面,地平面或电源平面都可以,对于交变信号,地与电源平面是等电位的;

  • 尽量避免过孔将参考面打破,不过这在实际中很难做到;

  • 走完地址线和数据线后,务必将DDR芯片的电源脚,接地脚,去耦电容的电源脚,接地脚全部走完,否则在后面绕等长时会很麻烦。

  • 一般来说,DQ,DQS,DM和时钟信号线选择VSS作为参考平面,因为VSS比较稳定,不易受到干扰,地址/命令/控制信号线选择VDD作为参考平面,因为这些信号线本身就含有噪声。


完成等长规则的设定后,最后一步也是工作量最大的一步:绕等长。在这一步,我认为只有一点规则需要注意:尽量采用3倍线宽,圆弧绕等长。


绕等长完成后,最好把DDR相关网络锁定,以免误动。




DDR数据线用DQS来锁存,因此要和DQS保持等长。地址、控制线用时钟来锁存,因此要和时钟保持等长,一般等长就没有什么问题。阻抗方面,一般来说DDR需要60欧姆,DDR2需要50欧姆,走线不要打过孔,避免阻抗不连续。串扰方面,只要拉开线距,一层信号一层地,就不会出问题。

无论是PCB上使用芯片还是采用DIMM条,DDRx(包括DDR3,DDR4等)相对于传统的同步SDRAM的读写,主要困难有三点:

第一,时序。由于DDR采用双沿触发,和一般的时钟单沿触发的同步电路,在时序计算上有很大不同。DDR之所以双沿触发,其实是在芯片内部做了时钟的倍频,对外看起来,数据地址速率和时钟一样。为了保证能够被判决一组信号较小的相差skew,DDR对数据DQ信号使用分组同步触发DQS信号,所以DDR上要求时序同步的是DQ和DQS之间,而不是一般数据和时钟之间。另外,一般信号在测试最大和最小飞行时间Tflight时,使用的是信号沿通过测试电平Vmeas与低判决门限Vinl和和高门限Vinh之间来计算,为保证足够的setup time和hold time,控制飞行时间,对信号本身沿速度不作考虑。而DDR由于电平低,只取一个中间电平Vref做测试电平,在计算setup time和hold time时,还要考量信号变化沿速率slew rate,在计算setup time和hold time时要加上额外的slew rate的补偿。这个补偿值,在DDR专门的规范或者芯片资料中都有介绍。

第二,匹配。DDR采用SSTL电平,这个特殊buffer要求外接电路提供上拉,值为30~50ohm,电平VTT为高电平一半。这个上拉会提供buffer工作的直流电流,所以电流很大。此外,为了抑制反射,还需要传输线阻抗匹配,串连电阻匹配。这样的结果就是,在DDR的数据信号上,两端各有10~22ohm的串连电阻,靠近DDR端一个上拉;地址信号上,发射端一个串连电阻,靠近DDR端一个上拉。

第三,电源完整性。DDR由于电平摆幅小(如SSTL2为2.5V,SSTL1为1.8V),对参考电压稳定度要求很高,特别是Vref和VTT,提供DDR时钟的芯片内部也常常使用模拟锁相环,对参考电源要求很高;由于VTT提供大电流,要求电源阻抗足够低,电源引线电感足够小;此外,DDR同步工作的信号多,速度快,同步开关噪声比较严重,合理的电源分配和良好的去耦电路十分必要。


3、DDR4布线(Tabbed Routing)

DDR4有一种特殊的布线方式:Tabbed Routing,Tabbed routing由intel公司2015年3月份提出,主要用在下一代处理器SKYLAKE平台,DDR4的走线方式。TabbedRouting主要的方法是在空间比较紧张的区域(一般为BGA区域和DIMM插槽区域),减小线宽,而增加凸起的小块(Tab),这种方法可以增加两根线之间的互容特性而保持其电感特性几乎不变,而增加的电容可以有效控制每一层的的阻抗,减小外层的远端串扰。该方法对阻抗和远端串扰可以很好的平衡,对于Tab的尺寸,需要根据实际PCB做详细的仿真设计,Intel也提供了一些Tool可以参考。

Tabbedlines have been proposed to reduce or eliminate FEXT(Far-end Crosstalk).


Tabbed Routing详细可参见《Intel: Crosstalk Mitigation andImpedance Management Using Tabbed Lines》一文.


除了JESD79系列规范,还可以参见Micron(TN-46系列、TN-41系列)文档。

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