高速HDMI接口4層PCB板布線指南

2016-11-06 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1簡介

HDMI 規(guī)范文件里面規(guī)定其差分線阻抗要求控制在 100Ω ±15%,其中 Rev.1.3a 里面規(guī)定相對放寬了一些,容忍阻抗失控在100Ω ±25%范圍內(nèi),不要超過 250ps。通常,在 PCB 設(shè)計時,注意控制走線時的阻抗控制,往往可以做到很好的匹配。對于通常的聚酯膠片 PCB 來說,傳輸線的長度和微帶線 Stub 效應(yīng)是需要考慮的, 在本設(shè)計指南里面,主要是針對 4 層的 1080+2116 聚酯膠片PCB 進行相關(guān)的阻抗匹配控制。

2聚酯膠片 PCB 的選擇

盡管對于 PC 主板來說,高精度的 2116 材質(zhì) FR4 的4 層 PCB 是主流,但是如果需要進行精確的阻抗控制,則其費用也是不菲的。因而對于 HDMI 應(yīng)用來說,不推薦采用此板材,取而代之的是采用中等精度的 1080+2116 板材或者是低精度的2116+7628 板材。對于不同的板材,走線寬帶和間距必須做出相應(yīng)的調(diào)整,使其做的阻抗匹配,下面列出了PCB疊層相關(guān)的尺寸。

表 1:推薦的 PCB 聚酯膠片板材

通常,PCB 廠家能夠?qū)⒕€寬和線距控制在±1-mil,然而對于 HDMI 連接器、IC 器件等附近區(qū)域,最好能夠控制在±0.5mil,以減少偏移。

5推薦走線長度

為了防止信號反射,信號線的長度不允許超過下面兩個約束條件所計算出的走線長度。

1. 小于信號波長(λ )的 1/16,信號波長與信號頻率之間的關(guān)系由以下公式來確定。

這里ε R = 4.3 ~ 4.7,對于 FR4 材質(zhì)μ R ~ 1

比如,對于運行于 FR4 板材,信號頻率為 1.25GHz,其走線長度計算結(jié)果如下:
推薦長度< (1/16)λ ? 280 mil

2. 信號上升沿的 1/3 長度,其長度 l 定義為

這里 l 為信號上升沿的長度,單位 inch Tr 為信號上升沿時間,單位 ps
D 為信號延時,單位為 ps/inch
對于 FR4 板材,其延時為 180ps/inch,對于 HDMI 信號,Tr 為 200ps,其計算結(jié)果不能超過 370 mil,即:

推薦長度 <

如果信號線太長的話,那么最好將線寬和線距加大,以后線寬和線距加大后,其阻抗連續(xù)性更容易控制。詳細的線寬和線距的選擇請參考表 1.

4微帶線 Stub 效應(yīng)

stub 將會給 PCB 走線增加電抗,并且減少走線的阻抗,對于 HDMI 走線,存在任何的 stub 都是不完美的。如果一個 open stub 是 1/2 波長,則其就等效于走線上的一個對地電容。而如果 short stub 是 1/2 波長,其相對于在一個走線上加上一個電感。

如果 stub 是不可避免的話,那么必須將其控制在信號上升沿的 1/6。經(jīng)驗告訴我們,對于 200-ps 的 HDMI 信號,stub 的長度不允許超過 1/6 × 200ps = 33ps。

5焊盤和過孔相關(guān)補償

焊盤和過孔往往造成走線的不連續(xù)性,其結(jié)果使得走線阻抗降低。在器件下面的低平面挖出適當?shù)目?其有助于減少焊盤或過孔與地平面之間的電容,從而有利于補償走線的阻抗損失。挖出空白尺寸的大小參考 Section(A)里面的(i)-(iv)。

HDMI 連接器焊盤之間也許會相互影響,為了達到相應(yīng)的阻抗,并建立合理的信號路徑,其參考平面,HDMI 連接器推薦的地平面如 Section(A)里面的(v)。 Section(B)是推薦的案例。

Section(A):地平面推薦的挖空尺寸
下面的案例基于 1080+2116 的聚酯膠片,差分線線寬為 8.0mil,線距為 9.3mil。其相關(guān)地平面的挖空尺寸如下。

(i)ESD 或者上拉 0603 電阻焊盤下面挖空情況

圖 3.ESD 或者上拉 0603 電阻焊盤下面挖空情況

(ii)ESD 或者上拉 0402 電阻焊盤下面挖空情況

圖 4.ESD 或者上拉 0402 電阻焊盤下面挖空情況

(iii)HDMI 相關(guān)器件下面挖空情況

圖 5.HDMI 相關(guān)器件下面挖空情況

(iv)過孔下面挖空情況

圖 6.過孔下面挖空情況

(v)HDMI 連接器下面的挖空情況

圖 7.HDMI 連接器下面的挖空情況

Section(B):PCB 相關(guān)區(qū)域約束情況
在實際情況下,在走線時是需要考慮 PCB 的空間問題的,所以在連接 ESD 器件和上拉電阻時,需要用到過孔和 stubs,且需要在底層走線。下面的參考案例里面,包含了 ESD 器件、過孔和上拉電阻。

圖 8.帶有 ESD 器件、過孔和上拉電阻的 PCB 走線情況

6建議走線

1. 盡可能的將過孔靠近 HDMI 連接器放置
當信號從 HDMI 連接器到 HDMI 焊盤時,由于電氣上的改變,使得阻抗相應(yīng) 的增加,這種阻抗的增加剛好可以補償 HDMI 邊上過孔說造成的阻抗損失。由于過孔太靠近 HDMI 連接器,這將使得 HDMI 連接器周圍沒有足夠的空間去走 100Ω 的差分線,這是將用 50Ω 的單端走線來代替,當必須保證此單端線足夠的短。移除 HDMI 信號和時鐘焊盤下面的地平面。

2. 盡可能的采用小封裝的上拉電阻和 ESD 器件
0402 封裝與 0603 封裝相比,具有更小的焊盤,使其在阻抗上具有更小的損耗。

3. 采用 9mil 線寬和 11mil 線距的差分走線如果走線夠?qū)?則其阻抗更好的控制。

4. 采用盡可能短的 stubs
ESD 保護器件、過孔和上拉電阻之間的 stub 盡可能的短,不能超過信號上升沿的 1/6。

5. 移除電阻焊盤和過孔下面的地平面此挖掉的孔必須要足夠大,確保能夠覆蓋 ESD 器件焊盤、過孔和上拉電阻焊盤和所有的 HDMI 連接器上信號焊盤。其參考如下圖 9。