不断减小电信OEM的电路板尺寸

2006-05-07 15:49:57来源: 电子产品世界

    为了跟上Internet爆炸性增长和语音业务日益普及的发展势头,电信公司正在寻找新的和更好的途径,以便将更多的设备安装在中心电话局和布线室内。在陆地、海洋上,正尽可能快地铺设光纤,相应地也要构建更多的基础设施,充分发挥光纤的作用。这种形势导致电信OEM必须在有限的空间实现更多的功能。

    向电信行业提供电路板级产品的生产厂正重整旗鼓,以满足减小电路板尺寸和提高元件密度等各种方案,为更有效地利用机柜空间的新型系统提供更多的产品。CompactPCI单板计算机(SBC)和PC型母板(此后简称母板)能迅速满足电信行业的特殊要求,必将有更多的用武之地。

选择方案

    电信OEM视长寿命母板为企业任务的低成本解决方案。这些母板的尺寸规格与台式PC母板相同,但设计得更为坚固,具有5年以上的使用期。生产厂在制作中使用高质量元件,为电路板质量的可靠保证奠定了基础,还可在预定时间内连续提供电路板和元件。此外,生产厂在改变元件时会事先通知OEM,与OEM一起研究对象,确保替换的元件适合OEM的应用。

    母板虽不象Compact PCI具有固有的灵活性,但可让OEM充分利用批量大,消费推动的PC市场逐渐形成的先进技术特性。同时,它还可让OEM使用可在较长时间内流行的产品。为了满足OEM的要求,应仔细地选择传统的I/O组件(串,并口、视频率接口及IDE口等)。附加和选件包括Ethernet控制器、平面显示器接口。

    CompactPCI设计成模块化结构的一部分,留给OEM更大的灵活性和升级能力。然而,其成本高出母版3~5倍。CompactPCI在中心电话局的使用日益增多,它有更多专用的选件,如密布DSP芯片阵列的子板,可完成语音压缩和回波消除功能。为了增加性能,有时也使用双处理器。

    CompactPCI是按NEBS(网络设备建立规范)标准构建的,该标准规定了各项环境参数,如冲击、振动、温度和湿度。研发CompactPCI的本意是在灵活的,高密度的系统中充分利用为台式系统研发的硅器件和软件。

    生产厂也开始提供节省空间机箱选件。母板可放置在高度不到2″的IU机箱内,机箱放在传统的19″的机柜内,占用的面积比常规的4U台式机箱还小。Compact PCI系统占用的底部面积还不到其它系统的一半。

    除了向OEM供应积木块系统,包括各种电路板和可集成的机箱,生产厂还涉足减少占用面积和提高元件密度。这些是由OEM的需求推动的,只能OEM才能确定取舍。解决方案是在不断发展的,系统的配置应有足够的灵活性,尽量减少系统的升级,使产品有较长的使用期。追求产品更小是永远不变的要求。

减少尺寸的几项工艺技术

    随着时间的推移,PC母板的标准规格已从ATX 规格减小到FLexATX规格。尽管Compact PCI 规格是固定的,减少母板尺寸的相同技术也可让CompactPCI 板实现更多的功能。目的永远是提高功能和性能的空间密度。下列工程技术是生产厂用来提高密度所采取的几项措施。

    元件集成:从最底层开始,尽可能地使元件数最小。除了采用标准的现货处理器和支持芯片组,如果价格合理,常常设计定制芯片。设计时应权衡定制硅器件与附加开发成本两者的利弊关系。

    多层印制板:减少元件数后,下一个任务是尽可能密集地将它们安置在印制板上。空间密度受到安置连线的实际面积的制约。解决方案是多层印制板。考虑到成本的因素,标准母板设计是4层印制板。而CompactPCI 板极有可能是8~10层。

    人工布局:节省实际面积的关键是高效地布放电路的印制线。尽管高级软件工具有自动布线功能,但没有一种工具能超过优秀 CAD工程师达到的布线密度。CAD工程师善于发现最佳的印制线路由,同时充分了解每条线上的信号类型。良好的布局对电路正常工作是十分重要的。

    正确使用接地面、知道如何布放传输线是信号良好隔离的必要保证。随着处理器速度的增加和印制线更加密集,印制线本身也成为电路中的一个元件。因此,CAD工程师应具备模拟设计技术和传输线理论的坚实基础,确保去耦是良好的,信号延时不致过长。

设计难题

    随着电路板密度的增加,设计难题也随之增加。增加元件密度导致下列问题:

    热性能。由于元件是如此密集,必须在设计的早期解决好热耗散的问题。在母板的设计场合,温度分布是利用放置在电路板各处发热点上的温度探头求得的。软件模拟能在设计阶段的早期发现故障点。一般地,电路板是按55 ℃室温设计的。在某些场合,生产厂还规定其它的附加要求,如通过电路板的气流量,或卡间的间距,确保各个元件的温度保持在规定的工作范围内。

    功率。由于电路板不断地向高密度功能发展,因此总的趋势朝着每平方英寸有更大的功率的方向发展。当然,在这个趋势中也存在拉锯效应。一方面,随着越来越多的元件挤塞在占有面积上,以及处理器速度的增加,两者都要求增加功率;另一方面,新工艺技术可减少线宽,降低了功率要求,使功率电平得以减少。这种过程周而复始地重复着。

    EMC。电磁兼容性(EMC)设计在很大程度上仍然是一门难以捉摸的艺术,需要有模拟电路理论的坚实基础和大量的实践经验。随着性能的提高和速度的增加,隐藏着很多潜在的电磁干扰。除了电路板的合理布局外,还要特别考虑I/O连接的屏蔽,以及在安装电路板后让屏蔽更好地和机箱接触。

    样口板在机箱内进行预扫描和相应的电磁测量,以便尽早地发现问题。然后再利用独立的测试实验室测定半成品板的性能。最后,还要对成品板进行测试,并通过FCC与CE认证。

设计折衷方案

    生产厂和OEM都要考虑某些折衷方案。其中一种是质量与成本。在多数场合,OEM是根据服务的市场来作出决定的。例如,电路板上最先失效的元件可能是电解电容。这是由于电解电容最终会随时间而先行失效。钽电容不存在这个问题,但是它的从产品设计到实际投产的时间较长,成本更高。对目前可使用的钽电容来说,虽然它们是较好的选择,但对母板的设计意义不大。当然,在CompactPCI场合,成本并不重要,因而钽电容带来的从产品设计到实际投产的时间是决定的因素。

    双方还要对性能的增、删作出取舍。生产厂通常以标准定义作为开端,尽量使设计平台对巨大的市场有更大的吸引力,然后再聆听OEM的要求。要是客户的要求有所不同,且具有合理成本的批量,生产厂则按客户的要求来增加或删除某些功能,最常见的例子有是否要设置一个或两个Ethernet 接口,额外的串口或用户扩展口,如PCI Mezzanine卡。最终由用户来决定功能的增、删。

成功的保证

   
除了好的设计,生产厂应采取必要的步骤来确保最终产品的质量。首先,和元件供应商建立密切的关系是极其重要的,特别是在客户希望生产厂在规定年限内供应产品时。元件必须通过质量认证,当供应商将元件淘汰后,要能找到合适的替代品。良好的关系是杜绝供应、成本、质量种种问题的可靠保证。

    高质量元件和保持满意的供应商名单(VAL)使生产厂能够控制产品的元件价格和整体质量。AVL 有任何变化时也能及时通知客户,让他们对产品的影响作出判断。EMC问题、软件兼容性和性能是客户关心的问题,其受元件变化的影响。

    测试也是个问题。设计阶段使用设计验证测试(DVT)。DVT小组想方设法证实第三方驱动器(网络、视频、音频、芯片组等)在各种操作系统中的可用性,操作系统包括:Microsoft Windows 98 、2000与 NT Sun Solaris; Linux以及商用实时操作系统。

    电路板本身也设计成可测试的,在布局阶段充分考虑使用自动测试装置。在生产过程中,将电路板放置在“针床”上,通过测试点接入自动测试装置。诊断工具测出短路、开路,并能测试元件参数。此外,对每块已制作完的电路板进行功能测试,大大降低了现场的故障率。

    在环境测试中完成极限测试。在此过程中,温度在其极限值之间循环,同时电压也在极限值之间循环。

    应OEM的要求,CompactPCI进行老化试验,但对母板,很少采用此类试验。由于生产厂使用高质量的元件,在生产过程中进行了广泛的测试,老化试验中损坏的元件数不多,不致增加额外的成本。

IPMI选项

    生产厂应让智能平台管理界面(IPMI)作为CompactPCI板的一个选项。该系统具有查询系统中各个元件状态的功能。它最初是为大型服务器系统设计的,以便解决大型、复杂的计算机平台管理问题。在电路板级,它在电路板上设置了独立于正常电路板功能的微控制器。目前,它还不是母板的一个选项,但未来专为电信市场设计的母板将包含此功能。

    减少电路板的实际尺寸并不能完全满足电信行业日益增长的容量和基础设施的要求,但这毕竟是良好的开端。生产厂为OEM提供标准部件和选择方案,让他们设计出符合要求的最佳解决方案。这样,不仅能在每平方英尺中获得最佳的性能,而且具有系统升级和长使用期的灵活性。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/fpgaandcpld/200605/2568.html
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