什么是多板设计？

2021-08-16

什么是多板设计？

当您为您的电路板使用最好的 PCB 设计软件时，创建多电路板系统会容易得多。您在设计软件中需要的 PCB 工具集包括标准电气实用程序以及 MCAD 集成，以确保您的电路板正确配合。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。无论是使用标准的刚性多层 PCB 设计和布局，还是更多涉及的柔性/刚柔结合电路板，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。

规划您的多板 PCB 系统设计

用于多板组件的原生 3D PCB 设计

多板系统中的路由

多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。您的连接方式可能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线策略，以便组件可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，了解如何开始高速设计以及 PCB 设计软件的重要作用。

规划您的多板 PCB 系统设计

设计多板 PCB 布置是一个系统级设计项目，涉及定义系统中所有板之间的连接。开始对多板 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：您的电路板会与现成的板对板连接器、边缘连接器、柔性带或电缆互连吗？需要选择连接器以支持您所需的电路板布置，同时仍然适合您的外壳。

确定电路板功能：理想情况下，多板系统中的每个电路板都将执行特定功能，并且应仅包含支持该功能所需的组件。这可能会迫使您重新考虑您的电路板排列和连接器选项，因此在决定将哪些功能放置在哪些电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。引脚分布可在此阶段确定，并可在连接器的原理图符号上定义。

开始创建原理图：为了保持条理，最好将原理图分段，以便它们反映您的电路板在多板系统布局中的排列。每组原理图应仅包含来自单个电路板的组件，来自不同电路板的组件不应放置在相同的原理图表中。

在为系统中的每块电路板创建原理图后，是时候开始为每个电路板创建物理 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电路板周围。此时，可以将连接器放置在 PCB 上的预期位置，并且可以在特定组件上定义边缘连接器。

一些多板 PCB 设计和布局将使用边缘连接器在两块板之间建立电气连接。

在开始布线组件之前，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以将设计放入其预期的外壳中。这样做需要使用外壳模型和系统中的每个板，以确保没有干扰，并且板将按预期安装在一起。

用于多板组件的原生 3D PCB 设计

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

在回查过程中，会使用 MCAD 工具在 3D 中自动检查间隙，这些工具会检查您的电路板、外壳和组件的 3D 模型。MCAD 软件和 PCB 设计功能中的标准 3D 建模文件格式是 STEP 模型。通过为设计中的每个组件组合 STEP 模型，您的设计软件可以创建电路板的真实模型。

Altium Designer 允许用户在多板 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板设计，他们应该为设计提供 PCB 外壳的模型。然后可以将其导入您的 PCB 设计软件，以在您的 ECAD 工具内执行干涉检查。另一种选择是导出电路板的 STEP 模型或 IDF 文件，然后可以将其导入 MCAD 应用程序进行回查。企业级团队的标准工作流程是让 MCAD 用户执行回溯检查，以便验证组件放置。

在所有板上的初始布局完成并检查干扰后，设计就可以进行布线了。多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线考虑，以确保信号完整性。

多板系统中的路由

在每块电路板中，应在设置初始设计规则、计算任何所需的阻抗曲线并将设计设置为适当的布线模式后执行布线。虽然并非每个电路板上都存在高速接口，但它们可以通过边缘连接器、电缆、柔性带或板对板连接器在多板系统中的板之间布线。较慢的单端信号（例如，来自 GPIO）或总线协议也可以通过电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能出现的信号完整性问题。

在多板系统中定义基础

就像在其他 PCB 中一样，需要明确定义多板布局中的接地，以确保信号的可布线性。在板之间布线信号路径时，请使用以下过程来确保在整个系统中强制执行一致的接地电位：

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

在两块板之间布线时，在连接器上包括接地连接，以便连接每个电路板中的接地区域。这将为连接器或电缆提供屏蔽。

对于带状电缆或双绞线电缆，请考虑在信号之间使用交错接地，以在布线路径中提供清晰的参考和更强的屏蔽。

在跨多板系统中电路板设计之间的连接布线时，这种简单的接地使用是信号完整性的重要组成部分。这有助于在多板 PCB 设计和布线中定义一致的阻抗、返回路径和串扰抑制。如果您遵循了这些步骤，当您在电路板之间和通过电缆布线时，您更有可能保持单端信号的信号完整性。

当多板系统中 PCB 的接地区域可以通过连接器轻松桥接时，两块板将处于相同的接地电位，并且可以在连接的每一侧准确读取信号。

不幸的是，有些多板系统的拓扑结构无法提供此类接地连接。当系统物理分布在多个机柜上，而不是将所有板连接在同一个机柜中时，通常会出现这种情况。然而，有时电路板以菊花链形式连接在同一个机柜中并提供高功率，在这种情况下，设计可能会产生安全和可靠性问题，而这只能通过差分对布线来解决。

为什么在多板设计中使用差分协议

在工业系统等长电缆上布线时，更好的方法是使用差分协议进行布线。电路板之间具有接地连接的较大系统，特别是在接地可承载高电流的直流系统中，可能存在安全隐患，并可能导致电缆损坏，因为电缆会在接地连接中散发高热量。

在与电缆连接的较大系统上使用屏蔽的情况下，特别是在串联电路板的线性排列中，每个电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于屏蔽，而不是 PCB 接地层。然后，为了在板之间路由信号，应使用差分对，因为它们可以适应多板系统中板之间的接地偏移。

在多板系统中使用差分协议的主要原因是它们在系统中的两个电路板之间布线时不需要清晰的接地参考。一旦差分对回到电路板上并读取差分信号，就可以恢复数据，而无需担心布线期间发生的接地偏移。多板系统中 PCB 之间布线的常见差分协议包括 CAN 总线、以太网和 RS485。

将差分对用于更长的电缆链路，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电源完整性时，请使用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板设计和每个电路板的 PCB 布局时保持灵活性。