¿Qué es el Diseño Multiplaca?

Zachariah Peterson
|  Creado: September 22, 2021
¿Qué es el Diseño Multiplaca?

Muchos sistemas electrónicos complejos se construyen como conjuntos multiplaca de circuitos impresos. Hay algunas ventajas para el diseño de este tipo de sistemas tales como la modularidad que verá en plataformas como Arduino y Rapsberry Pi. Otros tipos comunes de placas de circuitos, como los sistemas flexibles y rígido-flexibles, son sistemas multiplaca que precisan una disposición de PCB y estrategia de enrutamiento comunes. Si desea desarrollar su propio sistema multiplaca, hay pasos básicos que puede seguir para garantizar que su diseño tendrá la conectividad que necesita.

Crear un sistema multiplaca es mucho más fácil cuando utiliza el mejor software de diseño de PCBs para su placa. El conjunto de herramientas de PCB que usted necesita en su software de diseño incluye utilidades eléctricas estándar como así también una integración MCAD para garantizar que sus placas se acoplen correctamente. En esta breve guía, cubriremos algunos de los aspectos básicos para definir la conectividad en su diseño garantizando al mismo tiempo la integridad de señal en el mismo. Hay algunos conjuntos de herramientas de diseño básico que necesita para garantizar que su diseño funcione como pretende, tanto si trabaja con el diseño y disposición de una multiplaca en PCBs rígidos estándar como con PCBs rígido-flexibles ó flexibles más enrevesados.

El diseño multiplaca comienza con un esquema mecánico de cada placa en su sistema y un plan de cómo conectarlas entre sí. Su estilo de conexión puede involucrar conectores simples estandarizados tales como conectores mezzanina, o cabezales de pines o conectores de borde integrados. Una vez que se determinan estos puntos, una estrategia de enrutamiento y colocación precisa ser desarrollada para que los componentes puedan conectarse apropiadamente entre sí a través del diseño, sin crear problemas de interferencias/incompatibilidad electromagnética (EMI/EMC), de integridad de señal/potencia (SI/PI), y de vibraciones mecánicas. Lea las secciones debajo para ver cómo puede comenzar a trabajar con diseños de alta velocidad y dilucidar el importante rol de su software de diseño de PCBs.

Planificando su Sistema de Diseño de PBC multiplaca

El diseñar un arreglo de PCBs multiplaca, consiste en utilizar un sistema de proyecto de diseño por niveles que involucre definir conexiones entre todas las placas de su sistema. Un buen proceso para comenzar a planificar tentativamente su sistema de PCB multiplaca es el siguiente:

  • Determine la disposición de la placa. ¿Cómo se orientará cada placa con respecto a otra? ¿Tiene el sistema un elemento móvil que precisa interactuar de alguna manera con la placa? El modelado mecánico necesita comenzarse en esta etapa y determinará el "cómo" del diseño. 
  • Elija los conectores. ¿Las placas se interconectarán con conectores ordinarios placa a placa, conectores borde placa, cables planos flexibles o cables? Los conectores necesitan ser seleccionados para soportar la disposición de placa que necesita y al mismo tiempo caber en su carcasa.
  • Decida las funciones de la placa. Idealmente, cada placa de circuito en un sistema multiplaca realizará funciones específicas y debe sustentar únicamente los componentes necesarios para tales funciones. Esto puede forzarle a repensar la disposición de su placa y las opciones de conexión, por lo que debería piense bien al decidir qué funciones colocar en cada placa.
  • Asigne las señales a través de conectores. Cada conector debería soportar señales específicas o grupos de señales y también garantizar la integridad de la señal en el diseño. En esta etapa se puede determinar la disposición de los pines y definirlos en símbolos esquemáticos para los conectores.
  • Comience creando esquemáticos. Para mantenerse organizado, es mejor segmentar esquemáticos de manera que reflejen el arreglo de sus placas en la disposición de su sistema multiplaca. Cada conjunto de esquemáticos debiera contener únicamente componentes de una única placa, los componentes de diferentes placas no deberían ser colocados en las mismas hojas esquemáticas.

Luego de crear los esquemáticos para cada placa en el sistema, es tiempo de comenzar la disposición física del PCB para cada placa del circuito. Siga el proceso ordinario para diseño de PCBs importando los componentes en su diseño y colocándolos luego alrededor de cada placa. En este punto, los conectores pueden ser colocados en las posiciones previstas en el PCB y los conectores de borde pueden ser definidos sobre componentes específicos.

Edge connector multi-board PCB
Algunos diseños y maquetas PCB multiplaca utilizarán conectores de borde para establecer una conexión eléctrica entre dos placas

Antes de empezar con el enrutamiento de componentes, es importante que comience a pensar acerca de sus requerimientos mecánicos y si puede aun encajar el diseño en la carcasa pretendida luego de finalizar la disposición. Para hacer esto, se requiere un modelo de la carcasa y de cada placa en el sistema para garantizar que no haya interferencias y que todas las placas encajarán como usted pretende.

Diseño 3D nativo de PCBs para ensamblados multiplaca

Algunas mediciones y modelajes resultan muy difíciles de realizar en 2D, lo que crea riesgos de interferencias entre la placa del circuito, los componentes y la carcasa. En diseños PCB multiplaca, el ensamble de PCB comprende muchas placas, por lo que podría haber interferencias no deseadas entre placas en el diseño o entre componentes, cables u otros elementos del sistema. La mejor manera de prevenir esto es incorporar una revisión mecánica del proceso de diseño para garantizar que no haya interferencias.

Durante la revisión, las holguras son automáticamente comprobadas en 3D usando herramientas MCAD que examinan un modelo 3D de su placa, su carcasa y sus componentes. El formato del archivo de modelado 3D estándar en el software MCAD y las características de diseño del PCB es un modelo STEP. Por medio de la combinación de modelos STEP para cada componente de su diseño, su software de diseño puede crear un modelo realista de su placa.

Edge connector multi-board PCB assembly
Altium Designer permite a sus usuarios definir conexiones placa a placa en un sistema multiplaca

Si está trabajando con un diseñador mecánico para construir su diseño multiplaca, debería proveerle de un modelo de carcasa del PCB para el diseño. Este luego puede ser importado en su software de diseño para realizar revisiones de interferencias dentro de sus herramientas ECAD. La otra opción es exportar un modelo STEP o un archivo IDF de la placa, el cual luego puede ser importado en una aplicación MCAD para su verificación. El flujo de trabajo estándar en equipos de nivel empresarial está orientado a que el usuario de MCAD realice revisiones de modo que la colocación del componente pueda ser verificada.

Luego de haber completado la colocación inicial de todas las placas y habiendo revisado las interferencias, el diseño está listo para el enrutamiento. Los sistemas multiplaca necesitan algunas consideraciones de enrutamiento con protocolos de señales de alta y baja velocidad para garantizar la integridad de señal.

Enrutamiento de Sistemas Multiplaca

En cada placa, el enrutamiento debería ser realizado luego de configurar inicialmente las reglas de diseño, calculando todos los perfiles de impedancia requeridos y configurando el diseño dentro de un apropiado modo de enrutamiento. Si bien las interfaces de alta velocidad no están presentes en todas las placas del circuito, éstas pueden ser enrutadas entre placas, en un sistema multiplaca, a través de un conector de borde, cable, cable plano flexible, o conector de placa a placa. Las señales más lentas de un solo extremo, como las de pines genéricos (ej. GPIOs) o los protocolos de bus pueden ser también ser enrutados sobre cables y entre placas. Sin embargo, se deben tomar precauciones para asegurar una conexión a tierra uniforme y para prevenir problemas de integridad de señal que puedan surgir.

Definiendo el Plano de Tierra en Sistemas multiplaca

Como en otros PCBs, la conexión de tierra necesita estar claramente definida para garantizar la enrutabilidad para sus señales. Cuando usted enrute trayectorias de señales entre placas, utilice el proceso siguiente para asegurar que sea aplicado un potencial de tierra consistente lo largo de todo el sistema:

  1. Utilice planos de tierra en cada placa para proporcionar una impedancia característica clara, proveer blindaje para suprimir el EMI/Crosstalk y ayudar a generar un firme desacoplamiento de la red de distribución de energía (PDN).
  2. Al enrutar entre dos placas, incluya una conexión de tierra a través de los conectores de modo que las regiones de tierra en cada placa del circuito estén conectadas. Esto proveerá un blindaje a través del conector o cable.
  3. Para cables planos o cables de par trenzado, considere utilizar planos de tierra intercalados entre señales para proporcionar una referencia clara y un blindaje más firme en el trayecto de enrutamiento.

Este sencillo uso del plano de tierra cuando se enruta a lo largo de una conexión entre diseños de placas de circuito en un sistema multiplaca constituye una parte importante de la integridad de la señal. Esto colabora en definir una impedancia consistente, rutas de retorno y supresión de crosstalk (diafonía) en el diseño y enrutamiento de PCBs multiplaca. Si ha seguido estos pasos, es mucho más probable que mantenga la integridad de señal para señales de simple extremo a medida que enruta entre placas y sobre cables.

multi-board PCB design
Cuando las regiones de planos de tierra en un sistema multiplaca pueden ser fácilmente puenteadas sobre un conector, las dos placas quedarán al mismo potencial de tierra y las señales se podrán leer con precisión a cada lado de la conexión.

Desafortunadamente, hay algunos sistemas multiplaca que tienen una topología donde este tipo de conexión de tierra no puede ser provista. Este es a menudo el caso cuando el sistema esta físicamente difundido sobre varios gabinetes, en vez de tener todas las placas conectadas en la misma carcasa. Sin embargo, hay veces donde las placas están conectadas en cadena en el mismo gabinete y suministran alta potencia, en cuyo caso el diseño puede crear un problema de seguridad y confiabilidad que sólo es resuelto con un enrutamiento de par diferencial.

La razón del uso de Protocolos Diferenciales en un Diseño Multiplaca

Cuando se enruta sobre cables de mucha longitud como en los sistemas industriales, un mejor enfoque es el uso de protocolos diferenciales de enrutamiento. Los sistemas más grandes con conexiones a tierra entre placas, particularmente en sistemas de corriente continua (DC) donde la tierra puede conducir corrientes altas, pueden ser un peligro para la seguridad y pueden causar que el cable se dañe, dado que el cable disipa grandes cantidades de calor en las conexiones a tierra.

En los casos donde se esté utilizando un blindaje en sistemas más grandes conectados con cables, particularmente en arreglos de placas en serie, los planos de tierra en cada placa de circuito deberían ser aislados y no conectados entre sí. En lugar de esto, el chasis y la conexión a tierra deberían ser utilizados para el blindaje, y no el plano de tierra del PCB. Luego, para enrutar señales entre placas, deberían utilizarse los pares diferenciales ya que pueden acomodar al offset de tierra entre placas en un sistema multiplaca.

El motivo principal por el que los protocolos diferenciales son utilizados en sistemas multiplaca es que eliminan la necesidad de una clara referencia a tierra cuando se enruta entre dos placas de circuito en el sistema. Una vez que el par diferencial retorna sobre la placa y la señal de diferencia es leída, los datos pueden recuperase sin preocuparse del offset de tierra que ocurre durante el enrutamiento. Los protocolos diferenciales de enrutamiento más comunes entre PCBs en un sistema multiplaca incluyen CAN bus, Ethernet y RS485.

multi-board PCB design
Utilice pares diferenciales para enlaces largos sobre cables, especialmente cuando no se pueda implementar un blindaje.

Cuando necesite construir sistemas digitales avanzados de alta velocidad asegurándose de mantener la integridad de señal y de potencia, use el mejor conjunto de herramientas de diseño y disposición construido sobre un entorno de diseño basado en reglas. Tanto si necesita disponer una placa individual de computadora o un PCB con un complejo sistema de señales mixtas, las mejores herramientas de disposición de PCBs le brindarán flexibilidad mientras crea su diseño multiplaca y la disposición del PCB para cada una de las placas del circuito.

Los ingenieros de diseño de sistemas multiplaca, ingenieros de diagramación de PCB e ingenieros de integridad de señal y de potencia (SI/PI) confían en las herramientas avanzadas de diseño de Altium Designer® para sus necesidades de diseño y disposición. Cuando haya finalizado un diseño y esté listo para enviarlo a su fabricante, la plataforma Altium 365™ también se integra con el popular MCAD y las aplicaciones de simulación, dándole la capacidad de comprender mejor los comportamientos de la señal y la potencia en los sistemas multiplaca.

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Sobre el autor / Sobre la autora

Sobre el autor / Sobre la autora

Zachariah Peterson cuenta con una amplia experiencia técnica en el mundo académico y la industria. Antes de trabajar en la industria de PCB, enseñó en la Universidad Estatal de Portland. Realizó su investigación en Física MS sobre sensores de gas quimisortivo y su doctorado en Física Aplicada sobre teoría y estabilidad del láser aleatorio. Su experiencia en investigación científica abarca temas en láseres de nanopartículas, dispositivos semiconductores electrónicos y optoelectrónicos, sistemas ambientales y análisis financiero. Su trabajo ha sido publicado en varias revistas revisadas por pares y actas de conferencias, y ha escrito cientos de blogs técnicos sobre diseño de PCB para varias empresas. Zachariah trabaja con otras compañías en la industria de PCB proporcionando servicios de diseño e investigación. Es miembro de IEEE Photonics Society y de la American Physical Society.

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