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什么是多板設(shè)計？
什么是多板設(shè)計？
當您為您的電路板使用最好的 PCB 設(shè)計軟件時，創(chuàng)建多電路板系統(tǒng)會容易得多。您在設(shè)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(shè)計中定義連接的一些基本方面，同時還確保設(shè)計中的信號完整性。無論是使用標準的剛性多層 PCB 設(shè)計和布局，還是更多涉及的柔性/剛?cè)峤Y(jié)合電路板，您都需要一些基本的設(shè)計工具集來確保您的設(shè)計按預(yù)期工作。
規(guī)劃您的多板 PCB 系統(tǒng)設(shè)計
用于多板組件的原生 3D PCB 設(shè)計
多板系統(tǒng)中的路由
多板設(shè)計從系統(tǒng)中每個板的機械輪廓以及它們?nèi)绾蜗嗷ミB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(shè)計過程中正確地相互連接，而不會產(chǎn)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(shè)計以及 PCB 設(shè)計軟件的重要作用。
規(guī)劃您的多板 PCB 系統(tǒng)設(shè)計
設(shè)計多板 PCB 布置是一個系統(tǒng)級設(shè)計項目，涉及定義系統(tǒng)中所有板之間的連接。開始對多板 PCB 系統(tǒng)進行布局規(guī)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(tǒng)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(shè)計如何
選擇連接器：您的電路板會與現(xiàn)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(tǒng)中的每個電路板都將執(zhí)行特定功能，并且應(yīng)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(yīng)支持特定信號或信號組，并確保設(shè)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(chuàng)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(tǒng)布局中的排列。每組原理圖應(yīng)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(yīng)放置在相同的原理圖表中。
在為系統(tǒng)中的每塊電路板創(chuàng)建原理圖后，是時候開始為每個電路板創(chuàng)建物理 PCB 布局了。遵循 PCB 設(shè)計的標準流程將您的組件導入您的設(shè)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(yù)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(shè)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(shè)計放入其預(yù)期的外殼中。這樣做需要使用外殼模型和系統(tǒng)中的每個板，以確保沒有干擾，并且板將按預(yù)期安裝在一起。
用于多板組件的原生 3D PCB 設(shè)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(chǎn)生干擾風險。在多板 PCB 設(shè)計中，PCB 組件涉及多個板，并且設(shè)計中的板之間或系統(tǒng)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(shè)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(shè)計功能中的標準 3D 建模文件格式是 STEP 模型。通過為設(shè)計中的每個組件組合 STEP 模型，您的設(shè)計軟件可以創(chuàng)建電路板的真實模型。
Altium Designer 允許用戶在多板 PCB 系統(tǒng)中定義板對板連接。
如果您與機械設(shè)計師合作構(gòu)建您的多板設(shè)計，他們應(yīng)該為設(shè)計提供 PCB 外殼的模型。然后可以將其導入您的 PCB 設(shè)計軟件，以在您的 ECAD 工具內(nèi)執(zhí)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(yīng)用程序進行回查。企業(yè)級團隊的標準工作流程是讓 MCAD 用戶執(zhí)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(shè)計就可以進行布線了。多板系統(tǒng)需要對高速信號和低速數(shù)字協(xié)議進行一些重要的布線考慮，以確保信號完整性。
多板系統(tǒng)中的路由
在每塊電路板中，應(yīng)在設(shè)置初始設(shè)計規(guī)則、計算任何所需的阻抗曲線并將設(shè)計設(shè)置為適當?shù)牟季€模式后執(zhí)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(tǒng)中的板之間布線。較慢的單端信號（例如，來自 GPIO）或總線協(xié)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(xiàn)的信號完整性問題。
在多板系統(tǒng)中定義基礎(chǔ)
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(tǒng)中強制執(zhí)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(qū)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(tǒng)中電路板設(shè)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(shè)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(tǒng)中 PCB 的接地區(qū)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(cè)準確讀取信號。
不幸的是，有些多板系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)無法提供此類接地連接。當系統(tǒng)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(xiàn)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(shè)計可能會產(chǎn)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(shè)計中使用差分協(xié)議
在工業(yè)系統(tǒng)等長電纜上布線時，更好的方法是使用差分協(xié)議進行布線。電路板之間具有接地連接的較大系統(tǒng)，特別是在接地可承載高電流的直流系統(tǒng)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(fā)高熱量。
在與電纜連接的較大系統(tǒng)上使用屏蔽的情況下，特別是在串聯(lián)電路板的線性排列中，每個電路板中的接地層應(yīng)隔離而不是相互連接。相反，底盤和接地連接應(yīng)用于屏蔽，而不是 PCB 接地層。然后，為了在板之間路由信號，應(yīng)使用差分對，因為它們可以適應(yīng)多板系統(tǒng)中板之間的接地偏移。
在多板系統(tǒng)中使用差分協(xié)議的主要原因是它們在系統(tǒng)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(fù)數(shù)據(jù)，而無需擔心布線期間發(fā)生的接地偏移。多板系統(tǒng)中 PCB 之間布線的常見差分協(xié)議包括 CAN 總線、以太網(wǎng)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(gòu)建先進的高速數(shù)字系統(tǒng)同時確保保持信號完整性和電源完整性時，請使用基于規(guī)則驅(qū)動設(shè)計引擎的最佳高速設(shè)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(fù)雜的混合信號 PCB，最好的 PCB 布局工具都將幫助您在創(chuàng)建多板設(shè)計和每個電路板的 PCB 布局時保持靈活性。