基于万兆交换机的信号完整性设计研究

刘泽等

一、概述

浪潮为满足工业级应用开发了多款自主研发的工业计算机及服务器产品。最新推出的某型多单元服务器系统，采用了最新的ATCA架构，为满足系统内各计算单元的高速互联需求，自主研发了一款万兆交换机。

二、万兆交换机方案介绍

万兆交换机主板采用Broadcom的万兆交换芯片，同时提供千兆网端口和万兆网端口，可以通过管理单元实现对交换单元的配置，实现了服务器系统中计算单元数据的交互和计算单元与存储单元数据的交互。

三、万兆交换机高速PCB设计关键技术分析

1.信号完整性设计

万兆交换机主板上的信号最高速率为10Gbps，信号的上升沿大概是35ps左右，信号的走线不能按照几百M或几Gbps的信号那样进行简单处理，需要综合考虑叠层、信号阻抗、信号串扰、信号Skew控制、过孔Stub、PCB板材、信号阻抗匹配等等各方面因素的影响。

1.1主板叠层设计。叠层设计的好坏影响到主板的性能、稳定性以及加工成本，必须同时满足加工要求、信号完整性和EMI的要求。综合考虑以上因素，本主板采用了16层PCB设计：万兆信号走在L3、L5和L12、L14层，以L2、L4、L13、L15的地层为参考平面，这几层都是完整没有分割的地层，用來提供高速信号的回流平面。该叠层设计保证了万兆信号的阻抗连续性和良好的EMI性能。

1.2万兆高速信号走线设计。万兆（10Gb）信号的走线系统是典型的传输线系统，需要用信号完整性的理论（包括传输线理论中阻抗、损耗、反射、串扰、地弹等）来指导主板的布线设计。本主板的万兆布线采用圆弧布线方式以减少信号传输过程中的损耗；差分线对之间的间距加大到20mil以上以减少信号之间的串扰；差分线布线过程中严格等长，最大程度的减少了信号Skew；通过采用1.1的叠层设计，为高速信号提供了完整的地平面作为回流平面，减少了高速信号反射和地弹的影响；阻抗连续性方面，在信号经过SMT焊盘时，把焊盘下的铜平面挖掉来增大该处的阻抗，达到与走线的阻抗相匹配。

1.3高速信号过孔设计。信号的过孔（VIA）用来连接不同层的信号线。当连接的信号是高速信号时，过孔会产生相当大的寄生电感和寄生电容。本主板上万兆信号的过孔通过增加抵抗衬垫（Anti-pad）来降低寄生电感和寄生电容的影响；在高速信号换层时，增加GND return via以保证信号线过孔换层走线时，其回流路径能够连续；另外，在主板加工时，使用了背面钻孔（back drill）工艺，把过孔上不做信号传输的步伐（Via Stub）钻掉以降低信号反射，从而进一步保证了高速信号的阻抗连续性。

1.4PCB板材的选用。板材对PCB设计和加工影响最大的因素主要是介电常数和损耗因子。对于多层板设计，板材选取还需考虑加工冲孔、层压的性能。1）一般的PCB设计，可以选用FR4。FR4的优点是成本低、多层压制板工艺成熟，缺点是不同厂家以及不同批次生产的FR4板材掺杂不同，介电常数不同（4.2-5.4）且不稳定。2）工作在几个Gbps的信号，可以选用改性环氧树脂材料，其介电常数在几Gbps时比较稳定、成本较低、多层压制板工艺与FR4相同。3）由于本主板中相当一部分信号速率工作在10Gps，因此选用了高频板材，高频板材的介电常数相当稳定、损耗因子较低、耐热特性好、加工工艺与FR4相当，兼顾了信号完整性与成本的要求。

2.高速信号电源完整性设计

在万兆交换机主板设计时，除了考虑降低反射、串扰等信号完整性问题外，稳定可靠的电源也是重点考虑的内容。高速时钟和数据信号在状态变化时，会在电源平面/地平面上产生噪声电流和噪声电压，造成供电不连续，同时产生电磁干扰发射（EMI），影响主板的正常工作。

2.1电源分配系统的设计。主板的电源分配系统在布局布线之前就已经做了充分的规划，给系统主电源、CPU电源、各个主芯片和接口的电源预留了足够的铜皮宽度，保证了供电电流有足够的余量。同时，为了降低电源系统的纹波，采用了以下的措施来降低电源分配系统的阻抗：1）每个芯片的入口使用较厚、较宽的电源铜皮，同时避免在某个位置集中打过孔（Via）以保证电源和地平面的完整。2）各个电源分配系统远离晶振等干扰元器件，保证为主芯片提供无干扰的回流通路。3）在叠层设计时，就考虑电源层和地层的间距尽量小，保证了最低的电源阻抗，并有效抑制了高频噪声。4）配置了足够的、均匀分布的去耦电容，有效降低了电源噪声。

2.2电容的应用。在主板的布局布线过程中，充分考虑了旁路和滤波等电容的放置，以更好的滤除电源上的高频干扰，使每个电源的输出电流更加平滑。1）尽量减小电容的引线或者引脚的长度，并使电容和PIN管脚的连线尽量宽，必要的时候使用了铜皮连接。2）电容尽量靠近元器件PIN放置，并尽量使用表贴型（SMT）电容。3）电容之间不共用过孔，使用了多个过孔连接电容和地。4）电容的过孔尽量靠近焊盘放置。

四、结束语

随着半导体工业和计算机工业的飞速发展，PCB设计也会面临更多的挑战，需要综合运用信号完整性分析的方法来指导高速PCB设计。同时，这种基于信号完整性分析的高速信号PCB设计也需要不断的完善和提高，从而带动高速PCB设计方法的提升，而高速PCB设计方法的提升同时也会促进PCB产业乃至整个电子行业的持续进步与发展。

（作者单位：山东超越数控电子有限公司）