【高速PCB电路设计】8.DDR模块设计实战

前言

• 本文主要记录DDR模块PCB实际设计当作的相关要点。
• 关于DDR原理图设计的相关内容介绍链接: 【高速PCB电路设计】2.高速电路DDR原理图概述

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一、DDR特性介绍

1.常见内存器件分类

参考链接: 常见储存器件的分辨

2.DDR技术发展及参数

• 速率越来越高，电压越来越低。

• 预取架构：可以在不增加内核频率的情况下提高外部数据传输率。

3.ODT

• ODT（On- Die Termination）:将匹配内置到芯片中，以提高数据总线的信号质量。

DDR1的端接匹配都在外面。
DDR2开始端接匹配在芯片里。
ODT仅仅在数据线上有，地址线还是需要端接匹配。

4.动态ODT

• DDR3上有动态ODT，数据线是一驱二的情况下，同一颗粒工作于不工作的输入阻抗是不一样的，如此动态ODT能够进一步提高DDR3数据总线的信号质量，特别是在多个负载，例如：双内存条系统中。
  
  

5.拓扑结构

• 如果颗粒数量比较少(通常小于4片)，那么这两种拓扑的信号质量总体上就没有太大的差别;但如果DDR颗粒负载数量多的话（通常大于4片），采用Flyby的拓扑结构信号质量总体会比T型结构好。
  

• 下图是同样接了18片颗粒的情况下信号仿真眼图对比，采用Flyby的结果明显好于T型拓扑。
  

6.读写平衡（Write Leveling）

• 补偿因Fly-By拓扑带来的数据选通对于时钟的时序偏移，使之满足DDR3/4颗粒的DQSS。
  
  
• 不支持读写平衡的DDR芯片不能用Fly-By，而应选用T型拓扑。

The following optional DDRx features are not supported:

• Read and Write leveling

DDR Controller:

• DDR2 support up to DDR 800(40OMHz clock rate).
• DDR3 support up to DDR 1066(533MHz clock rate)
• 1.5V or 1.8VI/o supply for DDR2
• 1.5V or 1.35VI/o support for DDR3
• Write leveling support for DDR3
• 32-bit and 16-bit bus withs

7.伪开漏开路(POD)电平

• DDR4数据总线的I/O电气接口从推挽SSTL变为下图所示的伪开漏开路（POD)电平。
• 通过截止到VDDQ而不是1/2的VDDQ，信号摆动的幅值和中心可根据不同设计的需要定制。
• POD的I/O降低了驱动数据时的开关电流，因为只有0时才消耗功率，相对DDR3的推挽式lO口，理论上功耗会降低一半。
  

8.数据总线倒置(DBI)

• 根据POD的特性，当数据为高电平时，没有电流流动，所以降低DDR4功耗的一个方法就是让高电平尽可能多，这就是DBI技术的核心。
• 即当有一般数据位位低时，DBI进行翻转，以保证降低功耗。
• DBI与掩码常共用管脚，需根据需要选择。
  

9.DDR5相对DDR4的升级点

二、DDR设计指南

1.DDR模块常用拓扑结构

• 两片DDR：树型（T型）拓扑、菊花链拓扑、Fly-By拓扑
  
• 四片DDR：A：T型与菊花链拓扑相结合；B：树型（T型）拓扑，主干线较短不是远端簇型拓扑；C：T型与远端簇型拓扑相结合（较好），主干线较长；D：Fly-By拓扑（时钟和数据时序偏差不严时，该拓扑是最好的，故不适用DDR2特别是颗粒多时，DDR3也要看主控能不能支持）。
  

2.多片DDR地址、控制线T型拓扑方案

• 4片DDR地址、控制线T型拓扑方案
  
• DRAM离Controller尽量近
• TL1尽量长，在远处分支
• 对称结构，保证所有到DRAM的走线等长:
  时序匹配、减少反射
• 减少平行走线，抑制串扰
• 根据仿真结果决定是否需要VTT匹配电路（压缩走线长度，尽量省掉VTT匹配)。

T型拓扑阻抗控制方案：

• 为了保证阻抗连续，理论上要尽可能保证分支并联阻抗等于主干线阻抗。但PCB主干线线宽很难达到，故没那么严。
  
  

• 2颗DDR同层贴布线示例（T点在中间，过孔可打4排，每边2排）
  

• 4颗DDR同层贴布线示例（T点在中间，中间4排孔，两边4排孔）
  

• 4颗DDR正反贴布线示例（T点在中间，都是两排孔，末梢T点分支线短，反射小（此点优于单面）；因为孔太多打孔位置从数据地址往外推。）
  

• 成本多，可在连个第二个T点都加上拉VDT匹配，否则在第一个T点位置加VDT匹配。

3.DDR3、4设计指南

• 地址线(数据线、时钟线、命令线)布局布线优先Fly-By;
  

• 地址、命令、控制信号的走线拓扑结构，以及终端电阻RTT的位置，RTT值一般为39Ω。
  

• 使用FlyBy拓扑，并以60Ω端接，在第一个和最后一个DDR SDRAM颗粒die上看到的命令和地址线的仿真波形如下。（注：FlyBy拓扑上最后一颗DDR上的波形是最好的。因为最后一颗只有最后一部分的反射，且有终端匹配吸收反射。）

• 以60欧姆端接会导致第一个波形(绿色信号)的信号闭眼，而对最后一个波形(红色信号)的信号没有影响。为优化设计，可以通过仿真模拟来确定合适的电阻值。
  

• DDR3、4布线指南：
  

4.Fly-By拓扑布线参考

• DDR3、4单片布线参考；如下因为芯片内部强大，故采样两层板共面完成DDR布局布线设计：
  
  
• 4层4片DDR3，Fly-By不费层。
  
• 5片DDR3正反错位贴片：
  
• 8片DDR3正反贴片：
  

三、DDR设计实战（未完待续）

1.DDR设计步骤

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2.DDR布线规则

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3.FPGA换Pin规则

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总结

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结束语

• 以上就是DDR模块设计实战的内容。
• 再次推荐牛客网刷题(点击可以跳转)的硬件刷题板块。