連載-iMX8MQ設計底板硬件指南-第一章
iMX8MQ
2020-12-24 13:15:00
imx8mq
i.MX8MQ
iMX8
本文以飛凌嵌入式OKMX8MQ-C開發板為基礎講解，其它iMX8MQ品牌產品請參考使用，本文旨在為依托飛凌FETMX8MQ-C核心板自行設計底板的用戶提供設計指導，提示在iMX8MQ產品設計過程中的注意事項，輔助理解設計要點，幫助規避可能遇到的問題。 本期主要介紹1-8節，詳情請參照iMX8MQ設計指南。
iMX8MQ 設計指南：
1、核心板電源
2、底板電源
3、BOOT啟動部分電路
4、SYS_nRST和ONOFF按鍵
5、調試串口
6、TF卡電路
7、OTG電路
8、USB_HUB電路
9、千兆網電路
10、HDMI部分電路
11、PCIE部分電路
12、4G部分電路
13、MIPI_DSI/CS
14、SPI轉CAN部分電路
15、沒有用到的引腳處理方式
注：本文介紹核心板為FETMX8MQ-C核心板；底板為 OKMX8MQ開發板（采用底板+核心板 分離結構）中的底板。
正文開始：
1、核心板電源
|
引腳標號 |
信號名稱 |
輸入/輸出 |
信號描述 |
備注 |
|
P10_1 |
VSYS |
輸入 |
核心板供電電源（典型12V） |
底板0Ω電阻R106是為了方便核心板功耗測量， 用戶自己設計底板可去掉此電阻； 在靠近核心板VSYS輸入引腳處，建議加濾波電容， 為核心板提供更為穩定的電源輸入， 參考值22uF、10uF、1uF、100nF，需要注意電容耐壓值。 |
|
P10_3 |
VSYS |
輸入 |
核心板供電電源（典型12V） |
|
|
P10_5 |
VSYS |
輸入 |
核心板供電電源（典型12V） |
|
|
P10_7 |
VSYS |
輸入 |
核心板供電電源（典型12V） |
|
|
P10_9 |
VDD_3V3 |
輸出 |
核心板輸出3.3V |
用作底板VDD_5V電源使能以及BOOT部分電路上拉 |
|
P10_11 |
VDD_PHY_1V8 |
輸出 |
核心板輸出1.8V |
用作HDMI部分電路MOS管開啟 |
2、底板電源
U7（MP2307DN）將VSYS降壓至VDD_5V，為底板提供5V電源，U7受控于VDD_3V3。U6（AMS1117-3.3V）將VDD_5V降壓至VCC_3V3，為iMX8MQ底板提供3.3V電源。
U7是一個降壓型DC-DC，VSYS濾波電容靠近輸入端放置，電感L2及電容C78、C79、C80靠近U7擺放，以減小高頻回路。PCB Layout參考MP2307手冊，以下內容為手冊描述：
1) Keep the path of switching current short and minimize the loop area formed by Input cap., high-side MOSFET and low-side MOSFET.
2) Bypass ceramic capacitors are suggested to be put close to the Vin Pin.
3) Ensure all feedback connections are short and direct. Place the feedback resistors and compensation components as close to the chip as possible.
4) ROUT SW away from sensitive analog areas such as FB.
5) Connect IN, SW, and especially GND respectively to a large copper area to cool the chip to improve thermal performance and long-term reliability.
其中電感、阻容等器件選型參考芯片datasheet。
U8、U9分別輸出PCIE1_3V3、PCIE2_3V3，為SSD和WIFI模塊供電。
3、BOOT啟動部分電路
|
引腳標號 |
信號名稱 |
輸入/輸出 |
信號描述 |
備注 |
|
P10_19 |
BOOT_MODE0 |
上電復位時輸入 |
BOOT模式配置0 |
底板為了減少撥碼開關， 將BOOT_MODE0和BOOT_MODE1 通過邏輯電路進行了控制。 用戶在設計底板時如果空間有限 可增加一位撥碼， 省去該邏輯電路。 |
|
P10_21 |
BOOT_MODE1 |
上電復位時輸入 |
BOOT模式配置1 |
|
|
P10_48 |
BT_CFG10 |
上電復位時輸入 |
BOOT配置10 |
|
|
P10_52 |
BT_CFG12 |
上電復位時輸入 |
BOOT配置12 |
|
|
P10_54 |
BT_CFG13 |
上電復位時輸入 |
BOOT配置13 |
啟動配置引腳高低電平與啟動介質對應關系如下：
|
啟動配置引腳 |
啟動介質 |
||||
|
BT_MODE0 |
BT_MODE1 |
BT_CFG10 |
BT_CFG12 |
BT_CFG13 |
|
|
1 |
0 |
X |
X |
X |
OTG燒寫 |
|
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
eMMC啟動 |
|
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
SD卡啟動 |
注：圖中H表示高電平，L表示低電平，X表示無所謂高低電平。
撥碼開關1為OFF時，BOOT為低電平，此時Q13、Q14、Q15截止，BOOT_MODE0在iMX8MQ核心板上做了下拉處理，BOOT_MODE1在核心板上做了上拉處理，此時為eMMC啟動；撥碼開關1為ON時，BOOT為高電平，此時Q13、Q14、Q15導通，BOOT_MODE0被拉高，BOOT_MODE1被拉低，此時為OTG燒寫。
以下引腳為BOOT啟動相關引腳，在iMX8MQ核心板上做了上下拉處理，如果復用為GPIO且需要外部上下拉，則必須與iMX8MQ核心板上下拉保持一致，否則會影響系統啟動：
|
引腳標號 |
信號名稱 |
輸入/輸出 |
信號描述 |
備注 |
|
P10_44 |
SAI1_TXD0 |
上電復位時輸入 |
BT_CFG8 |
核心板1K下拉 |
|
P10_46 |
SAI1_TXD1 |
上電復位時輸入 |
BT_CFG9 |
核心板1K下拉 |
|
P10_48 |
SAI1_TXD2 |
上電復位時輸入 |
BT_CFG10 |
核心板4.7K下拉 |
|
P10_50 |
SAI1_TXD3 |
上電復位時輸入 |
BT_CFG11 |
核心板1K下拉 |
|
P10_52 |
SAI1_TXD4 |
上電復位時輸入 |
BT_CFG12 |
核心板4.7K下拉 |
|
P10_54 |
SAI1_TXD5 |
上電復位時輸入 |
BT_CFG13 |
核心板10K上拉 |
|
P10_56 |
SAI1_TXD6 |
上電復位時輸入 |
BT_CFG14 |
核心板4.7K下拉 |
|
P10_58 |
SAI1_TXD7 |
上電復位時輸入 |
BT_CFG15 |
核心板1K下拉 |
|
P10_68 |
SAI1_RXD0 |
上電復位時輸入 |
BT_CFG0 |
核心板1K下拉 |
|
P10_70 |
SAI1_RXD1 |
上電復位時輸入 |
BT_CFG1 |
核心板10K上拉 |
|
P10_72 |
SAI1_RXD2 |
上電復位時輸入 |
BT_CFG2 |
核心板1K下拉 |
|
P10_74 |
SAI1_RXD3 |
上電復位時輸入 |
BT_CFG3 |
核心板1K下拉 |
|
P10_76 |
SAI1_RXD4 |
上電復位時輸入 |
BT_CFG4 |
核心板1K下拉 |
|
P10_78 |
SAI1_RXD5 |
上電復位時輸入 |
BT_CFG5 |
核心板1K下拉 |
|
P12_4 |
SAI1_RXD6 |
上電復位時輸入 |
BT_CFG6 |
核心板1K下拉 |
|
P12_6 |
SAI1_RXD7 |
上電復位時輸入 |
BT_CFG7 |
核心板1K下拉 |
|
P10_19 |
BOOT_MODE0 |
上電復位時輸入 |
BOOT_MODE0 |
核心板100K下拉 |
|
P10_21 |
BOOT_MODE1 |
上電復位時輸入 |
BOOT_MODE1 |
核心板10K上拉 |
4、SYS_nRST和ONOFF按鍵
K5為ONOFF功能按鍵，在OFF模式下短暫連接到GND會使內部電源管理狀態機將狀態更改為ON。 在開模式下，與GND的短暫連接會產生一個中斷（旨在啟動軟件控制的掉電）。 到GND的連接大約5秒鐘或更長時間會導致強制OFF。K6為復位按鍵，按下系統斷電復位。
5、調試串口
iMX8MQ 包含一個A53 和一個M4 ，UART1為ARM核調試串口，UART2為M4核調試串口，建議用戶預留出來，方便調試。
6、TF卡電路
TF卡支持熱插拔，建議在信號線上加ESD防護器件，靠近TF卡座擺放。如上圖所示，SD2_nRST控制VSD_3V3上電，在使用高速TF卡時該部分電路是很有必要的，可以確保在CPU復位時，TF卡同時掉電，在CPU啟動后，按照正常的時序識別到TF卡。
信號線在核心板上預留了上拉電阻，底板上不要做上拉處理，否則影響TF卡識別。
7、OTG電路
Q18和Q17配合使用，用來保證在iMX8MQ開發板斷電時插入OTG線，USB1_VBUS不會有電源串入，從而不會導致iMX8MQ開發板誤啟動。
8、USB_HUB電路
iMX8MQ開發板通過CYUSB3304芯片擴展出多路USB接口，用來擴展更多的功能。
用戶在設計底板時需要注意以下事項：
1、 R175、R176需使用1%精密電阻，靠近芯片擺放；
2、 外部晶振需要滿足以下參數：
·26MHz±150ppm
·并聯諧振，基本模式
·最小驅動電平為200uW
請勿在晶振的XTL_OUT和XTL_IN引腳上連接任何串聯電阻。如果連接了串聯電阻，則晶振ESR的電阻會增加，因此會加大晶振的功耗和啟動時間。
3、 晶振負載電容計算方法：
Cs是PCB上XTAL_OUT和XTAL_IN走線間的雜散電容。Cs的大小通常是2pF到5pF。例如：開發板所選晶振的負載電容為9pF，Cs選擇3pF，帶入公式，可以求得C1=C2=12pF。
4、 HUB芯片外部電源為3.3V和1.2V，這兩個電源沒有上電順序要求，RESET引腳需要保持低電平，直到這兩個電源都處于穩定狀態為止。
RESET引腳可通過RC電路進行復位（最小5ms時間常量）。
5、去耦電容放在靠近電源引腳的位置，這樣可以濾掉高頻噪聲，建議放置到芯片的底部，這樣可以降低平面電容；
濾波電容（作為給電源引腳提供本地電源使用）放置的位置要盡可能接近去耦電容。濾波電容和去耦電容之間的走線長度盡可能短；
使電源走線寬度與電源焊盤大小相同。為了將電源引腳連接至電源層，請保持過孔放在接近電源焊盤位置。這樣有助于最大限度地減少線路中的雜散電感和IR。如下圖所示：
6、該芯片有四個電源域：VDDIO、AVDD12、DVDD12和AVDD33。在電源層上為這些電源域劃分使用區域。如果該層不能為劃分區域提供足夠的空間，則請為VDDIO和ACDD33使用電源走線。在電源走線中，建議使用以下指南：
·使電源走線遠離高速的數據線和時鐘線；
·電源走線寬度應為≥25mil，這樣可以降低電感；
·使電源走線盡可能短，在電源走線上使用較大的過孔（焊盤的最小寬度為30mil，孔的最小寬度為15mil）
7、差分數據線阻抗控制為90Ω±10%
8、差分對中走線寬度和位置不變，以避免發生阻抗的不匹配情況，如下圖所示：
9、應將所有SS信號線布線到相鄰的接地層上，這樣可以提供良好的回流路徑。SS信號參考跨分割會引入阻抗不匹配，并增大環路電感以及電氣輻射。下圖為正確的參考層：
10、在設計PCB布局過程中，優先布線USB信號線，請確保滿足以下條件：
·保證差分SS對的走線長度相差必須小于0.12mm（5mil）
·高速（D+和D-）信號的走線長度相差必須小于1.25mm（50mil）
·如果需要做等長，應調整接近USB插座的高速信號走線的長度
如下圖所示：
11、應確保地銅箔和差分對之間最小2W的距離，W為走線寬度。
12、如果信號線需要換層，接地過孔必須位于信號過孔的旁邊，如下圖所示。信號過孔和接地過孔之間的距離不能低于40mil。
13、可以交換SS差分對的極性。在聯接過程中，USB 3.0 PHY會自動進行極性檢測，如USB 3.0規范中6.4.2一節定義的內容。通過使用極性反轉機制可以確保USB走線不會彼此交叉。
14、USB走線請勿使用90度折線，如果有必要請選擇45度的折線或曲線，如下圖：
15、SS走線需要在TX線上（US端口和DS端口上）有額外的交流耦合電容（0.1uF）。對于DS端口，這些電容要對稱放置，并要盡可能接近連接器。要將US端口放置的位置盡可能靠近器件。
未完待續：接下篇 http://www.tkbv.cn/article-new-c22/610.html
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