Raspberry 树莓派 CM4模块的底板设计注意事项

1，树莓派CM4底板设计

树莓派CM4模块集成了CPU，存储器，以太网，无线模块，电源等等，大大降低了硬件设计的要求。对我们使用树莓派提供了很好的便利性。
本人近期因为项目的需要设计了一款CM4的底板，先上图：

该板子的特性主要包含：
1，提供2个USB接口，一个USB2.0 device，一个USB3.0 host
2，板子集成有一个4口的百兆以太网交换芯片。其中对外提供一个RJ45连接器接口，一个连接CM4，另外两个用来级联设备。
3，板子左右两端提供级联板卡。多个板子可以通过串行的方式连接。理论上只要电源功率足够，可以无限个板卡连接。
4，板子提供UI接口，可以外接MIPI DSI 显示屏+触摸屏。

2，参考设计

树莓派官方提供了CM4模块的底板参考设计

https://www.raspberrypi.com/products/compute-module-4-io-board/
其中大部分设计都可以直接拿来使用。
但是在独特的个人项目设计时，难免会碰到各种各样的问题，以下是本人总结的一些注意事项。

3，原理图设计的注意事项

3.1 原理图设计中碰到第一个事情是如何对CM4连接器进行标示。如图，在官方IO板子中，它是直接将CM4作为一个完整的个体来看待的，即CM4模块相当于我们设计使用中的任何一款芯片。它有400个引脚，每一个引脚都有自己的信号名称，例如102号管脚为PCIe_CLK_nREQ。如果我们直接制作一个CM4的原理图符号库，并在设计中使用它，那么在完成设计后导出的器件清单BOM中，将只有CM4模块的信息，而丢失了连接器本身的信息。

感兴趣的读者可以自己试一下导出官方IO板的BOM。

下图是本人导出官方IO板子的BOM表：它只包含了CM4，而没有包含连接器DF40C-100DS-0.4V。

为了防止在BOM中遗失连接器的信息，本人采用的方法是在原理图中使用连接器符号库而不是CM4符号库。
为了方便对比，我把两个图片并排显示：

在我的设计中，我直接创建的是DF40C-100DS-0.4V的符号库。请注意库中的管脚名称直接是数字，而不是功能名称。如管脚2，它的名字也是2，而不是PCIe_CLK_nREQ。因为我创建的DF40C-100DS-0.4V的符号库也可以使用在其他的项目原理图中，所以名称不能固定为CM4的信号名。你可能会注意到，在上图中我使用了M1来代表CM4模块本身。这样在到导出的BOM中将同时包含CM4和连接器的信息。
可能有的读者觉得上面的讨论不是一个很大的问题。因为这个完全可以通过手动在BOM中添加连接器的信息。这是建立在BOM表不经常更新的前提下。如果BOM表还没有固定的情形下，漏掉连接器的信息的可能性是非常大的。
另外一个直接使用CM库符号的缺点是，在焊接PCB的时候，PCB只有CM4的位置信息而没有连接器的位置信息。

当然我的方法也有不好的方面，那就是在原理图设计的时候，需要仔细比对每一个管脚的信号名称，同时在PCB设计的时候，如果连接器的位置需要调整，则要非常小心，确保两个连接器同时移动。

这个问题类似于硬件设计中如何在BOM中添加线缆，端子插头等等不在PCB上的器件。
对于这个问题，我在先前的博客中也有说明。感兴趣的读者可以看看以下链接。
https://blog.csdn.net/dylanZheng/article/details/110304051

3.2 注意以太网信号的正负极， TRD1 和 TRD1信号对名称是上 _P 下 _N，TRD0和TRD2信号对名称是上_N下_P。虽然以太网信号线正负极能够自适应，但是按照正常的顺序总归更符合设计要求。

3.3 CM4 IO官方板子中将所有的GPIO直接通过GPIO数来命名信号。在自己的设计中可以命名的时候更具体一点。如GPIO5 UART3 RXD，让原理图更容易阅读。

3.4 管脚78 GPIO_VRE 用来设定CM4 的GPIO电平，可以直接外接3.3V或者1.8V。但是最好串联一个0欧电阻，方便万一需要更改。

3.5 CM4 管脚84和86提供3.3V的电压输出，但是最大电流600mA, 使用它们给外部电路供电的时候，需要仔细计算功耗。

3.6 管脚57,61, 62, 63, 64, 67, 68, 69, 70,72, 75提供的SD卡信号在带有emmc模块的CM4上已经被使用（链接到了eMMC）。所以如果需要外接SD卡的话，需要另外选择其他GPIO功能管脚。例如可以使用GPIO22~27

3.7 CM4模块上自带的ethernet Phy是BCM54210，没有找到它是否支持capacitive coupling的连接方式。它和交换芯片的连接保持使用变压器的方式。

4，PCB设计的注意事项

CM4模块已经高度集成化，常见的DD接口，千兆以太网接口等已经不需要我们考虑。 CPU的电源，以及CPU上电顺序等等比较耗费时间，需要仔细设计的部分也已经集成好，不需要我们再考虑。所以CM的底板的PCB设计其实是相当简单的了。需要注意的事项也不多，这里列举几个我个人决定比较重要的。

4.1 在设计PCB板之前，需要注意CM4模块的高度。连接器DF40C-100DS-0.4V的Stacking Height 只有1.5mm。所以最好不要在CM4模块底下放置任何的元器件。电容电阻最好也不要放。一个标准的0603封装的电阻高度大约0.45mm。原则上是可以放置的，但是请注意CM4模块本身底层也有焊接元器件。下图是官方底板PCB，可以看到CM4模块下除了一个电阻，没有其他任何元器件。

如果PCB布局受限，则可以采用更高的连接器DF40HC(3.0)-100DS-0.4v. 它的Stacking Height 是3mm，所以此时在CM4模块下面放置不高于1.5mm的元器件是安全的。

如果需要放置更高的器件，则需要导入CM4的3D模型，进行精确位置对比查看。这要求能用机械工程软件或者请机械工程师帮忙查看

4.2 CM4上的无线模块天线对应着的PCB区域，需要放置keep out区域。
如下图的绿色方块区域所示

4.3 阻抗设定.
CM4对于高速差分信号有阻抗的要求。摄像头，DSI，以太网以及HDMI要求100 ohm差分阻抗，而PCIe，USB则需要90 ohm的差分阻抗。具体的阻抗与PCB厚度，材质，线宽，线距等等有很大关系。一般来讲都是需要先联系PCB制造商。根据阻抗要求，制造商一般都会提供推荐的叠层结构以及线宽线距的设定。
以下是我根据自己的需求，在某一个PCB制造商的网站上得到的设定：