2023年SD卡设计基础指南.pdf

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1、 1/16 SD 卡设计基础指南 版本编号 变更内容 变更人 变更日期 V1.0 初始发布 2012.12.20 V1.1 update 2013.12.20 V1.2 2/16 目录 1、概 述.3 2、SD 卡硬件设计规范指导.3 2.1 SD 卡接口总线分类.3 2.1.1 SD 总线拓扑.4 2.1.2 SPI总线拓扑.4 2.2 SD 卡接口定义.5 2.3 SD 卡工作原理以及总线协议.7 2.4 SD 卡典型应用电路图.8 2.7 SD 卡 PCB布局与走线规范.10 3、SD 卡规格总览.13 3.1 SD 卡种类.13 3.2 总线速.13 3.3 智能型 SDIO（iSDI

2、O，无线局域网络 SD）.15 4、SD 卡的测试.16 5、参考文献.16 3/16 1、概 述 SD 卡全名：Secure Digital Memory Card，它是由日本松下、东芝及美国 SanDisk公司于 1999 年 8 月共同开发研制，具有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及很好的安全性。SD 存储卡是特别为符合新出现的音频和视频消费电子设备的安全性、容量、性能和环境要求而设计的一种存储卡，它有比较高的数据传送速度，而且不断更新标准。SD 卡系统是一个新的大容量存储系统，基于半导体技术的变革。它的出现，提供了一个便宜的、结实的卡片式的存储媒介，为了消费多媒体应用。S

3、D 卡可以设计出便宜的播放器和驱动器而没有可移动的部分。一个低耗电和广供电电压的可以满足移动电话、电池应用比如音乐播放器、个人管理器、掌上电脑、电子书、电子百科全书、电子词典等等。它使用非常有效的数据压缩比如 MPEG，SD卡可以提供足够的容量来应付多媒体数据。SD 卡在 24mm*32mm*2.1mm 的体积内结合了快闪记忆卡控制与 MLC 技术和东芝的 NAND 技术，通过 9 针的接口与专门的驱动器相连接，不需要额外的电源来保持其上的记忆信息。无论是听音乐、摄影、拍照、存档、或使用智能型手机，SD 规格让制造商每天用效能更高的产品，传递更美好的日常使用经验给上百万个消费者。作为一种产业通

4、用技术标准，SD 提供移动储存产业一个多元化的市场区隔应用，包括：移动电话、数码相机、MP3 播放器、个人计算机个人电脑、平板计算机平板电脑、列表机打印机、汽车导航系统、电子书、以及更多消费性电子设备。目前华阳通用的 SD 卡主要应用在导航数据存储以及娱乐影音方面，高质量的 SD 卡硬件设计对于公司的导航产品起着非常重要的作用。2、SD 卡硬件设计规范指导 SD 卡的接口设计主要从工作原理、分类、原理图设计，ESD 设计、PCB 注意事项等方面来逐一讲解。作为车载影音娱乐系统的开发，离不开 SD 卡的应用，好的硬件设计会减少后续不必要的麻烦。严格的设计规范，增强产品的可靠性，有效的降低公司的开

5、发成本以及售后服务成本。2.1 SD 卡接口总线分类 SD 卡的接口可以支持两种操作模式：1）SD 卡模式；2）SPI 模式。主机系统可以选择其中任一模式，SD 卡模式允许 4 线的高速数据传输。SPI 允许简单通用的 SPI通道接口。SD 模式多用于对 SD 卡读写速度要求较高的场合，SPI 模式则是以牺牲读写速度换取更好的硬件接口兼容性。由于 SPI协议是目前广泛流行的通信协议，大多数高性能单片机都配备了 SPI 硬件接口，硬件连接相对简单，因此，在对 SD 卡读写速度要求不高的情况下，采用 SPI模式无疑是一个不错的选择。目前公司用的比较多的是第一种，即 SD 卡模式，所以本文后续讲到的

6、内容主要是以 SD 卡模式为主。目前市面上的 SD 卡的 class 规格如下：4/16 Class 0：未定义它的传输速度！Class 2：定义它的传输速度大于等于 2MB/sec Class 4：定义它的传输速度大于等于 4MB/sec Class 6：定义它的传输速度大于等于 6MB/sec Class 10：定义它的传输速度大于等于 10MB/sec 协议中还规定了 SDHC 和 SDXC 这两类卡的传输速度应当大于等于 2MB/sec。2.1.1 SD 总线拓扑 SD 卡总线有一个主机、多个从机和同步的星形拓扑结构，所有卡共用时钟、电源和地信号。命令（CMD）和数据（DAT0DAT3

7、）是卡的专用信号，为所有卡提供连续的点对点连接。在初始化过程中，CMD 被分别发送到各张卡，允许应用程序检测到卡并向卡槽分配逻辑地址。各张卡的数据通常独立地发送或者接收，但是为了简化卡的成批处理，在初始化进程后，所有命令可能同时发送到所有卡。图 1 SD 卡总线拓扑图 2.1.2 SPI 总线拓扑 SD 卡兼容的 SPI通信模式使 SD 卡可以通过 SPI与市场上的许多微控制器通信。这个接口在上电后的第一个复位命令期间选择，而且在上电期间不能修改。SPI标准只定义了物理链路而不是完整的数据传输协议。SD 卡的 SPI共跟你过使用相同的 SD 模式命令集。从应用的观点来开，SPI模式的优点是能使

8、用现成的主机，因此将 5/16 设计工作量降至最低，但是缺点是性能有所损失，例如不能像 SD 模式一样选择总线的宽度。和其他 SPI设备一样，SD 存储卡的 SPI由以下 4 个信号组成：CS：主机发送的片选信号 CLK：主机发送的时钟信号 DATAIN：主机向卡发送的数据信号 DATAOUT：卡向主机发送的数据信号 图 2 SPI模式总线拓扑图 2.2 SD 卡接口定义 SD 卡的外形如下作图所示，它的定义针脚如下右图所示。6/16 图 3 SD 卡以及 micro SD 外形图和定义图 SD 卡&TF卡针脚定义如下表所示：图 4 SD 卡 SD 模式针脚定义 序号 名称 类型 描述 1 D

9、AT2 I/O/PP 数据 bit2 2 CD/DAT3 I/O/PP 侦测/数据 bit3 3 CMD PP 命令 4 VDD S 电源输入 5 CLK I 时钟 6 VSS S 接地 7 DAT0 I/O/PP 数据 bit0 8 DAT1 I/O/PP 数据 bit1 图 5 micro SD 卡定义 其中主要的引脚功能为：CLK：时钟信号，每个时钟周期传输一个命令或数据位，频率可在 025MHz 之间变化，SD、卡的总线管理器可以不受任何限制的自由产生 025MHz 的频率。CMD：双向命令和回复，命令是一次主机到从卡操作的开始，命令可以是从主机到单卡寻址，也可以是到所有卡；回复是对之

10、前命令的回答，他可以来自单卡或者所有卡。DATA03:数据线，数据可以从主机传向从卡也可以从从卡传向主机。SD模式 SPI 模式 序号 名称 类型 描述 名称 类型 描述 1 CD/DAT I/O/PP 侦测/数据 bit3 CS I 片选 2 CMD PP 命令 DI I 数据输入 3 VSS1 S 接地 VSS S 接地 4 VDD S 电源输入 VDD S 电源输入 5 CLK I 时钟 SCLK I 时钟 6 VSS2 S 接地 VSS2 S 接地 7 DAT0 I/O/PP 数据 bit0 DO O/PP 数据输出 8 DAT1 I/O/PP 数据 bit1 RSV 9 DAT2 I

11、/O/PP 数据 bit2 RSV 7/16 2.3 SD 卡工作原理以及总线协议 图 6 SD 卡内部构造图 图 7 SD 卡连接原理框图 SD 存储卡总线有一个主机（应用）、多个从机（如图 1）和同步的星形拓扑结构。所有卡共用时钟、电源和地信号。命令和数据是卡的专用信号，为所有卡提供连续的点对点连接。在初始化进程中，命令被分别发送到各张卡，允许应用程序检测到卡并向物理卡槽分配逻辑地址。各张卡的数据通常独立地发送（接收）。但是，为了简化卡的成批处理，在初始化进程后，所有命令可能同时发送到所有卡，命令包中提供地址信息。8/16 SD 总线允许动态配置数据线的数量。在上电后，SD 卡默认只使用

12、DATA0进行数据传输。初始化后，主机可以修改总线宽度（有效的数据线数量）。这个特性允许简单地交替选择硬件成本和系统性能。SD 卡主机在不使用 DAT1DAT3 时可以使自己的 DAT1DAT3 线处于三态输入模式。SD 总线上的通信基于以起始位开始、以停止位结束的命令和数据位流。命令：命令是启动一项操作的令牌。他可以从主机发送到一张卡或发送到连接的所有卡。命令在 CMD 线上串行传输。响应：响应时从被寻址的卡或从所有连接的卡发送到主机，作为对接收到的命令的回答的令牌。响应在 CMD 线上串行传输。数据：数据可以从卡发送到主机或者相反，数据通过数据线传输。2.4 SD 卡典型应用电路图 目前公

13、司的 SD 卡硬件电路主要分为 GPS导航地图数据 SD 卡以及娱乐影音 SD 卡读卡器，主要的设计是通过排线连接到面板的小板上。图 8 SD 卡硬件设计典型应用电路 9/16 图 9 TF卡硬件设计典型应用电路 2.4.1 SD 卡电源设计要求 SD 卡工作的电压典型值为 3.3V，但是在极限工作电压 2.7V3.6V 之间应该能正常工作，如下表。参数 符号 最小 最大 单位 条件 工作电压 VDD 2.7 3.6 V 输出高电平 VOH 0.75*VDD V IOH=-2mA VDD Min 输出低电平 VOL 0.125*VDD V IOL=2mA VDD Min 输入高电平 VIH 0

14、.625*VDD VDD+0.3 V 输入低电平 VIL VSS-0.3 0.25*VDD V 电源上升时间 250 ms 从 0V到最小 VDD 电源功耗 500 mA 图 10 SD 卡硬件设计电源需求表 其中其电源的上升时间也有严格的要求，从低电平上升到 0.75VDD时候即最小工作电压的时间不能超过 250ms，此项指标可以通过示波器触发抓出其上电时的波形。10/16 图 11 总线信号电平特征图 2.4.1 SD 卡设计其他要求 如上图 8&图 9，可以作为公司一般的设计参考电路，需要注意的事项是：1、ESD器件的 CHASSIS GND 应该与其他的 GND 尽量分开，可以采用一颗

15、磁珠隔离。并且 ESD器件尽可能的靠近卡座放置，布置好足够的静电放电通道。2、SD 卡 DATA03以及 CMD 信号线建议串联 33ohm 电阻，然后需要通过 10kohm to 47k ohm 电阻上拉到 3.3V（此处根据不同的芯片来确定，如果内部有上拉，此处可以省略掉）。3、SD 卡供电电源 3.3V 电源需要增加 0.1uf 去耦电容，尽可能靠近 SD 卡座。4、WP 写保护检测信号可根据实际情况看是否需要连接系统。5、每个信号线上的总负载电容：CL 40PF（CHOST+CBUS 30PF，CCARD 10PF）；特别注意对于增加的抑制 EMI 作用的器件，尽量选择结电容小于 5P

16、F 以下的器件。2.5 SD 卡 PCB 布局与走线规范 下图中，展示了我们 SD卡 PCB走线的框图，其中 HOST是我们 SD卡的主控芯片端，L0 是芯片内部锡球（ball）到外面过孔的距离，走线不要超过 500mils;L1 是过孔到匹配电阻之间的距离，一般 500milsL1750mils;L 2是匹配电阻到排线插座的距离，一般为 L2100mils;L 3是带状线或微带线的距离，一般为 500milsL36650mils;L 4是带状线或微带线到卡座的距离，一般为 L4500mils;其中 Total Maximum Length(L0+L1+L2+L3+L4)为 8500mils,

17、即 216mm;匹配电阻一般为48.7ohm+/-1%图 12 SD 卡走线拓扑图 在 SD 卡 PCB布线的过程中，我们需要注意以下事项：1、SD 卡走线的总长度必须兼顾任何一款 SD/SDIO卡的走线，总的布线长度往往需要根据不同的卡而分别设定。2、串联电阻的作用是提高信号的质量或者是 EMI 问题，其中串联电阻需要放置在距离主控制芯片尽可能近的地方，一般建议为 33ohm.3、信号线阻抗建议控制为 55ohm+/-10%.11/16 4、布线的顺序是按照卡座，ESD器件，串联匹配电阻，然后是主控芯片。5、为了确保系统的稳定，建议晶振相关器件避免受到其他信号线的干绕，尤其是应该避开一些高频

18、率和大幅度的信号线.最好是晶体下的各个 PCB 板层都是地，而没有活动的信号线穿过.从 EMC 角度考虑，SDIO（包括时钟）线与线之间应保持一定的距离，避免受串绕，如果空间允许，SDIO_CLK 应包地处理，另外，在 SDIO 上串电阻，以减小过冲，而且电阻尽量靠近主控端.从源头减少过冲的办法是注意优化系统的电源。6、对于 SD 卡的小板设计，注意结构螺丝孔尽量使用花孔，使金属螺丝能够尽可能与外壳相连，有利于 ESD的防护。2.5.1 SD 卡信号测试 信号测试主要包括电源测试和时钟等信号的测试，其中电源测试在前面已经讲到过，主要是工作电压应该保证在 2.73.6V 之间能正常工作，并且上升

19、时间应该保证在 250ms 范围以内。图 13 高速模式下 BUS timing 1、电源上电测试 根据 SD 卡上电的规范要求 Tr250ms，如下图所示。12/16 图 14 Power up 上电时序要求 2、时钟和数据测试 以下为创见 21nm 制程的 TF卡时钟信号和数据测试的波形 图 15 SD 卡信号测试波形 序号 参数 数值 1 时钟频率 47MHz 2 时钟上升时间 2.991ns 3 时钟下降时间 2.069ns 4 数据上升时间 1.658ns 5 数据下降时间 1.457ns 由规格书可知：CLK在 050MHz 时，CLK上升/下降时间 3ns，故测试满足要求.13/

20、16 3、SD 卡规格总览（扩展内容）3.1 SD 卡种类 目前市面上的 SD 卡大致分为以下几种，公司常用的是 SDHC，不过随着后续 3D 地图的推广，数据的存储量会越来越大，SDXC的存储卡将会占据主导地位。最新推出的记忆卡规格 SDXC，因其采用的 exFAT file 档案系统可处理巨型数据，不仅将原有的记忆卡32 GB 上限，大幅推展到 2TB，更显著地改善了消费者的数字生活型态。这套规格在 UHS-I主机的汇排流速度增进到每秒 104MB、UHS-II也增加至 312MB，UHS速度等级也相同可用于 SDXC记忆卡与设备。SDXC的延展性将提供更大的储存空间并更加地行动化，以更高

21、的速度支持消费性电子设备、行动设备及工业设备的最新功能与规格。SDXC也提供了消费者一个极具价值的选择，只需要用 SDXC 来升级既有设备，无须进行不必要的电子商品汰换。另外一方面，对于产品开发者来说，SDXC也提供您产品在储存空间上的更多变化性，协助您创造产品更多样的可能空间。图 10 SD 卡的三种容量规格 因为现今电子设备性能差异繁多、功能日益丰富的需求，SD 协会推出拥有较高速度等级的总线接口(I/F)，及其最低小写入速度规格给 SDHC与 SDXC记忆卡。最高速度等级会受总线接口而有所差异，其变异范围取决于记忆卡的效能。而平均速度则可能受制于设备本身写入至 SD 记忆卡的运作效能。3

22、.2 总线速 速度等级也会视数据以何种形式储存于 SD 记忆卡而定，正常与高速度等级的记忆卡皆可使用于 UHS-I 的主机上，但是，如要使 UHS-I 主机达到 UHS-I 高速效果，须搭配 14/16 UHS-I 记忆卡使用。图 11 SD 卡速度等级标志 图 12 SD 卡总线速 其中 UHS-II 总线接口采用新的 Pin 角配置设计，在标准尺寸的 SD 记忆卡与 microSD记忆卡上，新增加的第二排 Pin 角配置是设计给 UHS-II 信号使用。第一排 pin 角是用在(预设速度、高速度、和 UHS-I 总线接口信号的传输，以提供与既存非 UHS-II 主机装置间的兼容性。图 13

23、 UHS-II Pin 角配置 以下为 SD 卡不同的总线速的相关应用范围 15/16 图 14 SD 卡不同总线速的应用 3.3 智能型 SDIO（iSDIO，无线局域网络 SD）智能型 SDIO（Intelligent SDIO）技术，也就是一般消费者所认知的无线局域网络 SD卡（Wireless LAN SD），是为使存储卡能与其它符合 IEEE802.11（a/b/g/n）通讯协议的设备、家庭网络及云端服务器同步沟通而开发。并且，无线网络 SD 记忆卡的首要应用目标是将无线 LAN、快闪记忆卡及 MPU 模块，整合至一个套件，成为一般 SD 记忆卡的标准规格。无线局域网络 SD 技术可

24、让您的 SD 存储卡更加智能，足以透过简单的主机设备操作，执行复杂的沟通任务。透过这张无线网络 SD 卡，消费者能够使用目前市面上大多数的数码相机、摄像机，用下列的方式来无线传输照片与视频：1、两台数码相机间的点对点档案传输 2、将影像上传至云端服务 3、与智能手机、平板电脑及电视组成家庭网络 图 15 智能型 SDIO 本 SD 卡高度集成闪存，具备串行和随机存取能力。可以通过专用优化速度的串行接口访问，数据传输可靠。接口允许几个卡垛叠，通过他们的外部连接。接口完全符合最新的消费者标准，叫做 SD 卡系统标准，由 SD 卡系统规范定义。16/16 4、SD 卡的测试和检查 SD 卡的测试主要参照 SD 卡来料检测标准 SD 卡设计检查表参照 SD 卡设计 checklist 5、参 考文献 1、SD 卡规格书，SD 卡规范，www.sdcard.org.2、Intel SD 卡设计规范