VPX 架構(gòu)基于 VME 總線技術(shù)發(fā)展而來，是由 VITA 協(xié)會推出和維護的國際標(biāo)準(zhǔn)總線架構(gòu)。從板材選型、疊層結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵信號線及 PCB 工藝等各方面進行分析設(shè)計，提出 VPX 機箱背板 PCB 信號完整性設(shè)計方案。
VPX 架構(gòu)是目前主流的模塊化、通用化、開放式機箱架構(gòu)，基于 VME 總線技術(shù)發(fā)展而來，它是由VITA 協(xié)會推出和維護的國際標(biāo)準(zhǔn)總線架構(gòu)。基礎(chǔ)平臺以“功能模塊化、集成總線化、測試自動化”為設(shè)計理念，打造方便、易用的統(tǒng)一集成架構(gòu)，可按需配置，堆疊擴展。背板是基礎(chǔ)平臺所有功能模塊互聯(lián)的基礎(chǔ)，信號的質(zhì)量對 VPX 機箱工作的穩(wěn)定性具有決定性的作用，因此背板 PCB 信號完整性是基礎(chǔ)平臺設(shè)計的重點。為了解決背板的反射、串?dāng)_以及電源干擾等信號完整性問題，機箱背板在板材選型、疊層結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵信號線及 PCB 工藝等方面進行了精心設(shè)計，并通過信號完整性仿真及功能性能測試。
1 信號完整性設(shè)計
1.1 板材選型及疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計
PCB 板材及疊層結(jié)構(gòu)是信號完整性的一個重要要素。機箱背板采用 FR4-TG170 板材，比 FR4-TG130 具有更高的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度，耐燃性更好，并通過指定供應(yīng)商選取介電常數(shù)不大于 4.4 的板材，以減少串?dāng)_發(fā)生時傳遞的能量。背板板厚設(shè)計為 5.4 mm，在優(yōu)先考慮信號走線質(zhì)量的情況下綜合考慮了成本及加工難易度。背板疊層采用 14 層板，疊層結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。
圖 1 背板疊層結(jié)構(gòu)示意圖（1）CS。頂層，排放插座及主要器件，盡量不走關(guān)鍵信號線，且其余信號走線盡快入內(nèi)層，保證EMC 性能。
（2）L1。地層，主要網(wǎng)絡(luò)為 GND，為頂層及L2 層提供完整的參考平面。（3）L2。關(guān)鍵信號層，敏感信號和關(guān)鍵信號均可在這層走線。
（4）L3。地層，主要網(wǎng)絡(luò)為 GND，為 L2 及 L4層提供完整的參考平面。
（5）L4。關(guān)鍵信號層，敏感信號和關(guān)鍵信號均可在該層走線。
（6）L5。地層，主要網(wǎng)絡(luò)為 GND，為 L4 層提供完整的參考平面，為 L6 提供地層。
（7）L6。電源層，主要網(wǎng)絡(luò)為 12 V 和 3.3 V 輔助電源。此層的相鄰層有地層，以保證更好的電源完整性。
（8）L7。次關(guān)鍵信號層，由于此層其中的一個參考平面為分割了的電源層，因此此層將進行次關(guān)鍵信號的走線。
（9）L8。地層，主要網(wǎng)絡(luò)為 GND，為 L7 及 L9層提供完整的參考平面。
（10）L9。關(guān)鍵信號層，敏感信號和關(guān)鍵信號均可在該層走線。
（11）L10。地層，主要網(wǎng)絡(luò)為 GND，為 L9 及L11 層提供完整的參考平面。
（12）L11。關(guān)鍵信號層，敏感信號和關(guān)鍵信號均可在該層走線。
（13）L12。地層，主要網(wǎng)絡(luò)為 GND，為 L11 及底層提供完整的參考平面。
（14）SS。底層，排放插座及次要器件，盡量不走關(guān)鍵信號線，且其余信號走線應(yīng)盡快入內(nèi)層，保證 EMC 性能。
通過設(shè)計以上疊層結(jié)構(gòu)，機箱背板的所有信號走線都有完整的參考平面，保證了信號線的阻抗連續(xù)性，關(guān)鍵信號甚至有兩層參考平面，使信號屏蔽性和抗干擾能力得到進一步提升；同時，不存在相鄰兩層間信號串?dāng)_現(xiàn)象，且關(guān)鍵信號均在內(nèi)層布線，減少了遠端串?dāng)_的影響；L6 電源層有相鄰的L5 底層，也滿足電源完整性要求。
1.2 關(guān)鍵信號線分類及設(shè)計
機箱背板存在 5 種總線，分別是交換總線、配置管理總線、時分總線、時統(tǒng)總線及友鄰總線。其中，交換總線和友鄰總線的接口形式相同，按相同信號特性進行設(shè)計；時分總線和時統(tǒng)總線的接口形式相同，按相同信號特性進行設(shè)計。通過對 3 種信號線進行分類設(shè)計，解決機箱背板各種總線的信號完整性問題。
（1）總線源端及末端就近擺放一個 100 Ω 端接電阻，以最大限度地吸收反射信號。
（2）總線的走線長度不能超過 508 mm，為芯片的驅(qū)動能力保留充足的裕量。
（3）每個過孔的出現(xiàn)都會使信號阻抗出現(xiàn)不連續(xù)的現(xiàn)象，因此總線在布線時打過孔盡量不要超過 2 個，減少由過孔帶來的寄生電容，并在過孔附近就近打接地過孔，為交流信號提供最短的回流路徑。
（4）總線需和其他網(wǎng)絡(luò)保持 0.508 mm 以上的間距，采取 3W 原則，最大程度地減少其他信號對時分總線和時統(tǒng)總線的串?dāng)_。
（5）總線的走線一直伴隨有完整的參考平面，保證總線信號有最短的回流路徑，同時保證信號線的特征阻抗不會發(fā)生突變。
（6）差分線的特征阻抗設(shè)計為 100 Ω。
配置管理總線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號為 SM0、SM1、SM2及 SM3，這些信號均為單端信號，物理接口形式為I 2 C，總線速率為 400 kb·s -1 ，為了解決信號完整性問題，配置管理總線遵循如下設(shè)計原則。
（1）總線源端及末端采用就近上拉一個 4.7 K電阻的端接方式，提高總線的驅(qū)動能力并吸收一部分反射。
（2）總線的走線長度不能超過 508 mm，為芯片的驅(qū)動能力保留充足的裕量。
（3）單端信號線的特征阻抗設(shè)計為 65 Ω。
交換總線和友鄰總線信號均為高速差分信號，遵循如下設(shè)計原則。
（1）差分線在布線時打過孔盡量不要超過 2個，減少由過孔帶來的寄生電容，并在過孔附近就近打接地過孔，為交流信號提供最短的回流路徑 .
（2）差分線需和其他網(wǎng)絡(luò)保持 0.508 mm 以上的間距，采取 3W 原則，差分線的過孔需和其他網(wǎng)絡(luò)的間距保持 0.305 mm 以上，最大程度地減少其他信號對總線的串?dāng)_。
（3）差分線的走線一直伴隨有完整的參考平面，保證總線信號有最短的回流路徑及保證信號線的特征阻抗不會發(fā)生突變；
（4）差分線對內(nèi)采用嚴(yán)格等長的走線方式，保證差分線對內(nèi)信號時序穩(wěn)定。
（5）差分線的特征阻抗設(shè)計為 100 Ω。
表 1 交換總線和友鄰總線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號表
1.3 PCB 工藝設(shè)計
機箱背板采用 14 層板工藝，板厚 5.4 mm，PCB 過孔沉銅塞油，PCB 表面覆蓋綠油。為了解決信號完整性問題，背板嚴(yán)格控制了 VPX 插座連接器的孔徑公差，同時對高速差分信號采用背鉆工藝來減少信號的反射。VPX 插座連接器的孔徑示意如圖 2 所示。
2 信號完整性仿真
2.1 時統(tǒng)總線和時分總線信號的仿真
背板時統(tǒng)和時分信號采用 MLVD 差分信號，電氣特性符合 MLVD 標(biāo)準(zhǔn) Type1 類型接口的規(guī)定，接口輸入電壓閾值要求如表 2 所示。
表 2 接口輸入電壓閾值要求
圖 5 背板差分信號仿真優(yōu)化結(jié)果
2.2 交換總線的仿真
背板交換總線采用千兆以太網(wǎng)，符合 IEEE802.3Z 標(biāo)準(zhǔn)（1000BASE-X），信號衰減極限如圖 6所示。正常的 1000BASE-X 信號衰減特性必須位于圖中極限曲線的上方，離極限曲線越遠，信號質(zhì)量越好。
3 結(jié)?語
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