基于瑞芯微RK3588的DDR內存電路設計

DDR內存在我們生活中無處不在，手機、平板、電腦基本都有它的身影。

那么，你知道DDR電路是如何設計的嗎？本文結合瑞芯微RK3588來了解一下DDR內存設計的一些要點。

DDR電路簡介

RK3588 DDR 控制器接口支持 JEDEC SD RAM 標準接口，原理電路16位數據信號如圖8-1所示，地址、控制信號如圖8-2所示，電源信號如圖8-3所示。電路控制器有如下特點：

1、兼容 LPDDR4/LPDDR4X/LPDDR5 標準；

2、支持 64bits 數據總線寬度，由 4 個 16bits 的 DDR 通道組成，每個通道容量最大尋址地址 8GB；4個通道容量可支持總容量達到 32GB；

3、兩個 16bits 組成一個 32bits 通道，2 個 32bits 通道(即圖紙中 CH0、CH1 通道)不能采用不同容量的顆粒配置，如 4GB+2GB;

4、支持 Power Down、Self Refresh 等模式；

5、具有動態(tài) PVT 補償的可編程輸出和 ODT 阻抗調整。

圖 8-1 RK3588 DDR部分數據信號管腳

圖 8-2 RK3588 DDR部分地址、控制信號管腳

圖 8-3 RK3588 DDR部分電源管腳

DDR電路設計建議

1、RK3588 DDR PHY 和各 DRAM 顆粒原理圖保持與瑞芯微原廠設計一致性，包含DDR電源部分的去耦電容；

2、K3588 可支持 LPDDR4/LPDDR4X、LPDDR5，這些 DRAM 具有不同 I/O 信號，根據 DRAM 類型選擇對應的信號；

3、DQ，CA 順序全部不支持對調，如果PCB布線需要調整管腳，與瑞芯微原廠FAE溝通；

4、LPDDR4/4x/LPDDR5 的顆粒 ZQ 必須接 240ohm 1%到 VDDQ_DDR_S0 電源上；

5、LPDDR4/4x 的顆粒 ODT_CA 必須接 10Kohm 5%到 VDD2_DDR_S3 電源上；

6、內置 Retention 功能，DDR 進入自刷新期間，DDR 控制器端 DDR_CH_VDDQ_CKE 的電源腳需要保持供電，其它電源可關閉；DDR 顆粒的 VDDQ 電源在 tCKELCK 關閉 5ns 后也可以關閉，其它電源不能關；

7、LPDDR5 引入了 WCK 時鐘；LPDDR5 有兩個工作時鐘，一個是 CK_t 和 CK_c，用于控制命令、地址的操作；一個是 WCK_t 和 WCK_c，WCK 可以是 CK 頻率的 2 倍或 4 倍運行；當 Write 時，WCK 是時鐘也是 Write data strobe；當 Read 時，WCK 是 DQ 和 RDQS 的時鐘，RDQS 是 Read data strobe 信號；

8、RK3588 支持 DVFSC Mode(運行 LPDDR5 時)，DVFSC 模式支持在 VDD2L(0.9V)和 VDD2H(1.05V)兩個電壓之間進行切換，即高頻運行時采用 VDD2H 電壓工作，低頻運行時采用 VDD2L 電壓工作。

DDR 拓撲結構與匹配方式設計

1、LPDDR4/4x 2 顆 32bit 時，DQ、CA 采用點對點拓撲結構，如圖8-4所示，匹配方式為LPDDR4 顆粒 DQ、CLK、CMD、CA 都支持 ODT，全部點對點連接即可；

2、LPDDR5 2 顆 32bit 時，DQ、CA 采用點對點拓撲結構，如圖8-5所示，匹配方式為LPDDR5 顆粒 DQ、CLK、CMD、CA 都支持 ODT，全部點對點連接即可。

圖 8-4 LPDDR4 點對點拓撲結構

圖 8-5 LPDDR5 點對點拓撲結構

DDR 電源設計和上電時序要求

1、RK3588 DDR PHY 供電電源匯總如表8-1所示：

表8-1 RK3588 DDR PHY 供電電源

2、LPDDR4/4x/LPDDR5 顆粒供電電源匯總如表8-2所示：

表8-2 LPDDR4/4x/LPDDR5 供電電源

DDR 電源設計電路建議

1. 采用雙 PMIC 電源方案時供電電路

1.1 采用瑞芯微配套PMIC 型號為 RK806-2，務必注意，根據實際使用 DRAM 顆粒，同步修改 PMIC2 RK806-2 FB9（pin66）的分壓電阻阻值，使得 VDDQ_DDR_S0 輸出電壓與顆粒相匹配，如圖8-6所示；

圖 8-6 RK806-2 BUCK9 FB參數調整

1.2 采用瑞芯微配套PMIC 型號為RK806-2，務必注意，根據實際使用DRAM顆粒，同步修改PMIC2 RK806-2 FB9（pin66）的分壓電阻阻值，使得VDD2_DDR_S3輸出電壓與顆粒相匹配，如圖8-7所示；

圖 8-7 RK806-2 BUCK9 FB 參數調整

2. 采用單 PMIC 電源方案時供電電路

1、采用瑞芯微配套PMIC 型號為 RK806-1，務必注意，根據實際使用 DRAM 顆粒，同步修改 PMIC RK806-1 FB9（pin66）的分壓電阻阻值，使得 VDDQ_DDR_S0 輸出電壓與顆粒相匹配，如圖8-8所示；

圖 8-8 ?RK806-1 BUCK9 FB 參數調整

2、采用瑞芯微配套PMIC型號為RK806-1，務必注意，根據實際使用DRAM 顆粒，同步修改PMIC RK806-1 FB6（pin31）的分壓電阻阻值，使得VDD2_DDR_S3輸出電壓與顆粒相匹配，如圖8-9所示；

圖 8-9 ?RK806-1 BUCK6 FB 參數調整

3、瑞芯微原廠RK3588電路圖紙參考模板里提供了LPDDR4 和 LPDDR4x 兼容設計,需要注意的是：必須根據實際物料選擇相應的電路。貼 LPDDR4 顆粒時，只需要貼 R3811 電阻，R3808 不貼；貼 LPDDR4x 顆粒時，只需要貼 R3808 電阻，R3811 不貼，如圖8-10所示。

圖 8-10 ?LPDDR4/LPDDR4x 兼容設計電源選擇

DDR電路疊層與阻抗設計

8層通孔板1.6mm厚度疊層與阻抗設計

在8層通孔板疊層設計中，頂層信號 L1 的參考平面為 L2，底層信號 L8 的參考平面為 L7。建議層疊為TOP-Gnd-Signal-Power-Gnd-Signal-Gnd-Bottom，基銅厚度建議全部采用 1oZ，厚度為1.6mm。詳細的疊層與阻抗設計過程見白皮書第2章。板厚推薦疊層如圖8-11所示，阻抗線寬線距如圖8-12所示。

圖 8-11 ?8層通孔1.6mm厚度推薦疊層

圖 8-12 ?8層通孔1.6mm厚度各阻抗線寬線距

10層1階HDI板1.6mm厚度疊層與阻抗設計

在10層1階板疊層設計中，頂層信號L1的參考平面為L2，底層信號L10的參考平面為L9。建議層疊為TOP-Signal/Gnd-Gnd/Power-Signal-Gnd/Power-Gnd/Power-Gnd/Power-Signal-Gnd-Bottom，其中L1，L2，L9，L10，建議采用1oZ，其它內層采用HoZ。詳細的疊層與阻抗設計過程見白皮書第2章。板厚推薦疊層如圖8-13所示，阻抗線寬線距如圖8-14所示。

圖8-13 ?10層1階HDI板疊層設計

圖8-14 ?10層1階HDI板阻抗設計

10層2階HDI板1.6mm厚度疊層與阻抗設計

在10層2階板疊層設計中，頂層信號L1的參考平面為L2，底層信號L10的參考平面為L9。建議層疊為TOP-Gnd-Signal-Gnd-Power-Signal/Pow -Gnd-Signal-Gnd-Bottom，其中L1，L2，L3，L8，L9，L10，建議采用1oZ，其它內層采用HoZ。細的疊層與阻抗設計過程見白皮書第2章。板厚推薦疊層如圖8-15所示，阻抗線寬線距如圖8-16與8-17所示。

圖8-15 ?10層2階HDI板疊層設計

圖8-16 ?10層2階HDI板單端阻抗設計圖

圖8-17 ?10層2階HDI板差分阻抗設計圖

DDR電路阻抗線與阻抗要求

1、所有通道數據DQ、DM單端信號阻抗40歐姆，如果疊層無法滿足40歐目標阻抗，至少保證阻抗?jié)M足45ohm±10%，40歐目標阻抗信號余量會更大，45歐目標阻抗信號余量會更小，如圖8-18所示；

圖 8-18 ?CH0與CH1通道數據DQ、DM阻抗線

2、所有通道地址、控制單端信號阻抗40歐姆，如圖8-19所示；

圖 8-19 ?CH0與CH1通道地址、控制阻抗線

3、CKE單端信號阻抗50歐姆，如圖8-20所示；

圖 8-20 ?CH0與CH1通道CKE阻抗線

4、所有通道數據鎖存信號DQS與時鐘差分信號阻抗80歐姆，如果疊層無法滿足80歐目標阻抗，至少保證阻抗?jié)M足90ohm ±10%，如圖8-21所示；

圖 8-21 ?CH0與CH1通道DQS與CLK差分阻抗線

DDR電路PCB布局布線要求

1、由于RK3588 DDR接口速率最高達4266Mbps，PCB 設計難度大，所以強烈建議使用瑞芯微原廠提供的 DDR 模板和對應的 DDR 固件。DDR 模板是經過嚴格的仿真和測試驗證后發(fā)布的。在單板PCB設計空間足夠的情況下，優(yōu)先考慮留出DDR電路模塊所需要的布局布線空間，拷貝瑞芯微原廠提供的 DDR 模板，包含芯片與DDR顆粒相對位置、電源濾波電容位置、鋪銅間距等完全保持一致。如圖8-22至8-29所示。

2、如果自己設計 PCB，請參考以下PCB 設計建議，強烈建議進行仿真優(yōu)化，然后與瑞芯微原廠FAE進行確認,確認沒問題以后在進行打樣調試。

CPU 管腳，對應的 GND 過孔數量，建議嚴格參考模板設計，不能刪減 GND 過孔。8 層通孔的 PCB模板，CPU 管腳 GND 過孔設計如圖8-30所示，黃色為DDR管腳信號，地管腳為紅色；

圖 8-30 ?RK3588地過孔示意圖

信號換層前后，參考層都為 GND 平面時，在信號過孔 25mil（過孔和過孔的中心間距）范圍內需要添加 GND 回流過孔(黃色為DDR信號，紅色為GND信號)，改善信號回流路徑，GND 過孔需要把信號換層前后 GND 參考平面連接起來。一個信號過孔，至少要有一個 GND 回流過孔，盡可能增加 GND 回流過孔數量，可以進一步改善信號質量，如圖8-31所示；

圖 8-31 ?信號換層添加地過孔示意圖

GND 過孔和信號過孔的位置會影響信號質量，建議 GND 過孔和信號過孔交叉放置如圖8-32所示，雖然同樣是 4 個 GND 回流過孔，4 個信號過孔在一起的情況要避免，這種情況下過孔的串擾最大；

圖 8-32 ?回流地過孔的位置示意圖

8 層板，建議 DDR 信號走第一層、第六層、第八層。DQ、DQS、地址和控制信號、CLK 信號都參考完整的 GND 平面。如果 GND 平面不完整，將會對信號質量造成很大的影響；

如圖8-33所示，當過孔導致信號參考層破裂時，可以考慮用 GND 走線優(yōu)化下參考層，改善信號質量；

圖 8-33 ?地平面割裂補全示意圖

繞線自身的串擾會影響信號延時，走線繞等長時注意按圖8-34所示；

圖 8-34 ?蛇形走線示意圖

在做等長時，需要考慮過孔的延時，如圖8-35所示；

圖 8-35 ?過孔延遲示意圖

非功能焊盤會破壞銅皮，以及增大過孔的寄生電容，需要刪除過孔的非功能焊盤，做無盤設計；

走線距離過孔越近，參考平面越差，走線距離過孔鉆孔距離建議≧8mil，有空間的地方增大間距；

調整過孔位置，優(yōu)化平面的裂縫，不要造成平面割裂，起到改善回流路徑的作用，如圖8-36所示；

圖 8-36 ?過孔優(yōu)化示意圖

DQS、CLK、WCLK 信號需要做包地處理，包地線或銅皮建議每隔≦400mil，打一個 GND 過孔，如圖8-37所示；

圖 8-37 ?差分信號包地示意圖

對于 VDD_DDR 電源，DCDC 區(qū)域電源換層時，建議打≧6 個 0503 過孔；

對于 VDDQ_DDR 電源，DCDC 區(qū)域電源換層時，建議打≧6 個 0503 過孔；

對于 VDD2_DDR 電源，DCDC 區(qū)域電源換層時，建議打≧6 個 0503 過孔；

對于 VDD1_1V8_DDR 電源，電源平面換層時，建議至少打≧2 個 0402 過孔；

每個電容焊盤建議至少一個過孔，對于 0603 或者 0805 封裝的電容建議一個焊盤對應兩個過孔，過孔的位置要靠近管腳放置，減小回路電感。

DDR電路PCB設計時序要求

由于 8 層板，表層和內層都有走線。無論是單端信號還是差分信號，表層走線和內層走線，速率有差異。表層走線，單端信號和差分信號速率有差異。內層走線，單端信號和差分信號差異較小。過孔速率和走線速率有差異，為了減小速率差異對信號余量的影響，設計規(guī)則需要按等延時來要求。PCB 設計時，需要按實際制板的疊層設置疊層參數，同時把封裝延時，和過孔延時考慮進來，具體的時序要求如表8-3所示。