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怎样根据SDIO时序图进行电路设计?

SD NAND-贴片式TF卡-贴片式SD卡-免费测试2025-06-074

根据 SDIO 时序图进行电路设计时,需要从信号完整性、时序匹配、电源管理和 EMI(电磁干扰)等多方面综合考虑。以下是具体的设计步骤和关键点:

1. 理解 SDIO 时序的关键参数

  • 时钟频率

    • 标准模式:最高 25MHz(CLK 周期 40ns)。

    • 高速模式:最高 50MHz(CLK 周期 20ns)。

    • 超高速模式:最高 104MHz(CLK 周期 9.6ns)。

  • 建立时间(Setup Time):数据在 CLK 上升沿前必须稳定的时间(通常≥2ns)。

  • 保持时间(Hold Time):数据在 CLK 上升沿后必须保持稳定的时间(通常≥1ns)。

  • 总线翻转时间(Bus Turnaround Time):主从设备切换发送 / 接收角色时的延迟(通常≥4 个 CLK 周期)。

2. 电路设计的核心要点

2.1 信号完整性设计

  • 走线长度匹配

    • DATA [0-3] 数据线长度差应控制在 ±5mm 以内,避免信号 skew 导致时序错乱。

    • CMD 线与 CLK 线长度差建议控制在 ±10mm 以内。

  • 阻抗控制

    • 单端信号线阻抗控制在 50Ω(±10%)。

    • 差分信号线(如高速模式)阻抗控制在 100Ω(±10%)。

  • 终端匹配

    • 高速模式下,DATA 线建议添加串联匹配电阻(22Ω-33Ω),减少反射。

    • CMD 线可添加并联下拉电阻(10kΩ),提高抗干扰能力。

2.2 时序匹配设计

  • 时钟驱动能力

    • CLK 信号上升 / 下降时间应控制在 5ns 以内(通过驱动电路或上拉 / 下拉电阻调整)。

    • 避免 CLK 信号过冲或振铃,可添加小阻值串联电阻(10Ω-22Ω)。

  • 总线翻转控制

    • 在 CMD 和 DATA 线切换方向时,添加足够的延时(通常≥4 个 CLK 周期)。

    • 硬件上可通过方向控制引脚(如 DIR)实现自动切换。

2.3 电源管理设计

  • 电源滤波

    • 每个 SDIO 设备的 VCC 引脚需并联 100nF 陶瓷电容(靠近引脚)和 10μF 电解电容。

    • 高速模式下建议使用低 ESR(等效串联电阻)电容,减少电源噪声。

  • 电源排序

    • SD 卡电源(VCC)需先于主机电源稳定,避免初始化异常。

    • 可通过电源管理 IC 或 RC 延时电路实现。

2.4 电平转换设计

  • 3.3V→1.8V 转换

    • 若主机为 3.3V 而 SD 卡支持 1.8V,需使用双向电平转换器(如 TXB0104)。

    • 确保转换延迟≤1ns,避免影响时序。

  • 注意信号方向

    • CMD 线和 DATA 线为双向信号,需使用支持双向转换的芯片。

3. PCB 设计建议

  • 层堆叠

    • 推荐至少 4 层 PCB:信号层 - 地平面 - 电源平面 - 信号层。

    • 地平面和电源平面紧邻信号层,提供良好的信号回流路径。

  • 走线间距

    • 相邻信号线间距≥20mil(0.5mm),减少串扰。

    • DATA 线组与其他信号保持≥30mil 间距。

  • 过孔数量

    • 尽量减少过孔,每条信号线过孔不超过 2 个(每个过孔引入约 0.5ns 延迟)。

4. 关键器件选型

  • SD 卡座

    • 选择支持目标频率的卡座(如高速模式需选择支持 50MHz 的型号)。

    • 注意卡座引脚的接触电阻(≤50mΩ)和寄生电容(≤5pF)。

  • 上拉 / 下拉电阻

    • CMD 线建议使用 4.7kΩ 上拉电阻(连接到 VCC)。

    • 初始状态下,CLK、CMD 和 DATA 线需通过电阻拉至高或低电平。

  • 去耦电容

    • 选择低 ESL(等效串联电感)的陶瓷电容(如 X7R 或 X5R 材质)。

    • 高频应用中可并联多个不同容值的电容(如 100nF + 10nF)。

5. 电路验证与调试

  • 示波器测试

    • 测量 CLK 信号的频率、占空比和上升 / 下降时间。

    • 验证 CMD 和 DATA 信号的时序是否符合 SDIO 规范。

  • 逻辑分析仪捕获

    • 捕获完整的命令 - 响应序列,检查 CRC 校验和数据完整性。

    • 监测总线翻转期间的信号状态,确保无竞争条件。

  • 功能测试

    • 执行读写测试,验证数据传输的准确性。

    • 在不同温度和电压条件下测试稳定性(工业级应用需覆盖 - 40℃~+85℃)。

6. 常见问题排查

  • 初始化失败

    • 检查 CLK 信号是否正常(频率、占空比)。

    • 验证 CMD 线的上拉电阻和电平转换。

  • 数据传输错误

    • 检查 DATA 线的阻抗匹配和走线长度。

    • 增加 CRC 校验和错误重试机制。

  • 高速模式不稳定

    • 检查电源噪声和纹波(需≤50mV)。

    • 优化时钟信号质量,减少抖动。

电路设计示例

以下是一个简化的 SDIO 电路设计示例(1 位模式,3.3V 系统):

图片.png

这个设计涵盖了基本的连接、上拉电阻和去耦电容。实际应用中,需根据具体设备和频率要求进行调整。

通过以上步骤,可确保 SDIO 电路在时序、信号质量和可靠性方面满足设计要求,实现稳定的数据传输。

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