如何衡量一款高清机的质量和稳定性 - 内幕曝光

0

1）电路原理的设计

目前市面上的高清机大多都是采用SIGMADESIGN公司的SMP8634/SMP8635方 案，大家觉得既然是同样的方案，原理图设计应该是一模一样的才对，其实不然，在大的原理相同的情况下，在一些敏感电路做一些细致处理，做出来的产品的稳定 性，兼容性才能够更好。SMP8634是基于300Mhz的MIPS操作系统，内存是256MB的DDR1，对于高速工作的CPU而言，电源的稳定性以及 DDR电路的信号完整性是至关重要的：
A. 电源设计：电源作为整个系统的动力来源，需要它能够稳定“干净”的给系统供电，所谓稳定，就是不管播放器是在开关机的瞬间，还在外接大功率的硬盘、DVDROM，电压值不能发生跌荡，而干净就是DC部分产生的干扰，纹波足够小，宇脉的机器各路电压交流纹波的峰值都不超过50mV.

温馨提示：可以说整个主板除了SMP8634/8635主芯片/DDR内存芯片/FLASH芯片/HDMI芯片，电源 部分的芯片及其关联器件成本算是比较高了，所以这部分的设计也五花八门，好的设计采用低纹波高质量的电源芯片，而且各部分分开供电，加上相关的极性滤波电 容总成本比较高，而且电源部分的电路会很大程度上增加PCB的面积（也是成本 ）；不负责任的刻意降低成本的做法是选用普通的低价的3端稳压器，减少滤波电容，压缩PCB的面积。专业用户很容易观察出这部分电路的设计质量。


B. 信号完整性（Signal Integrity，简称SI）考虑：信号完整性是指信号在电路中以正确的时序和幅 度做出响应的能力，可理解为信号在线路上的传输质量。信号完整性问题与信号时序、信号在传输线上的传输延迟、信号波形的失真程度等密切相关。高速DDR设 计应全面考虑信号完整性问题，破坏信号完整性的主要原因有反射、串扰和地弹等。因此宇脉科技在设计过程中对DDR的地址线、数据线及时钟线做了匹配处理。

温馨提示：这部分容易偷工减料的是DDR内存的电源器件（好的电源芯片还是比较贵的 ）以及这部分的极性滤波电容（也不便宜 ），有心的用户可以打开机箱看看各家的板子就能有个大概了解。

C. 其它方面的考虑（未完待续。。。。。。）

2）线路板（PCB）的设计
作为采用sigmadesignsSMP8635设计的高清机主板，因为有几部分电路的工作频率比较高，所以对PCB布 线，阻抗的设置与分布，板子的层数要求都比较苛刻。PCB的质量好坏对高清机整体质量影响非常大，这也是厂家为降低成本，最容易隐蔽性地进行偷梁换柱，偷 工减料的一点了。这里会用比较长的篇幅重点阐述。

经常有朋友及客户这样问我，为什么你们宇脉的PCB板都做成了6层板，而别家的都是4层，这样就PCB一项就让机器的成本要高几十块RMB。当然我们也知 道做4层板省成本，也不想把增加的这部分成本让用户去承担，但这样可以吗？答案当然是否定的。当然这不仅要拿理论说话也要拿实验数据说话。

先说说我看到的各家的高清机PCB设计，一个厂家的研发部门，都会比较全面地收集同行的产品进行研究，学习别人的长处。我也无需回避，宇脉也收集了十多家 的产品，也都分析研究过，对其重要的参数也都测试过。但遗憾的是在收集到的产品中，只有我们宇脉自身（以及和宇脉合作的有关机型）和Tvix的板子采用的 是6层PCB板设计，当然常见的几款蓝光机也是6层板设计。也许有朋友说，那是你们硬件设计技术不过关才采用6层板，我们采用4层板，说明我们的布线水平 高。不着急，蓝光机和高清机的主板相比，除了蓝光机主板多64MB内存外，其它可以说和高清机主板一模一样，蓝光机的量非常大，若PCB一项就能节省几十 元人民币，我相信Sony这种大公司不会不考虑吧，这种大公司的布线技术也不会是“小学水平”吧。当然这只是我个人看法，世界之大，高人多了去了，还是拿 数据说话比较好。

由于测试数据这东西比较敏感，我这里只公布宇脉科技高清机主板的内存稳定性测试数据。
宇脉科技LimHD310A主板内存稳定性测试 = 0A/0B （16进制0A=10，0B=11）
有兴趣的公司也可以拿我们的主板去检测，也希望同行公司公布自己主板的这项测试数据。
这项测试的结果越高证明内存工作的稳定性越好，sigmadesigns建议这项测试结果在04或以下为不合格设计，要重新布板。之所以这项数据对高清机至关重要，是因为高清片源的解码要占用比较多的内存，同时对内存带宽的消耗也非常大，所以内存部分的设计不过关，将直接导致整部机器的质量和稳定性。

以下是高清解码（只是视频部分，还没包含音频部分）对内存带宽的要求：


所以8634/8635主板对DDR内存的布线是影响高清机性能的关键因素之一，当然你只是简单的播放几部片子是没法验证机器的稳定性的，因为：其一，由 于少量的瞬间的内存数据错误，你用肉眼和耳朵很难觉察；其二，从上面的表格可以看出，Mpeg2的解码（即使码率较大）对内存的要求也不太高，如果用高码 率的H.264或VC1的片子在温度比较高的环境下长时间动态烤机，估计内存稳定性测试数据比较低的板子就难以承受了。

在这里解释一下这个问题，宇脉的6层PCB板，分别为上表层，下表层，2个信号层以及比别人的PCB多出的1个地层和电源层，多出的电源层能够保证各个器 件的供电更加稳定，而多的地层使各个器件接地更加完全，这样可以减少模拟部分与数字部分之间的串扰，以及机器本身对环境的辐射（这点在FCC测试过程中可 以体现出来）；除了对电源部分的处理之外，宇脉的PCB的优势更多的体现在高速DDR信号的完整性上。在高频PCB设计中要认真考虑时钟线、信号线、电源 分配和地线回路，还要考虑噪声容限、负载匹配和传输线效应等因素，随着信号工作频率的不断提高，信号完整性问题已经成为设计高速DDR电路关注的焦点。

下面从6个方面说明宇脉科技的LimHD系列产品为什么全部采用6层板设计，而不会单纯为了降低成本设计为4层板：

A. 反射
反射（Reflection）会使合成信号形成过冲，导致信号波形在逻辑门限附近波动，如图2所示。信号在跳变的过程中可能跨越逻辑电平门限，多次跨越逻辑电平门限则会导致逻辑功能紊乱。产生反射的原因是信号传输线两端的阻抗不匹配。


                     图2  反射导致过冲示意图

消除反射的根本办法是使阻抗具有良好的匹配，负载阻抗与传输线的特性阻抗相差越大反射也越大，所以应尽可能使信号传输线的特性阻抗与负载阻抗相等。所以宇 脉科技LimHD系列产品的6层PCB上的传输线没有突变或拐角，尽量保持传输线各点的阻抗连续，否则在传输线的各段之间也将会出现反射；如果4层板在目 前的面积范围内如果只考虑这点，布线难度已经比较大了，几乎不可能再考虑以下几个因素了。


B. 串扰
信号之间由于电磁场的相互耦合而产生的不期望的噪声信号称为串扰（Crosstalk）。串扰是指没有直接连接的信号线之间的耦合现 象。由于高频信号沿着传输线是以电磁波的形式传输的，信号线会起到天线的作用，电磁场的能量会在传输线的周围发射，当高速变化的信号沿传输线A传播时，信 号线周围的空间就存在时变的电磁场，如图3所示。这种时变的电磁场会使周围的传输线B产生感生电压，这就是串扰，PCB板层的参数、信号线的间距、驱动端 和接收端的电气特性以及信号线端接方式对串扰都有一定的影响。串扰会随着时钟频率的升高和设计尺寸的减小而加大，信号沿的变化率越快，产生的串扰也越大。 串扰超出一定的值会使数字信号出现误码，可能引发电路误动作，严重时会导致系统无法正常工作甚至崩溃。


                    图3  串扰的形成示意图

● 在数字电路中，通常的时钟信号都是边沿变化快的信号，对外串扰大。所以在设计中，时钟线宜用地线包围起来，并要尽量使用低电压差分时钟信号。
● 在布线空间允许的条件下，在串扰较严重的两条线之间插入一条地线或地平面，可以起到隔离的作用而减小串扰。
● 信号不要形成环路，若无法避免则应使环路面积尽量小。
● 在布线空间许可的前提下，加大相邻信号线之间的间距，减小信号线的平行长度，时钟线尽量与关键信号线垂直而不要平行。
● 闲置不用的输入端不要悬空，而是将其接地或接电源（电源在高频信号回路中也是地），因为悬空的线有可能等效于发射天线，接地就能抑制发射。实践证明，用这种办法消除串扰有时能立即见效。


C. 地弹
地弹（GroundBounce）通常包括电压跌落和接地反弹，当系统同时转换多个引脚的逻辑状态时，会产生较大的瞬态电流，导致电源线上和地线上电压的 波动，电源电压跌落和接地反弹使信号沿出现平台，如图4所示。反弹是噪声来源之一，还可能使时序发生偏移。反弹的噪声影响着阈值的判断，严重时会使系统产 生误动作。


                     图4  地弹的形成示意图

要抑制反弹的影响，首先是想办法减小电源的摆幅，尽量选用性能好的电源，布局时可对系统进行分割，尽量减小系统中的各种电源之间的互相影响，如数字电源和 模拟电源恰当地分区，高速部分与低速部分恰当地分区，分割的目的是要重点保护高速部分。DDR部分是高速接口，对它谨慎处理是保证信号完整性的关键，低速 部分的信号完整性相对容易达到要求。
抑制反弹的另一办法是降低PCB端的分布电感量。由于电感会随导体的增长而增大，随导体宽度增长而减少，所以高速DDR电路接地回路应尽量宽广，减少其接地端回路的电感量。尽量在PCB的顶层和底层大面积铺铜，这些措施对解决反弹都能起到积极有效的作用。
要抑制反弹还有一个比较简单的方法是选择合适的位置放置去耦电容，必要时可选用高频低阻抗电容，加上适当的去耦电容能有效地抑制电源和地线上的反弹噪声。

D. DDR部分数据线等长控制
地址和控制信号是内存模块中变化最慢的一类信号，地址信号主要有A0~A12，控制信号有BA0、BA1、CAS、RAS、RS、WE 等，一个基本的地址/控制线的设计考虑就是：
保持结构平衡。即如果两边负载相同，则保证分岔的枝干走线等长；如果两边负载不等，一般则通过延长轻负载一端的走线来达到近似平衡结构。地址信号最常见的 设计是“T”形结构，既可以保证较好的信号质量，同时对布线空间的要求也比较少，是设计的首选方案，也是规范中建议的结构。其实这方面的要求在 SIGMADESIGN要参考资料里面已经说明了.

要想确保产品能长期稳定地工作，首先要可靠地传输各种信号，当DDR数据速率高达几百Mb/s时，数据窗口非常短，使得PCB布局和布线成为新的挑战，若设计不合理将会破坏信号完整性，使数据、地址和控制信号产生畸变或定时错误，严重时将导致系统误工作甚至崩溃。

E. 电源平面的基本考虑
电源平面应该：
  ●具有尽量大的可用面积
  ●具有广泛的连接
  ●与接地平面紧密耦合
  ●对称
  ●与接地平面的间隔尽量小
  ●无间断（孔或切口）
因为电感是面电容高频响应的主要限制，所以应避免电源平面面积窄小，总之目标是要有尽可
能大的面积可以用作与辅助接地平面耦合的电源平面。只要设计规则允许，器件的电源引脚就
应该具有可直接插入面内的过孔。电源引脚与面过孔之间的迹线长度应尽量短。为了降低噪
声，最好是把 BGA 封装器件中的电源平面过孔放在焊盘中。遗憾的是，除非在电路板的其他
部位已经将过孔放在焊盘中，否则在焊盘中加过孔然后再填上（以防止焊球渗入过孔）会使
PCB 的成本提高大约 10% 到 20%。
这是宇脉科技LimHD310A 6层电路板的堆栈图：

                                                      6层电路板的堆栈图



在上面那堆栈中，4个面层提供了3个去耦电容器，而去耦电容器的作用主要是去除别的辐射信号对DDR信号的干扰。

F. 阻抗匹配和差分数据线等长的考虑
8634/8635的主板有很多接口都是高速传输数据的，比如HDMI，SATA，ETHERNET，USB，这些接口的数据传输都是采用差分线，差分线 是比较敏感的，差分线受到干扰，势必影响HDMI的输出质量，降低USB的传输速率以及硬盘的可靠性，因此PCB在布差分线的时候要求做阻抗匹配以及等 长，阻抗匹配为了使数据传输的质量更好，避免因为数据传输过程中出现错误造成系统工作不正常；因为差分线是一对幅度相反的信号，数据线等长可以保证传输的 正负数据的时序同步，从而保证数据的传输速率更高。
HDMI，SATA，ETHERNET都是阻抗100欧姆，USB是90欧姆。


3）元器件的选用

0