什么是多(duō)板设计？

2021-08-16

什么是多(duō)板设计？

当您為(wèi)您的電(diàn)路板使用(yòng)最好的 PCB 设计软件时，创建多(duō)電(diàn)路板系统会容易得多(duō)。您在设计软件中需要的 PCB 工具集包括标准電(diàn)气实用(yòng)程序以及 MCAD 集成，以确保您的電(diàn)路板正确配合。在这个简短的指南中，我们将介绍在您的设计中定义连接的一些基本方面，同时还确保设计中的信号完整性。无论是使用(yòng)标准的刚性多(duō)层 PCB 设计和布局，还是更多(duō)涉及的柔性/刚柔结合電(diàn)路板，您都需要一些基本的设计工具集来确保您的设计按预期工作。

规划您的多(duō)板 PCB 系统设计

用(yòng)于多(duō)板组件的原生 3D PCB 设计

多(duō)板系统中的路由

多(duō)板设计从系统中每个板的机械轮廓以及它们如何相互连接的计划开始。您的连接方式可(kě)能(néng)涉及简单的标准化连接器，例如夹层连接器或排针，或集成边缘连接器。一旦确定了这些点，就需要制定布局和布線(xiàn)策略，以便组件可(kě)以在整个设计过程中正确地相互连接，而不会产生 EMI/EMC、SI/PI 和机械振动问题。阅读以下部分(fēn)，了解如何开始高速设计以及 PCB 设计软件的重要作用(yòng)。

规划您的多(duō)板 PCB 系统设计

设计多(duō)板 PCB 布置是一个系统级设计项目，涉及定义系统中所有(yǒu)板之间的连接。开始对多(duō)板 PCB 系统进行布局规划的一个好的过程如下：

确定董事会安排：董事会将如何相对于彼此定向？系统是否有(yǒu)需要以某种方式与板交互的移动元素？机械建模需要在这个阶段开始，并将决定设计如何 

选择连接器：您的電(diàn)路板会与现成的板对板连接器、边缘连接器、柔性带或電(diàn)缆互连吗？需要选择连接器以支持您所需的電(diàn)路板布置，同时仍然适合您的外壳。

确定電(diàn)路板功能(néng)：理(lǐ)想情况下，多(duō)板系统中的每个電(diàn)路板都将执行特定功能(néng)，并且应仅包含支持该功能(néng)所需的组件。这可(kě)能(néng)会迫使您重新(xīn)考虑您的電(diàn)路板排列和连接器选项，因此在决定将哪些功能(néng)放置在哪些電(diàn)路板上时要考虑到这一点。

跨连接器映射信号：每个连接器都应支持特定信号或信号组，并确保设计中的信号完整性。引脚分(fēn)布可(kě)在此阶段确定，并可(kě)在连接器的原理(lǐ)图符号上定义。

开始创建原理(lǐ)图：為(wèi)了保持条理(lǐ)，最好将原理(lǐ)图分(fēn)段，以便它们反映您的電(diàn)路板在多(duō)板系统布局中的排列。每组原理(lǐ)图应仅包含来自单个電(diàn)路板的组件，来自不同電(diàn)路板的组件不应放置在相同的原理(lǐ)图表中。

在為(wèi)系统中的每块電(diàn)路板创建原理(lǐ)图后，是时候开始為(wèi)每个電(diàn)路板创建物(wù)理(lǐ) PCB 布局了。遵循 PCB 设计的标准流程将您的组件导入您的设计并将它们放置在每块電(diàn)路板周围。此时，可(kě)以将连接器放置在 PCB 上的预期位置，并且可(kě)以在特定组件上定义边缘连接器。

一些多(duō)板 PCB 设计和布局将使用(yòng)边缘连接器在两块板之间建立電(diàn)气连接。

在开始布線(xiàn)组件之前，重要的是开始考虑您的机械要求，以及在布局完成后您是否仍然可(kě)以将设计放入其预期的外壳中。这样做需要使用(yòng)外壳模型和系统中的每个板，以确保没有(yǒu)干扰，并且板将按预期安装在一起。

用(yòng)于多(duō)板组件的原生 3D PCB 设计

某些测量和建模在 2D 中非常困难，这会在電(diàn)路板、组件和外壳之间产生干扰风险。在多(duō)板 PCB 设计中，PCB 组件涉及多(duō)个板，并且设计中的板之间或系统中的组件、電(diàn)缆和其他(tā)元件之间可(kě)能(néng)存在不需要的干扰。防止这种情况的最佳方法是在设计过程中加入机械回测，以确保没有(yǒu)干扰。

在回查过程中，会使用(yòng) MCAD 工具在 3D 中自动检查间隙，这些工具会检查您的電(diàn)路板、外壳和组件的 3D 模型。MCAD 软件和 PCB 设计功能(néng)中的标准 3D 建模文(wén)件格式是 STEP 模型。通过為(wèi)设计中的每个组件组合 STEP 模型，您的设计软件可(kě)以创建電(diàn)路板的真实模型。

Altium Designer 允许用(yòng)户在多(duō)板 PCB 系统中定义板对板连接。

如果您与机械设计师合作构建您的多(duō)板设计，他(tā)们应该為(wèi)设计提供 PCB 外壳的模型。然后可(kě)以将其导入您的 PCB 设计软件，以在您的 ECAD 工具内执行干涉检查。另一种选择是导出電(diàn)路板的 STEP 模型或 IDF 文(wén)件，然后可(kě)以将其导入 MCAD 应用(yòng)程序进行回查。企业级团队的标准工作流程是让 MCAD 用(yòng)户执行回溯检查，以便验证组件放置。

在所有(yǒu)板上的初始布局完成并检查干扰后，设计就可(kě)以进行布線(xiàn)了。多(duō)板系统需要对高速信号和低速数字协议进行一些重要的布線(xiàn)考虑，以确保信号完整性。

多(duō)板系统中的路由

在每块電(diàn)路板中，应在设置初始设计规则、计算任何所需的阻抗曲線(xiàn)并将设计设置為(wèi)适当的布線(xiàn)模式后执行布線(xiàn)。虽然并非每个電(diàn)路板上都存在高速接口，但它们可(kě)以通过边缘连接器、電(diàn)缆、柔性带或板对板连接器在多(duō)板系统中的板之间布線(xiàn)。较慢的单端信号（例如，来自 GPIO）或总線(xiàn)协议也可(kě)以通过電(diàn)缆和板之间进行路由。但是，必须注意确保均匀接地并防止可(kě)能(néng)出现的信号完整性问题。

在多(duō)板系统中定义基础

就像在其他(tā) PCB 中一样，需要明确定义多(duō)板布局中的接地，以确保信号的可(kě)布線(xiàn)性。在板之间布線(xiàn)信号路径时，请使用(yòng)以下过程来确保在整个系统中强制执行一致的接地電(diàn)位：

在每块板上使用(yòng)接地层来提供清晰的特征阻抗，提供屏蔽以抑制 EMI/串扰，并有(yǒu)助于在 PDN 中提供强大的去耦。

在两块板之间布線(xiàn)时，在连接器上包括接地连接，以便连接每个電(diàn)路板中的接地區(qū)域。这将為(wèi)连接器或電(diàn)缆提供屏蔽。

对于带状電(diàn)缆或双绞線(xiàn)電(diàn)缆，请考虑在信号之间使用(yòng)交错接地，以在布線(xiàn)路径中提供清晰的参考和更强的屏蔽。

在跨多(duō)板系统中電(diàn)路板设计之间的连接布線(xiàn)时，这种简单的接地使用(yòng)是信号完整性的重要组成部分(fēn)。这有(yǒu)助于在多(duō)板 PCB 设计和布線(xiàn)中定义一致的阻抗、返回路径和串扰抑制。如果您遵循了这些步骤，当您在電(diàn)路板之间和通过電(diàn)缆布線(xiàn)时，您更有(yǒu)可(kě)能(néng)保持单端信号的信号完整性。

当多(duō)板系统中 PCB 的接地區(qū)域可(kě)以通过连接器轻松桥接时，两块板将处于相同的接地電(diàn)位，并且可(kě)以在连接的每一侧准确读取信号。

不幸的是，有(yǒu)些多(duō)板系统的拓扑结构无法提供此类接地连接。当系统物(wù)理(lǐ)分(fēn)布在多(duō)个机柜上，而不是将所有(yǒu)板连接在同一个机柜中时，通常会出现这种情况。然而，有(yǒu)时電(diàn)路板以菊花(huā)链形式连接在同一个机柜中并提供高功率，在这种情况下，设计可(kě)能(néng)会产生安全和可(kě)靠性问题，而这只能(néng)通过差分(fēn)对布線(xiàn)来解决。

為(wèi)什么在多(duō)板设计中使用(yòng)差分(fēn)协议

在工业系统等長(cháng)電(diàn)缆上布線(xiàn)时，更好的方法是使用(yòng)差分(fēn)协议进行布線(xiàn)。電(diàn)路板之间具有(yǒu)接地连接的较大系统，特别是在接地可(kě)承载高電(diàn)流的直流系统中，可(kě)能(néng)存在安全隐患，并可(kě)能(néng)导致電(diàn)缆损坏，因為(wèi)電(diàn)缆会在接地连接中散发高热量。

在与電(diàn)缆连接的较大系统上使用(yòng)屏蔽的情况下，特别是在串联電(diàn)路板的線(xiàn)性排列中，每个電(diàn)路板中的接地层应隔离而不是相互连接。相反，底盘和接地连接应用(yòng)于屏蔽，而不是 PCB 接地层。然后，為(wèi)了在板之间路由信号，应使用(yòng)差分(fēn)对，因為(wèi)它们可(kě)以适应多(duō)板系统中板之间的接地偏移。

在多(duō)板系统中使用(yòng)差分(fēn)协议的主要原因是它们在系统中的两个電(diàn)路板之间布線(xiàn)时不需要清晰的接地参考。一旦差分(fēn)对回到電(diàn)路板上并读取差分(fēn)信号，就可(kě)以恢复数据，而无需担心布線(xiàn)期间发生的接地偏移。多(duō)板系统中 PCB 之间布線(xiàn)的常见差分(fēn)协议包括 CAN 总線(xiàn)、以太网和 RS485。

将差分(fēn)对用(yòng)于更長(cháng)的電(diàn)缆链路，尤其是在无法实施屏蔽的情况下。

当您需要构建先进的高速数字系统同时确保保持信号完整性和電(diàn)源完整性时，请使用(yòng)基于规则驱动设计引擎的最佳高速设计和布局工具集。无论您需要布局密集的单板计算机还是复杂的混合信号 PCB，最好的 PCB 布局工具都将帮助您在创建多(duō)板设计和每个電(diàn)路板的 PCB 布局时保持灵活性。