淺析DDR4電路設(shè)計(jì)及布局布線

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摘要：隨著嵌入式應(yīng)用的性能需求越來越高，DDR的應(yīng)用越來越廣泛。新一代DDR的速率越來越高，電路設(shè)計(jì)過程中需要考慮的因素也越來越多，信號(hào)完整性設(shè)計(jì)變得越來越重要。且DDR的Debug過程非常繁瑣，信號(hào)測(cè)試變得越來越困難，越來越不準(zhǔn)確，而且很難驗(yàn)證。從ddr4實(shí)際布局布線出發(fā)，介紹了DDR4布局布線方面的部分關(guān)鍵點(diǎn)及注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：DDR4；布局布線；信號(hào)完整性

DDR內(nèi)存發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)經(jīng)歷了DDR、DDR2、DDR3、DDR4四代，DDR5正在研發(fā)測(cè)試中，且即將商用量產(chǎn)。隨著DDR的速率越來越高，相關(guān)電路設(shè)計(jì)的信號(hào)完整性問題變得越來越突出。

1DDR4與其他DDR的異同

1．1DDRxSDRAM參數(shù)對(duì)比

DDR觸DDR4差異性參數(shù)對(duì)比如表1所

1．2DDR4的引腳變化

（1）相對(duì)于DDR3、DDR4的新增引腳1）VDDQ：新增兩個(gè)VDDQ引腳；2）VPP：內(nèi)存的激活電壓，2．5V－0．125V／＋0．250V；3）Bank組地址輸入（Bankgroupaddressinputs）：指示被ACTIVTE，READ，WRITE或者PRECHARGE命令操作的Bank組；4）DBI：數(shù)據(jù)總線倒置?？梢越档凸牟⑶姨嵘龜?shù)據(jù)信號(hào)完整性；5）命令輸入（commandinput）：ACT＿n用于指示激活命令；6）PAR（Parityforcommandandaddress）：命令與地址總線奇偶校驗(yàn)，DDR4SDRAM支持奇偶校驗(yàn)；7）ALERT＿N（Alertoutput）：警示信號(hào)，此信號(hào)可代表DRAM中產(chǎn)生的多種錯(cuò)誤，若此信號(hào)沒有使用，則需要再板上將此信號(hào)連接至VDD；8）TEN（Connectivitytestmode）：連通性測(cè)試使能，在x16系統(tǒng)中需要，但是在x4與x8系統(tǒng)中僅在8Gb顆粒中需要。此引腳在DRAM內(nèi)部通過一個(gè)弱下拉電阻下拉至VSS。（2）相對(duì)于DDR3、DDR4減少的引腳1）VREFDQ；2）bankaddress（1of3）；3）1個(gè)VDD，3個(gè)VSS，1個(gè)VSSQ。

2DDR4的互聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2．1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

DDR4的數(shù)據(jù)線是一對(duì)一連接。對(duì)于地址、命令、時(shí)鐘等，多片DDR4的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般采用Fly－by拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是特殊的菊花鏈結(jié)構(gòu)，stub線為0的菊花鏈，如圖1所示。

2．2信號(hào)線的端接

（1）數(shù)據(jù)線由于從DDR2SDRAM時(shí)代開始新增了ODT功能，數(shù)據(jù)線終端電阻內(nèi)置，允許用戶通過讀寫寄存器來控制DDR中內(nèi)部的終端電阻的連接或者斷開，所以在設(shè)計(jì)時(shí)不需要對(duì)數(shù)據(jù)線進(jìn)行端接。（2）地址／控制線的端接在Fly－by拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，最遠(yuǎn)分支是反射最嚴(yán)重的地方，因此一般在最遠(yuǎn)分支末端加上終端匹配電阻吸收反射來提高信號(hào)完整性。DDR4內(nèi)存系統(tǒng)采用的Fly－by拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及終端匹配方案如圖1所示，其中RT就是時(shí)鐘、地址及控制命令線上的終端匹配電阻，它上拉到電源VTT。需要注意的是，VTT上拉電阻放置在相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的末端，即靠近最后一個(gè)DDR4顆粒的位置放置；注意VTT上拉電阻到DDR4顆粒的走線越短越好，走線長(zhǎng)度小于500mil；每個(gè)VTT上拉電阻對(duì)應(yīng)放置一個(gè)VTT的濾波電容（最多兩個(gè)電阻共用一個(gè)電容）。

3DDR4重點(diǎn)信號(hào)處理

3．1信號(hào)分組

（1）數(shù)據(jù)線組數(shù)據(jù)線分組基本原則為一個(gè)字節(jié)一組，每個(gè)組11條信號(hào)線，以數(shù)據(jù)鎖存差分線（DQS）作為參考，例如DATA0－7（DQ0－7）、DM0、DQS0為一組。（2）地址、控制、命令組地址線、控制線、命令線、時(shí)鐘差分對(duì)為一個(gè)組，以時(shí)鐘差分對(duì)作為參考，該組組內(nèi)等長(zhǎng)。如圖3所示。

3．2走線長(zhǎng)度匹配

（1）數(shù)據(jù)線組走線長(zhǎng)度匹配對(duì)于數(shù)據(jù)線，每個(gè)BYTE與各自的DQS、DQM等長(zhǎng)，即DQ0:7與DQS0、DQM等長(zhǎng)，DQ8:15與DQS1、DQM1等長(zhǎng)，以此類推。組內(nèi)等長(zhǎng)設(shè)置在10mil以內(nèi)為最佳；建議設(shè)置在15mil以內(nèi)。如圖2所示。（2）地址／控制組走線長(zhǎng)度匹配地址線、控制線、時(shí)鐘線作為一組等長(zhǎng)，組內(nèi)等長(zhǎng)參考CLK信號(hào)，誤差范圍最好控制在±20mil，速率低時(shí)可以適當(dāng)放寬，2400MT／S時(shí)放寬到－120mil～＋30mil經(jīng)驗(yàn)證沒有問題。（3）CK、DQS差分對(duì)設(shè)計(jì)這兩組差分對(duì)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮串?dāng)_，數(shù)據(jù)線與時(shí)鐘信號(hào)之間拉開間距，差分對(duì)內(nèi)等長(zhǎng)最好在5mil以內(nèi)。

3．3VREF處理

DDR信號(hào)一般通過比較輸入信號(hào)和另外一個(gè)參考信號(hào)（VREF）來決定信號(hào)為高或者低。相對(duì)于DDR3，DDR4只保留了VREFA，VREFQ改由芯片內(nèi)部產(chǎn)生。VREF（0．6V）要求更加嚴(yán)格的容差性，但是它承載的電流比較小、且相對(duì)比較獨(dú)立。它不需要非常寬的走線，且通過一兩個(gè)去耦電容就可以達(dá)到目標(biāo)阻抗的要求。布線處理時(shí)建議用與器件同層的銅皮或走線直接連接，無須在電源平面層為其分配電源。注意鋪銅或走線時(shí)，要先經(jīng)過電容再接到芯片的電源引腳，不要從分壓電阻那里直接接到芯片的電源引腳。

3．4電源處理

（1）VDD（1．2V）VDD（1．2V）電源是DDR4的核心電源，其引腳分布比較散，且電流相對(duì)會(huì)比較大，需要在電源平面分配一個(gè)區(qū)域給VDD（1．2V）；VDD的容差要求是5％，詳細(xì)在JEDEC里有敘述。通過電源層的平面電容和專用的一定數(shù)量的去耦電容，可以做到電源完整性。（2）VPP2．5V，內(nèi)存的激活供電，容差相對(duì)寬松，最小2．375V，最大2．75V。電流也不是很大，一般走根粗線或者畫塊小銅皮即可。（3）VTT電源VTT電源不僅有嚴(yán)格的容差性，而且還有很大的瞬間電流；可以通過增加去耦電容來實(shí)現(xiàn)它的目標(biāo)阻抗匹配；由于VTT是集中在終端的上拉電阻處，不是很分散，且對(duì)電流有一定的要求，在處理VTT電源時(shí)，一般是在元件面同層通過鋪銅直接連接，銅皮要有一定寬度。（4）VDD／VDDQ濾波電容的處理濾波電容的作用是控制阻抗，為芯片所在的Vcc與GND濾波。需要注意的是，濾波電容與芯片在同一層的時(shí)候，電容靠近芯片擺放，且不能把電容拉一條線到芯片引腳。

4結(jié)束語

DDR的設(shè)計(jì)一直以來都是很多設(shè)計(jì)者比較關(guān)心的地方，也是讓很多工程師比較頭疼的問題，首先DDR的相關(guān)理論及技術(shù)難點(diǎn)較多，比如timing、driverstrength、ODT等概念都需要理解；其次從layout角度來看，DDR不像串行總線一樣，只有幾對(duì)差分線，問題很容易定位，而DDR一旦出現(xiàn)問題，問題定位會(huì)成為一個(gè)棘手的問題，需要做大量的測(cè)試和試驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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［4］劉波．DDR4高速并行總線的信號(hào)完整性仿真分析［D］．呼和浩特：內(nèi)蒙古大學(xué)，2018－06

作者：孔慶亮 單位：北京圣非凡電子系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)有限公司