Was ist Multiboard-Design?

Zachariah Peterson
|  Erstellt: September 19, 2021
Multiboard-Design

Viele komplexe elektronische Systeme werden als Multiboard-Arrays von Leiterplatten entwickelt. Diese Art von Systemdesign hat bestimmte Vorteile, wie z. B. die Modularität, die man bei Plattformen wie Arduino und Raspberry Pi findet. Andere gängige Arten wie Flex- und Starrflex-Systeme sind Multiboard-Systeme und erfordern ein gemeinsames PCB-Layout und eine gemeinsame Routingstrategie. Wenn Sie Ihr eigenes Multiboard-System entwickeln möchten, können Sie einige einfache Schritte unternehmen, um sicherzustellen, dass Ihr Design die erforderliche Konnektivität aufweist.

Die Erstellung eines Multiboard-Systems ist deutlich einfacher, wenn Sie die beste PCB-Designsoftware verwenden. Zu den PCB-Tools, die Sie in Ihrer Designsoftware benötigen, gehören elektrische Standard-Dienstprogramme sowie eine MCAD-Integration, um zu gewährleisten, dass Ihre PCBs richtig zusammenpassen. In diesem kurzen Leitfaden behandeln wir einige grundlegende Aspekte der Konnektivität und zeigen Ihnen, wie Sie die Signalintegrität in Ihrem Design sicherstellen. Unabhängig davon, ob Sie mit einem standardmäßigen starren Multilayer-PCB-Design und -Layout oder mit komplexen flexiblen/starr-flexiblen Leiterplatten arbeiten: Sie benötigen einige grundlegende Tools, damit Ihr Design planmäßig funktioniert.

Multiboard-Designs beginnen mit einer mechanischen Skizze der einzelnen Leiterplatten in Ihrem System und einem Plan, wie diese miteinander verbunden werden sollen. Sie können einfache standardisierte Steckverbinder, wie Mezzanine-Stecker oder Stiftleisten, oder integrierte Randstecker nutzen. Sobald diese Punkte festgelegt sind, müssen Sie eine Strategie für die Platzierung und das Routing entwickeln, damit die Komponenten im gesamten Design ordnungsgemäß miteinander verbunden werden können, ohne dass EMI/EMC-, SI/PI- oder mechanische Vibrationsprobleme entstehen. In diesem Artikel erfahren Sie, wie Sie mit Ihrem Hochgeschwindigkeitsdesign beginnen können und welche wichtige Rolle Ihre PCB-Designsoftware spielt.

Planung Ihres Multiboard-PCB-Systems

Eine Multiboard-PCB-Anordnung ist ein Designprojekt auf Systemebene, bei dem Sie die Verbindungen zwischen allen Leiterplatten in Ihrem System festlegen müssen. Der folgende Prozess eignet sich gut, um mit der Planung Ihres Multiboard-PCB-Systems zu beginnen:

  • Legen Sie eine PCB-Anordnung fest: Wie sollen die Leiterplatten zueinander ausgerichtet werden? Verfügt das System über ein bewegliches Element, das mit der Leiterplatte interagieren muss? Die mechanische Modellierung beginnt in diesem Stadium und bestimmt das Design maßgeblich. 
  • Wählen Sie Steckverbinder: Werden Ihre Platinen mit handelsüblichen Board-to-Board-Steckverbindern, Randsteckern, Flexbändern oder Kabeln verbunden? Es ist wichtig, dass Sie die Steckverbinder so auswählen, dass sie die gewünschte Leiterplattenanordnung unterstützen und dennoch in das Gehäuse passen.
  • Bestimmen Sie die Funktionen der Leiterplatten: Im Idealfall erfüllt in einem Multiboard-System jede Platine bestimmte Funktionen und enthält nur die Komponenten, die für diese Funktion erforderlich sind. Dies könnte dazu führen, dass Sie die Anordnung der Platinen und die Verbindungen überdenken müssen. Denken Sie daran, wenn Sie entscheiden, welche Platinen welche Funktionen haben sollen.
  • Ordnen Sie die Signale zu: Jeder Steckverbinder sollte bestimmte Signale oder Signalgruppen unterstützen und die Signalintegrität im Design sicherstellen. Die Pinbelegung kann in dieser Phase festgelegt und in den Schaltplansymbolen für Steckverbinder definiert werden.
  • Beginnen Sie mit der Erstellung von Schaltplänen: Um den Überblick zu behalten, sollten Sie die Schaltpläne so aufteilen, dass sie die Anordnung der Leiterplatten in Ihrem Multiboard-System widerspiegeln. Jeder Schaltplansatz sollte nur Komponenten von einer einzigen Platine enthalten; Komponenten von verschiedenen Platinen sollten nicht in denselben Schaltplanblättern platziert werden.

Nachdem Sie die Schaltpläne für alle Leiterplatten im System erstellt haben, erstellen Sie nun das physische PCB-Layout für jede Leiterplatte. Folgen Sie dem Standard PCB-Designprozess, um die Komponenten in Ihr Design zu importieren und sie auf den einzelnen Leiterplatten zu platzieren. An diesem Punkt können die Steckverbinder an den vorgesehenen Positionen auf der Leiterplatte platziert und Randstecker für bestimmte Komponenten definiert werden.

Randstecker Multiboard-System
Bei einigen Multiboard-Designs und -Layouts werden Randstecker verwendet, um eine elektrische Verbindung zwischen zwei Platinen herzustellen.

Bevor Sie mit dem Routing der Komponenten beginnen, sollten Sie sich Gedanken über Ihre mechanischen Anforderungen machen und darüber, ob das Design nach Fertigstellung des Layouts noch in das vorgesehene Gehäuse passt. Dazu müssen Sie mit einem Gehäusemodell und jeder Platine im System arbeiten, um sicherzustellen, dass es keine Interferenzen gibt und die Platinen wie vorgesehen zusammenpassen.

Natives 3D PCB-Design für Multiboard-Baugruppen

Einige Messungen und Modellierungen sind in 2D sehr schwierig und dadurch entsteht das Risiko von Interferenzen zwischen Ihrer Leiterplatte, den Komponenten und dem Gehäuse. Beim Multiboard-PCB-Design umfasst eine PCB-Baugruppe mehrere Leiterplatten, und es kann zu unerwünschten Interferenzen zwischen den PCBs im Design oder zwischen Komponenten, Kabeln und anderen Elementen im System kommen. Um dies zu verhindern, integrieren Sie am besten ein mechanisches Backcheching in den Designprozess und gewährleisten so, dass keine Interferenzen auftreten.

Beim Backchecking erstellen die MCAD-Tools ein 3D-Modell Ihrer Leiterplatte, Ihres Gehäuses und Ihrer Komponenten und überprüfen die Abstände automatisch. Das Standard-3D-Modellierungsdateiformat in MCAD-Software und PCB-Designfunktionen ist ein STEP-Modell. Durch die Kombination von STEP-Modellen für jede Komponente in Ihrem Design kann Ihre Design-Software ein realistisches Modell erstellen.

Randstecker für Multiboard-PCB-Systeme
Mit Altium Designer können Anwender Board-to-Board-Verbindungen in einem Multiboard-PCB-System definieren.

Wenn Sie bei der Entwicklung Ihres Multiboard-Designs mit einem Mechanik-Designer zusammenarbeiten, sollte dieser ein Modell des PCB-Gehäuses für das Design bereitstellen. Dieses können Sie dann in Ihre PCB-Designsoftware importieren, um die Interferenzprüfung innerhalb Ihrer ECAD-Tools durchzuführen. Oder Sie exportieren ein STEP-Modell oder eine IDF-Datei für die Leiterplatte, die dann in eine MCAD-Anwendung für Backchecking importiert werden kann. In dem Standard-Arbeitsablauf in Unternehmen wird das Backchecking von dem MCAD-Anwender durchgeführt, um die Platzierung der Komponenten zu verifizieren.

Nachdem die anfängliche Platzierung auf allen Leiterplatten abgeschlossen und auf Interferenzen überprüft wurde, können Sie mit dem Routing beginnen. Bei Multiboard-Systemen müssen Sie beim Routing von Hochgeschwindigkeitssignalen und digitalen Protokollen mit geringerer Geschwindigkeit einige Aspekte beachten, um die Signalintegrität zu gewährleisten.

Routing in Multiboard-Systemen

Auf jeder Leiterplatte sollte das Routing nach der Aufstellung der anfänglichen Designregeln, der Berechnung des erforderlichen Impedanzprofils und der Einstellung des Designs in den entsprechenden Routingmodus erfolgen. Hochgeschwindigkeitsschnittstellen sind zwar nicht auf jeder Platine vorhanden, können in einem Multiboard-System aber über einen Randstecker, ein Kabel, ein Flexband oder einen Board-to-Board-Stecker zwischen den Platinen geroutet werden. Langsame Single-Ended-Signale (z. B. von GPIOs) oder Busprotokolle können ebenfalls über Kabel und zwischen PCBs geroutet werden. Sie müssen jedoch darauf achten, dass eine einheitliche Masse vorhanden ist und keine Signalintegritätsprobleme auftreten.

Festlegung der Masse in Multiboard-Systemen

Genau wie bei anderen Leiterplatten muss die Masse in einem Multiboard-Layout klar definiert sein, um das Routing Ihrer Signale zu gewährleisten. Sie können beim Verlegen der Signalpfade zwischen den Leiterplatten den folgenden Schritten folgen, damit im gesamten System ein einheitliches Massepotenzial durchgesetzt wird:

  1. Verwenden Sie auf jeder Leiterplatte Masseflächen. Auf diese Weise schaffen Sie eine klare charakteristische Impedanz, bieten eine Abschirmung zur Unterdrückung von EMI/Übersprechen und ermöglichen eine starke Entkopplung im PDN.
  2. Beim Routing zwischen zwei Leiterplattem sollten Sie eine Masseverbindung zwischen den Steckverbindern hinzufügen, so dass die Massebereiche der beiden Platinen miteinander verbunden sind. Dies sorgt für eine Abschirmung über den Steckverbinder oder das Kabel.
  3. Bei Flachbandkabeln oder Twisted-Pair-Kabeln sollten Sie eine versetzte Masse zwischen den Signalen in Erwägung ziehen, um eine eindeutige Referenz und eine stärkere Abschirmung im Routingpfad zu gewährleisten.

Beim Routing ist diese einfache Verwendung von Masse ein wichtiger Bestandteil, um die Signalintegrität zu gewährleisten. Beim Routing von Multiboard-PCB-Designs hilft dies, um eine konsistente Impedanz, Rückleitungen und die Unterdrückung von Übersprechen zu definieren. Wenn Sie diese Schritte beachten, steigt die Wahrscheinlichkeit, dass Sie die Signalintegrität für Single-Ended-Signale beim Routing zwischen Leiterplatten und über Kabel aufrechterhalten.

Multiboard-PCB-Design
Wenn die Massebereiche von Leiterplatten in einem Multiboard-System einfach über einen Steckverbinder überbrückt werden können, liegen die beiden Leiterplatten auf demselben Massepotenzial und Signale können auf beiden Seiten der Verbindung genau ausgelesen werden.

Leider gibt es einige Multiboard-Systeme mit Topologien, bei denen diese Art von Masseverbindung nicht möglich ist. Dies ist häufig der Fall, wenn das System verteilt ist und nicht alle Platinen in einem einzigen Gehäuse angeschlossen sind. Es gibt jedoch Fälle, in denen Platinen im selben Gehäuse verkettet sind und eine hohe Leistung liefern. In diesem Fall kann das Design ein Sicherheits- und Zuverlässigkeitsproblem verursachen, das nur durch das Routing von Differenzialpaaren gelöst werden kann.

Warum werden differentielle Protokolle im Multiboard-Design verwendet?

Beim Routing über lange Kabel, wie z. B. in industriellen Systemen, ist es besser, differentielle Protokolle für die Verlegung zu verwenden. Größere Systeme mit Masseverbindungen zwischen Platinen, insbesondere in Gleichstromsystemen, bei denen die Masse hohe Ströme führen kann, stellen ein Sicherheitsrisiko dar und können das Kabel beschädigen, da dieses in den Masseverbindungen hohe Wärme ableitet.

Wird die Abschirmung bei größeren, mit Kabeln verbundenen Systemen verwendet, insbesondere bei linearen Anordnungen von in Reihe geschalteten Leiterplatten, sollten die Masseflächen der einzelnen Leiterplatten isoliert und nicht miteinander verbunden sein. Stattdessen sollten das Chassis und eine Erdungsverbindung für die Abschirmung verwendet werden, nicht die Massefläche der Leiterplatte. Für die Signalübertragung zwischen den Platinen sollten dann Differenzialpaare verwendet werden, da sie einen Masse-Offset zwischen den Platinen in einem Multiboard-System ausgleichen können.

Der Hauptgrund für die Verwendung von differentiellen Protokollen in Multiboard-Systemen ist, dass beim Routing zwischen zwei Leiterplatten im System kein eindeutiger Massebezug erforderlich ist. Sobald das Differenzialpaar auf einer Leiterplatte ankommt und das Differenzsignal gelesen wird, können die Daten wiederhergestellt werden, ohne dass man sich um den Masse-Offset kümmern muss, der beim Routing auftritt. Zu den gängigen differentiellen Protokollen für das Routing zwischen Leiterplatten in einem Multiboard-System gehören CAN-Bus, Ethernet und RS485.

Multiboard-PCB-Design
Verwenden Sie Differenzialpaare für längere Verbindungen über Kabel, insbesondere dort, wo keine Abschirmung möglich ist.

Wenn Sie anspruchsvolle Hochgeschwindigkeits-Digitalsysteme entwickeln und dabei die Signal- und Stromversorgungsintegrität sicherstellen müssen, sollten Sie mit den besten Hochgeschwindigkeits-Design- und Layout-Tools arbeiten, die auf einer regelbasierten Design-Engine aufbauen. Unabhängig davon, ob Sie einen dichten Einplatinencomputer oder eine komplexe Mixed-Signal-Leiterplatte layouten müssen: Mit den besten PCB-Layout-Tools bleiben Sie bei der Erstellung Ihres Multiboard-Designs und des PCB-Layouts für die einzelnen Leiterplatten flexibel.

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Über den Autor / über die Autorin

Über den Autor / über die Autorin

Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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