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新聞動態

嵌入式核心板的分類及PCB設計

2024.11.29

什么是核心板?


嵌入式核心板又叫SOM(Systems-on-Module)板,核心板集成了CPU和各種外設,如內存(DDR)、存儲(eMMC或FLASH)、電源管理(PMIC)、晶振等。同時引出如USB、GPIO、SPI、I2C、UART、以太網、PCIe等各種接口,以滿足各種應用的需求。


核心板一般采用板對板連接器、郵票孔焊接、金手指、COM Express等形式與底板連接,并且通常將CPU的所有功能引腳或大部分功能引腳引出,用戶在設計產品時只需根據應用場景進行功能接口的電路設計,從而降低了硬件開發難度,節省了開發時間。



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 Intel Atom x6000E COM Express核心板

來自:Congatec


SOM適用于包括工業自動化、醫療設備、汽車電子、通信系統和物聯網(IoT)在內的多種行業。使用SOM,可以大大縮短產品開發周期,降低綜合成本,提高產品的可靠性。


核心板的分類


為了確保嵌入式核心板硬件和軟件的兼容性、模塊化和可擴展性。不同組織或公司定義了多個標準,常見的嵌入式核心板標準如下:


Open Standard Module (OSM)
OSM核心板是一個可焊接的LGA封裝模塊,尺寸緊湊,最大的尺寸為45mm x 45mm,模塊功率通常在15W以下。對于物聯網應用十分友好,可以滿足低成本和日益增長的性能需求。


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OSM標準的IMX8MP 核心板

來自:ADLINK



QSeven (Q7)

由NXP Semiconductors(原Freescale Semiconductor)推出的一種基于ARM架構的嵌入式處理器模塊標準。標準采用230-pin MXM金手指設計, 便于手持設備、HMI和標牌應用中的高速I/O連接。


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基于NXP i.MX 8QM Qseven 核心板

來自:Advantech


SMARC

SMARC (Standard Module Advanced RISC Computer),是一種用于定義ARM架構的嵌入式計算機模塊的開放標準。采用314針的MXM金手指連接器,適用于高性能和低功耗要求的產品。


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Intel Atom x7000 series (Amston Lake) 核心板

來自:ADLINK


COM Express

由PICMG(PCI Industrial Computer Manufacturers Group)定義的一種模塊化計算機標準,支持多種處理器架構,如x86、ARM和PowerPC。COM Express模塊包括Mini、Basic和Compact三種尺寸,可以針對特定的應用和功率來選擇適合的尺寸。


為了適應下一代AIoT應用,COM Express R3.1新增了多個高級接口支持包括Type 6/7/10新增PCIe Gen 4接口,Type 6模塊增加USB 4.0接口,Type 7模塊新增第二個PCIe Clock,并將10G以太網升級至支持CEI邊帶信號。


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COM Express Type 6 第11代 Intel Cor i7 核心板

來自:ADLINK



嵌入式核心板的PCB設計


隨著嵌入式處理器的性能越來越高,內存速率越來越快,嵌入式核心板的PCB層數也從早期的4層發展到了8-12層,由于支持越來越多的高速接口,對板材損耗的要求也越來越高。


一般遵循以下步驟進行嵌入式核心板PCB的設計:


確定元器件布局

一般來講,核心板標準要求里已經規定了標準的外型和接口,元器件的布局變化不會很大。一般思路是按照CPU的參考手冊要求,遵循最優的fanout布局設計,確定CPU、DDR和Flash的布局,再優化電源和周圍器件的布局。


確定板厚

常規的PCB成品厚度為0.5mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.6mm、2.0mm、3.2mm、6.4mm等等。一般在核心板的設計標準里會規定板厚,設計時需遵循相應的要求,對于沒有規定要求的,從結構可靠性角度可以做厚一些。


確定PCB層數和劃分功能層

確定總層數和劃分信號層、電源層和地層,需要從系統性的角度綜合考慮,是一個相互妥協的結果。首先需要確定層數能夠滿足布線的需求,其次需要滿足高速信號線的布線要求,最后考慮電源完整性、EMC和熱設計的要求。在滿足功能的前提下,盡量壓縮PCB的層數。


確定內外層銅厚

疊層設計時必須平衡銅箔的厚度,使電源/地平面層銅的厚度滿足載流要求。3oz以上屬于厚銅,常用于高壓、大電流的電力電子產品。


對于信號層銅的厚度來講,線寬/線距較小,需要銅盡可能薄才能滿足精確的蝕刻的要求。高速信號線由于趨膚效應的影響,電流只在銅箔表面附近流動,更厚的銅箔并不會帶來更好的性能。所以內層信號層的銅厚通常為Hoz,即0.5盎司。


確定阻抗線的分布

核心板上的高速接口信號線都有阻抗要求,常見的單端50Ω、差分100Ω等。阻抗控制,需要有參考平面,走線的銅厚、介電常數、線寬、線距都會影響阻抗。在設計時阻抗線時,在滿足阻抗要求的前提下,盡量壓縮阻抗線出現的層數。


EDA工具都支持阻抗計算,可以按照設計的疊層結構,去調整走線的參數。


確定過孔結構

大多數核心板由于高密度的屬性,都會使用盲孔和埋孔來優化布線空間,盲孔和埋孔也同時造成了PCB需要多次壓合增加了工序,PCB的制造難度上升,因此也更加昂貴。


在疊層設計時,需要在滿足設計的前提下,盡量簡化孔的結構。


選擇滿足設計要求的板材、PP和銅箔

FR-4能夠滿足大多數PCB的需求,價格便宜而且電氣性能良好,高速PCB會選用高速板材,比如松下的Megtron4/6等,高速PCB需要選擇具有最低損耗角正切和較小介電常數的介電材料,來滿足高速信號對于損耗的要求。


銅箔粗糙度(銅牙)使線路的寬度、線間距不均勻,從而導致阻抗不可控,同時由于趨膚效應,電流集中在導體的表層,銅箔的表面粗糙度影響信號傳輸的長度。信號的頻率在5GHz以下時銅箔粗糙度的影響不是太明顯,大于5GHz時銅箔粗糙度的影響開始越來越大,在大于10Ghz的高速信號的設計時尤其需要重視。



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