高速HDMI接口4层PCB板布线指南

2016-11-06 by:CAE仿真在线来源:互联网

1简介

HDMI 规范文件里面规定其差分线阻抗要求控制在 100Ω ±15%,其中 Rev.1.3a 里面规定相对放宽了一些,容忍阻抗失控在100Ω ±25%范围内,不要超过 250ps。通常,在 PCB 设计时,注意控制走线时的阻抗控制,往往可以做到很好的匹配。对于通常的聚酯胶片 PCB 来说,传输线的长度和微带线 Stub 效应是需要考虑的, 在本设计指南里面,主要是针对 4 层的 1080+2116 聚酯胶片PCB 进行相关的阻抗匹配控制。

2聚酯胶片 PCB 的选择

尽管对于 PC 主板来说,高精度的 2116 材质 FR4 的4 层 PCB 是主流,但是如果需要进行精确的阻抗控制,则其费用也是不菲的。因而对于 HDMI 应用来说,不推荐采用此板材,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。对于不同的板材,走线宽带和间距必须做出相应的调整,使其做的阻抗匹配,下面列出了PCB叠层相关的尺寸。

表 1:推荐的 PCB 聚酯胶片板材

通常,PCB 厂家能够将线宽和线距控制在±1-mil,然而对于 HDMI 连接器、IC 器件等附近区域,最好能够控制在±0.5mil,以减少偏移。

5推荐走线长度

为了防止信号反射,信号线的长度不允许超过下面两个约束条件所计算出的走线长度。

1. 小于信号波长(λ )的 1/16,信号波长与信号频率之间的关系由以下公式来确定。

这里ε R = 4.3 ~ 4.7,对于 FR4 材质μ R ~ 1

比如,对于运行于 FR4 板材,信号频率为 1.25GHz,其走线长度计算结果如下:
推荐长度< (1/16)λ ≅ 280 mil

2. 信号上升沿的 1/3 长度,其长度 l 定义为

这里 l 为信号上升沿的长度,单位 inch Tr 为信号上升沿时间,单位 ps
D 为信号延时,单位为 ps/inch
对于 FR4 板材,其延时为 180ps/inch,对于 HDMI 信号,Tr 为 200ps,其计算结果不能超过 370 mil,即:

推荐长度 <

如果信号线太长的话,那么最好将线宽和线距加大,以后线宽和线距加大后,其阻抗连续性更容易控制。详细的线宽和线距的选择请参考表 1.

4微带线 Stub 效应

stub 将会给 PCB 走线增加电抗,并且减少走线的阻抗,对于 HDMI 走线,存在任何的 stub 都是不完美的。如果一个 open stub 是 1/2 波长,则其就等效于走线上的一个对地电容。而如果 short stub 是 1/2 波长,其相对于在一个走线上加上一个电感。

如果 stub 是不可避免的话,那么必须将其控制在信号上升沿的 1/6。经验告诉我们,对于 200-ps 的 HDMI 信号,stub 的长度不允许超过 1/6 × 200ps = 33ps。

5焊盘和过孔相关补偿

焊盘和过孔往往造成走线的不连续性,其结果使得走线阻抗降低。在器件下面的低平面挖出适当的孔,其有助于减少焊盘或过孔与地平面之间的电容,从而有利于补偿走线的阻抗损失。挖出空白尺寸的大小参考 Section(A)里面的(i)-(iv)。

HDMI 连接器焊盘之间也许会相互影响,为了达到相应的阻抗,并建立合理的信号路径,其参考平面,HDMI 连接器推荐的地平面如 Section(A)里面的(v)。 Section(B)是推荐的案例。

Section(A):地平面推荐的挖空尺寸
下面的案例基于 1080+2116 的聚酯胶片,差分线线宽为 8.0mil,线距为 9.3mil。其相关地平面的挖空尺寸如下。

(i)ESD 或者上拉 0603 电阻焊盘下面挖空情况

图 3.ESD 或者上拉 0603 电阻焊盘下面挖空情况

(ii)ESD 或者上拉 0402 电阻焊盘下面挖空情况

图 4.ESD 或者上拉 0402 电阻焊盘下面挖空情况

(iii)HDMI 相关器件下面挖空情况

图 5.HDMI 相关器件下面挖空情况

(iv)过孔下面挖空情况

图 6.过孔下面挖空情况

(v)HDMI 连接器下面的挖空情况

图 7.HDMI 连接器下面的挖空情况

Section(B):PCB 相关区域约束情况
在实际情况下,在走线时是需要考虑 PCB 的空间问题的,所以在连接 ESD 器件和上拉电阻时,需要用到过孔和 stubs,且需要在底层走线。下面的参考案例里面,包含了 ESD 器件、过孔和上拉电阻。

图 8.带有 ESD 器件、过孔和上拉电阻的 PCB 走线情况

6建议走线

1. 尽可能的将过孔靠近 HDMI 连接器放置
当信号从 HDMI 连接器到 HDMI 焊盘时,由于电气上的改变,使得阻抗相应的增加,这种阻抗的增加刚好可以补偿 HDMI 边上过孔说造成的阻抗损失。由于过孔太靠近 HDMI 连接器,这将使得 HDMI 连接器周围没有足够的空间去走 100Ω 的差分线,这是将用 50Ω 的单端走线来代替,当必须保证此单端线足够的短。移除 HDMI 信号和时钟焊盘下面的地平面。

2. 尽可能的采用小封装的上拉电阻和 ESD 器件
0402 封装与 0603 封装相比,具有更小的焊盘,使其在阻抗上具有更小的损耗。

3. 采用 9mil 线宽和 11mil 线距的差分走线如果走线够宽,则其阻抗更好的控制。

4. 采用尽可能短的 stubs
ESD 保护器件、过孔和上拉电阻之间的 stub 尽可能的短,不能超过信号上升沿的 1/6。

5. 移除电阻焊盘和过孔下面的地平面此挖掉的孔必须要足够大,确保能够覆盖 ESD 器件焊盘、过孔和上拉电阻焊盘和所有的 HDMI 连接器上信号焊盘。其参考如下图 9。