¿Qué es el diseño de PCB multiplaca?

Si te estás preguntando ¿qué es el diseño multiplaca de PCB? en este artículo profundizaremos en que consiste el diseño multiplaca y sobre cómo utilizar el diseño nativo en 3D con los recursos de colaboración ECAD MCAD para el diseño de PCB complejas.

Muchos sistemas electrónicos complejos se construyen como conjuntos multiplaca de PCB. Este tipo de diseño de sistemas tiene algunas ventajas, como la modularidad, que podrás encontrar en plataformas como Arduino y Raspberry Pi. Otros tipos comunes de placas de circuitos, como los sistemas flexibles y rígido-flexibles, son sistemas multiplaca y requieren una estrategia común de diseño y enrutamiento de PCB. Si quieres desarrollar tu propio sistema de PCB multiplaca, aquí te indicamos algunos pasos básicos para asegurarte de que tu diseño multiplaca tenga la conectividad que necesitas.

Crear un sistema de PCB multiplaca es mucho más sencillo cuando creas tu placa con el mejor software de diseño de PCB. Los conjuntos de herramientas de PCB que necesitas en tu software de diseño incluyen utilidades eléctricas estándar, así como integración de MCAD, a fin de garantizar que tus placas se acoplen correctamente. En esta breve guía, trataremos algunos de los aspectos básicos de cómo definir la conectividad en el diseño, garantizando al mismo tiempo la integridad de la señal en el diseño. Tanto si trabajas con un diseño y disposición de PCB multicapa rígidos estándar como si lo haces con placas de circuito flexibles o rígido-flexibles, existen algunos conjuntos de herramientas de diseño básicas que necesitarás para garantizar que el diseño de PCB multiplaca funcione según lo previsto.

Un diseño multiplaca empieza con un esquema mecánico de cada placa del sistema y un plan de cómo se conectarán entre sí. Tu método de conexión puede incluir conectores estandarizados sencillos, como conectores mezzanine o cabezales de pines, o conectores de borde integrados. Una vez determinados estos puntos, se debe desarrollar una estrategia de colocación y enrutamiento para que los componentes puedan conectarse entre sí de manera adecuada en todo el diseño multiplaca sin crear problemas de EMI/EMC, SI/PI o de vibración mecánica. Lee las secciones siguientes para iniciarte en el diseño de alta velocidad y cuál es la importancia del software de diseño de PCB del que dispongas.

Planificación del diseño de un sistema de PCB multiplaca

Diseñar una disposición de PCB multiplaca es un proyecto a nivel de sistema que implica definir las conexiones entre todas las placas del mismo. Aquí tienes un buen proceso para empezar a planear un sistema multiplaca:

• Determina la disposición de las placas: ¿Cómo se orientarán las placas entre sí? ¿Tiene el sistema algún elemento móvil que necesite interactuar de algún modo con la placa de PCB? El modelado mecánico deberá iniciarse en esta etapa y será lo que determinará el diseño. 
• Elige los conectores: Tus placas, ¿se interconectarán con conectores de placa a placa estándar, con conectores de borde, con cintas flexibles o mediante cables? Los conectores deben elegirse de forma de que sean compatibles con la disposición requerida para la placa y, al mismo tiempo, quepan en la carcasa sin dificultades.
• Decide las funciones de la placa: Idealmente, cada placa de circuito en un diseño de sistema multiplaca se ocupará de funciones específicas y deberá contener solo los componentes necesarios para llevar a cabo esa función. Esto podría obligarte a repensar la disposición de la placa y las opciones de conexión, así que no te olvides de tenerlo en cuenta en el momento de decidir qué funciones vas a asignar a cada placa.
• Establece las señales entre los conectores: Cada conector debe admitir señales o grupos de señales específicos y garantizar la integridad de la señal en el diseño. Los pinouts se pueden determinar en esta fase y pueden definirse en los símbolos esquemáticos de los conectores.
• Empieza creando los esquemáticos: Para mantente organizado, lo mejor es segmentar los diagramas esquemáticos de modo que reflejen la disposición de las placas en el diseño del sistema multiplaca. Cada conjunto de esquemáticos solo debe contener componentes de una sola placa, no deben colocarse componentes de diferentes placas en una misma hoja esquemática.

Una vez creados los esquemáticos para cada una de las placas del sistema multicapa, habrá llegado el momento de crear el diseño físico de PCB para cada placa de circuito. Sigue el proceso de diseño de PCB estándar para importar los componentes en el diseño y colocarlos alrededor de cada placa. En este paso, puedes colocar los conectores en las posiciones previstas en la PCB. Asimismo, los conectores de borde ya se podrán definir en determinados componentes.

• Más información sobre la creación de diagramas esquemáticos para tus PCB
• Más información sobre la creación de un diseño de PCB a partir de un diagrama esquemático

Antes de empezar a enrutar los componentes, es importante que empieces a plantearte los requisitos mecánicos y si será posible encajar el diseño de PCB multicapa terminado en la carcasa prevista. Para ello, tendrás que trabajar con un modelo de la carcasa y de cada placa del sistema para asegurarte de que no hay interferencias y de que las placas encajen entre sí según lo previsto.

Diseño nativo de PCB en 3D para montajes multiplaca

Algunas mediciones y modelos resultan muy complejos en 2D, lo que genera un riesgo de interferencias entre las placas de circuito, los componentes y la carcasa. En el diseño de PCB multiplaca, el montaje de PCB implica el uso de múltiples placas y podrían aparecer interferencias no deseadas entre las placas del diseño o entre componentes, cables y otros elementos del sistema. La mejor forma de evitarlo es incorporar comprobaciones mecánicas en el proceso de diseño, para garantizar que no haya interferencias.

Durante este proceso de verificación, los espaciados se comprueban automáticamente en 3D mediante herramientas MCAD que examinan un modelo 3D de la placa, la carcasa y los componentes. El formato de archivo de modelado 3D estándar en el software MCAD y las funciones de diseño de PCB son un modelo STEP. Al combinar los modelos STEP para cada componente del diseño, el software de diseño puede crear un modelo realista de la placa.

Si colaboras con un diseñador mecánico para elaborar tu diseño de PCB multiplaca, deberás proporcionarle un modelo de la carcasa de la PCB. Más adelante podrás importar ese modelo a tu software de diseño de PCB para comprobar las interferencias utilizando tus herramientas ECAD. La otra opción es exportar un modelo STEP o un archivo IDF para la placa, que luego podrás importar a una aplicación MCAD para su verificación. El proceso de trabajo habitual en los equipos de nivel empresarial consiste en que el usuario de MCAD lleva a cabo una comprobación posterior para que pueda verificarse la colocación de los componentes.

• Más información sobre la importancia de los modelos de carcasa en el diseño de PCB

Una vez que se ha completado la disposición inicial de los componentes en todas las placas y comprobado que no hay interferencias, el diseño de PCB multicapa estará listo para el enrutamiento. Los sistemas multiplaca requieren algunas consideraciones importantes de enrutamiento con señales de alta velocidad y protocolos digitales de menor velocidad para garantizar la integridad de la señal.

Enrutamiento en sistemas de placas multicircuito

En cada placa, el enrutamiento debe llevarse a cabo después de configurar las reglas de diseño iniciales, calcular cualquier perfil de impedancia requerido y configurar el diseño en el modo de enrutamiento adecuado. Si bien las interfaces de alta velocidad no estarán presentes en todas las placas de circuito, se pueden enrutar entre placas en un diseño de sistema multiplaca a través de un conector de borde, cable, cinta flexible o conector de placa a placa. Las señales de salida simple más lentas (por ejemplo, de GPIO) o los protocolos de bus también se pueden enrutar a través de cables y entre placas. Sin embargo, hay que tener cuidado para asegurarse de que la conexión a tierra sea uniforme y evitar los problemas de integridad de la señal que pudieran surgir.

Definir la conexión a tierra en el diseño de un sistema multiplaca

Al igual que en otras PCB, la tierra en un diseño multiplaca debe definirse claramente para garantizar la enrutabilidad de las señales. Cuando conectes las rutas de señales entre placas, utiliza el siguiente proceso para asegurarte de que se aplica un potencial de tierra homogéneo en todo el sistema:

1. Utiliza planos de tierra en cada placa para proporcionar una impedancia característica clara y un blindaje capaz de suprimir la interferencia electromagnética y la diafonía, así como para contribuir a un fuerte desacoplamiento en la PDN.
2. Al enrutar entre las dos placas, incluye una conexión a tierra entre los conectores para que las regiones de tierra en cada placa de circuito estén conectadas. Esto proporcionará protección a través del conector o cable.
3. Para los cables en cinta o de par trenzado, considera la posibilidad de utilizar tierra intercalada entre las señales para aportar una referencia clara y un apantallamiento más fuerte en la ruta.

Esta manera tan sencilla de utilizar la tierra cuando se enruta a través de una conexión entre placas en un diseño de sistema de PCB multiplaca es un elemento importante para la integridad de la señal. Ayuda a definir una impedancia, unas rutas de retorno y una supresión de la diafonía homogéneas en el diseño y enrutamiento de las PCB multiplaca. Si has seguido estos pasos, es mucho más probable que mantengas la integridad de la señal para las señales de salida simple cuando enrutes las placas mediante cables.

• Más información sobre la importancia de una conexión a tierra uniforme en tu PCB

Desafortunadamente, hay algunos sistemas multiplaca con una topología que no permite este tipo de conexión a tierra. Esto suele ocurrir cuando el sistema multiplaca está físicamente repartido en varias cajas, en lugar de tener todas las placas conectadas en una sola. Sin embargo, puede ocurrir que las placas estén encadenadas en una sola caja y suministren una potencia elevada, en cuyo caso el diseño puede crear un problema de seguridad y fiabilidad que solo se resuelve con el enrutamiento de pares diferenciales.

Por qué se utilizan protocolos diferenciales en el diseño multiplaca

Cuando se enrutan cables largos, como en los sistemas industriales, es mejor utilizar protocolos diferenciales para el enrutamiento. Los sistemas más grandes con conexiones a tierra entre placas, particularmente en sistemas de CC donde la tierra puede transportar alta corriente, pueden constituir un peligro para la seguridad y pueden provocar que el cable se dañe a medida que disipa los altos niveles de calor en las conexiones a tierra.

En el caso de que se utilice apantallamiento en sistemas más grandes conectados con cables, especialmente en disposiciones lineales de placas en serie, los planos de tierra de cada placa de circuito deben estar aislados y no conectados entre sí. En su lugar, para el apantallamiento se debe utilizar el chasis y una conexión a tierra, no el plano de tierra de la PCB. A continuación, para enrutar las señales entre placas, se deben utilizar pares diferenciales, ya que pueden acomodar un desfase de tierra entre las placas en un sistema de placas multicircuito.

La razón principal por la que se utilizan protocolos diferenciales en sistemas multiplaca es eliminar la necesidad de una referencia de tierra clara al enrutar entre dos placas de circuito del sistema. Una vez que el par diferencial vuelve a la placa y se lee la señal de diferencia, los datos se pueden recuperar sin preocuparse por el desfase de tierra que se produce durante el enrutamiento. Los protocolos diferenciales comunes para el enrutamiento entre placas en un sistema multiplaca incluyen los buses CAN, Ethernet y RS485.

• Más información sobre el enrutamiento de pares diferenciales y la tierra en el diseño de PCB

Cuando necesites crear sistemas digitales avanzados de alta velocidad y garantizar al mismo tiempo la integridad de la señal y de la alimentación, utiliza el mejor conjunto de herramientas de diseño y disposición de alta velocidad, basadas en un motor de diseño basado en reglas. Tanto si tienes que diseñar un denso ordenador monoplaca como una compleja placa de circuito impreso de señal mixta, las mejores herramientas de diseño de PCB te ayudarán a mantener la flexibilidad en la creación de tus diseños multiplaca y en la disposición de cada una de tus placas de circuito.

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