什么是多板設計？

2021-08-16

什么是多板設計？

當您為您的電路板使用最好的 PCB 設計軟件時，創建多電路板系統會容易得多。您在設計軟件中需要的 PCB 工具集包括標準電氣實用程序以及 MCAD 集成，以確保您的電路板正確配合。在這個簡短的指南中，我們將介紹在您的設計中定義連接的一些基本方面，同時還確保設計中的信號完整性。無論是使用標準的剛性多層 PCB 設計和布局，還是更多涉及的柔性/剛柔結合電路板，您都需要一些基本的設計工具集來確保您的設計按預期工作。

規劃您的多板 PCB 系統設計

用于多板組件的原生 3D PCB 設計

多板系統中的路由

多板設計從系統中每個板的機械輪廓以及它們如何相互連接的計劃開始。您的連接方式可能涉及簡單的標準化連接器，例如夾層連接器或排針，或集成邊緣連接器。一旦確定了這些點，就需要制定布局和布線策略，以便組件可以在整個設計過程中正確地相互連接，而不會產生 EMI/EMC、SI/PI 和機械振動問題。閱讀以下部分，了解如何開始高速設計以及 PCB 設計軟件的重要作用。

規劃您的多板 PCB 系統設計

設計多板 PCB 布置是一個系統級設計項目，涉及定義系統中所有板之間的連接。開始對多板 PCB 系統進行布局規劃的一個好的過程如下：

確定董事會安排：董事會將如何相對于彼此定向？系統是否有需要以某種方式與板交互的移動元素？機械建模需要在這個階段開始，并將決定設計如何 

選擇連接器：您的電路板會與現成的板對板連接器、邊緣連接器、柔性帶或電纜互連嗎？需要選擇連接器以支持您所需的電路板布置，同時仍然適合您的外殼。

確定電路板功能：理想情況下，多板系統中的每個電路板都將執行特定功能，并且應僅包含支持該功能所需的組件。這可能會迫使您重新考慮您的電路板排列和連接器選項，因此在決定將哪些功能放置在哪些電路板上時要考慮到這一點。

跨連接器映射信號：每個連接器都應支持特定信號或信號組，并確保設計中的信號完整性。引腳分布可在此階段確定，并可在連接器的原理圖符號上定義。

開始創建原理圖：為了保持條理，最好將原理圖分段，以便它們反映您的電路板在多板系統布局中的排列。每組原理圖應僅包含來自單個電路板的組件，來自不同電路板的組件不應放置在相同的原理圖表中。

在為系統中的每塊電路板創建原理圖后，是時候開始為每個電路板創建物理 PCB 布局了。遵循 PCB 設計的標準流程將您的組件導入您的設計并將它們放置在每塊電路板周圍。此時，可以將連接器放置在 PCB 上的預期位置，并且可以在特定組件上定義邊緣連接器。

一些多板 PCB 設計和布局將使用邊緣連接器在兩塊板之間建立電氣連接。

在開始布線組件之前，重要的是開始考慮您的機械要求，以及在布局完成后您是否仍然可以將設計放入其預期的外殼中。這樣做需要使用外殼模型和系統中的每個板，以確保沒有干擾，并且板將按預期安裝在一起。

用于多板組件的原生 3D PCB 設計

某些測量和建模在 2D 中非常困難，這會在電路板、組件和外殼之間產生干擾風險。在多板 PCB 設計中，PCB 組件涉及多個板，并且設計中的板之間或系統中的組件、電纜和其他元件之間可能存在不需要的干擾。防止這種情況的最佳方法是在設計過程中加入機械回測，以確保沒有干擾。

在回查過程中，會使用 MCAD 工具在 3D 中自動檢查間隙，這些工具會檢查您的電路板、外殼和組件的 3D 模型。MCAD 軟件和 PCB 設計功能中的標準 3D 建模文件格式是 STEP 模型。通過為設計中的每個組件組合 STEP 模型，您的設計軟件可以創建電路板的真實模型。

Altium Designer 允許用戶在多板 PCB 系統中定義板對板連接。

如果您與機械設計師合作構建您的多板設計，他們應該為設計提供 PCB 外殼的模型。然后可以將其導入您的 PCB 設計軟件，以在您的 ECAD 工具內執行干涉檢查。另一種選擇是導出電路板的 STEP 模型或 IDF 文件，然后可以將其導入 MCAD 應用程序進行回查。企業級團隊的標準工作流程是讓 MCAD 用戶執行回溯檢查，以便驗證組件放置。

在所有板上的初始布局完成并檢查干擾后，設計就可以進行布線了。多板系統需要對高速信號和低速數字協議進行一些重要的布線考慮，以確保信號完整性。

多板系統中的路由

在每塊電路板中，應在設置初始設計規則、計算任何所需的阻抗曲線并將設計設置為適當的布線模式后執行布線。雖然并非每個電路板上都存在高速接口，但它們可以通過邊緣連接器、電纜、柔性帶或板對板連接器在多板系統中的板之間布線。較慢的單端信號（例如，來自 GPIO）或總線協議也可以通過電纜和板之間進行路由。但是，必須注意確保均勻接地并防止可能出現的信號完整性問題。

在多板系統中定義基礎

就像在其他 PCB 中一樣，需要明確定義多板布局中的接地，以確保信號的可布線性。在板之間布線信號路徑時，請使用以下過程來確保在整個系統中強制執行一致的接地電位：

在每塊板上使用接地層來提供清晰的特征阻抗，提供屏蔽以抑制 EMI/串擾，并有助于在 PDN 中提供強大的去耦。

在兩塊板之間布線時，在連接器上包括接地連接，以便連接每個電路板中的接地區域。這將為連接器或電纜提供屏蔽。

對于帶狀電纜或雙絞線電纜，請考慮在信號之間使用交錯接地，以在布線路徑中提供清晰的參考和更強的屏蔽。

在跨多板系統中電路板設計之間的連接布線時，這種簡單的接地使用是信號完整性的重要組成部分。這有助于在多板 PCB 設計和布線中定義一致的阻抗、返回路徑和串擾抑制。如果您遵循了這些步驟，當您在電路板之間和通過電纜布線時，您更有可能保持單端信號的信號完整性。

當多板系統中 PCB 的接地區域可以通過連接器輕松橋接時，兩塊板將處于相同的接地電位，并且可以在連接的每一側準確讀取信號。

不幸的是，有些多板系統的拓撲結構無法提供此類接地連接。當系統物理分布在多個機柜上，而不是將所有板連接在同一個機柜中時，通常會出現這種情況。然而，有時電路板以菊花鏈形式連接在同一個機柜中并提供高功率，在這種情況下，設計可能會產生安全和可靠性問題，而這只能通過差分對布線來解決。

為什么在多板設計中使用差分協議

在工業系統等長電纜上布線時，更好的方法是使用差分協議進行布線。電路板之間具有接地連接的較大系統，特別是在接地可承載高電流的直流系統中，可能存在安全隱患，并可能導致電纜損壞，因為電纜會在接地連接中散發高熱量。

在與電纜連接的較大系統上使用屏蔽的情況下，特別是在串聯電路板的線性排列中，每個電路板中的接地層應隔離而不是相互連接。相反，底盤和接地連接應用于屏蔽，而不是 PCB 接地層。然后，為了在板之間路由信號，應使用差分對，因為它們可以適應多板系統中板之間的接地偏移。

在多板系統中使用差分協議的主要原因是它們在系統中的兩個電路板之間布線時不需要清晰的接地參考。一旦差分對回到電路板上并讀取差分信號，就可以恢復數據，而無需擔心布線期間發生的接地偏移。多板系統中 PCB 之間布線的常見差分協議包括 CAN 總線、以太網和 RS485。

將差分對用于更長的電纜鏈路，尤其是在無法實施屏蔽的情況下。

當您需要構建先進的高速數字系統同時確保保持信號完整性和電源完整性時，請使用基于規則驅動設計引擎的最佳高速設計和布局工具集。無論您需要布局密集的單板計算機還是復雜的混合信號 PCB，最好的 PCB 布局工具都將幫助您在創建多板設計和每個電路板的 PCB 布局時保持靈活性。