牛刀小用------VPX背板一站式设计

admin · 发表于 2020-4-28 10:21

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牛刀小用------VPX背板一站式设计

------毛忠宇 201504

也许我们实验室25G高速背板技术成果相对用户目前的需求来说太超前了！ 2年前我们已在25G高速背板中的板材测试验证、连接器选型、测量参数据库化及背板制造工艺方面已完成了技术READY并且已在某超级计算机及通讯产品上成功通过了验证。步子走得太快了但用户大规模应用需求还没跟上来，只好一直在耐心等待……

图1 25G研发背板测试图

这个项目来又急又突然，离2014年底春节放假只有2周了，我们还是决定把项目接了下来，并答应通过内部的协作保证交货期。项目是一个非标准VPX小背板，要求我们一站式设计。
VPX小知识:VPX总线是VITA(VME International Trade Association, VME国际贸易协会)组织于2007年在其VME总线基础上提出的新一代高速串行总线标准。VPX总线的基本规范、机械结构和总线信号等具体内容均在ANSI/VITA46系列技术规范中定义.
VPX总线采用高速串行总线技术替代了VME总线的并行总线技术。VPX总线引入了目前最新串行总线技术，例如：RapidIO、PCI-Express和万兆以太网等，支持更高的背板带宽。VPX核心交换可以提供32对差分对，每对差分对理论上可以提供10Gbps的数据交换能力，一个VPX模块理论上最高可以提供8GByte/s的数据交换能力。
VPX总线发展历程如下图所示

图2 总线技术的演进

客户提供的材料不多，中间免不了细化需求的沟通过程，提供的主要材料是：

一个PDF参考原理图；
一个功能示意草图；
一个结构图。

图3 客户提供的数据

由于是背板的一站式设计，产品的原理图、结构、板材选取、PCB LAYOUT设计、高速信号设计、PCB加工（这个背板都是压接连接器不需要SMT过程）、质量的控制等环节全部由我们完成。唯一遗憾的是信号最高速率只需跑到3.125Gps，我们储备的25G技术没机会在这个项目充分体现，因此各位看官请你不要鄙视我使用“牛刀小用”这种说法了。
这个“一站式项目”决定由谈工主“刀”（谈工是从国内第二牛的通讯公司“Z”公司出来的）。报价环节完成后，紧跟下来一是“画”原理图了，由于客户提供的只有PDF格式的原理图文件，它没法生成网表，经过两天的紧张“依葫芦画瓢“最终完成了原图的设计，由于合同中规则定了交期：PCB Footprint建库、结构的设计及确认及PCB初期布局也紧张着并行设计。
客户只提供的PDF格式原理图，我们使用原理图工具按这个PDF新绘制的原理图是否与客户提供的一致？原理图比较大，用人工方法一个一个地逐一比较各网络连接关系明显耗时又耗力，只要“手一抖”就有可能漏掉或写错。只要一个地方对不上就导致整块背板报废。
业界目前找不到比较PDF格式的原理图的工具啊！“不怕做不到，就怕想不到”。办法总是的，还好软件编程的技能一正在，抽了个时间三下五除二写了个PDF格式原理图网络比较程序，使这个项目原理图的正确性得到了保障，程序结果还真的找到了有小ERROR。“共享是美德”，本程已放在到互联网https://www.eda365.com:5280/course/130/material/上供大家下载使用，网站上还并配了视频使用教程。

图4 自开发PDF原理图比较程序界面及比较结果

原理图完成后，接着就是材料的选择、层叠设计、PCB LAYOUT等PCB设计及走工厂加工内部快速流程等工作。由于此VPX的背板的在设计时使用了非标准的连接器、槽位大改动大且不允许交换管脚等因素使得信号的交错非常严重，加上VPX上要求的电流非常大，层叠设计时还考虑了信号和地隔层分布等，这个导致了背板的层数会大大增加。为了减少叠层数量从而给客户节省成本，我们基于高速信号的设计经验在保证信号质量的前提下做了很多优化，如在一些不重要的走线上打孔，最终只用了18层，再根据板厚的及阻抗要求完成了层叠及线宽和间距的设计，当然实际LAYOUT时在电流的通流能力及高速信号处理的细节设计上也花了很多精力。
LAYOUT则由我们的年度优秀员工沈鑫主刀- 见文章https://www.eda365.com/thread-105990-1-1.html笑得很灿烂的那位），凭着她的经验，单板在进度及信号质量上有了绝对保障。
对于3.125Gbps的高速信号细节处理包括：孔的anti pad及stub优化等。下图为Antipad的优化及Stub对信号的影响程度的示图。

图5 高速信号细节优化

年前终于投板，进度符合预期，过完年后拿到了PCB板，目测加工细节方面还不错，下图为一些如back drill方面的加工细节。

图6 BACK DRILL加工细节

单板目测还不错，工厂在出厂前都经过了TDR测试只有合格的才发货。对于提供的一站式的服务，我们再用VNA进行一次DOUBLE CHECK，测试结果符合预期，测试结果如下图所示，最后成品发给客户（由于此背板只有压接连接器，不需要SMT工序）。

图7 VNA阻抗测试结果

图8 组装后成品图

总结：一站式项目是多领域的合作的项目，项目完成的质量能充分体现团队各组间的合作程度。这个看似简单的项目涉及到：原理图创建、原理图比较程序的开发、PCB FOOTPRINT建库、PCB LAYOUT、结构设计与确认、高速信号的优化处理、PCB制造、单板阻抗测试等。
接到客户确认项目功能测试OK、信号质量测量很好的电话后大家心里踏实多了，从听到客户亲口里说也来的满意之词这是对我们的最大肯定。现在客户马上又给了我们另一个VPX的项目一是最好的说明。当然我们希望客户把更有挑战性的一站式28G高速信号项目与我们合作或承包给我们，这样的成就感会更强烈!

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