Tout savoir sur la conception de PCB multicartes

De nombreux systèmes électroniques complexes sont construits sous forme de PCB multi-cartes. Ce type de conception présente certains avantages, comme la modularité que l'on retrouve sur des plateformes telles que Arduino et Raspberry Pi.

D'autres circuits imprimés courants comme les systèmes flexibles et flex-rigides sont des systèmes multi-cartes. Par conséquent, ils nécessitent une stratégie de layout et de routage commune.

Si vous souhaitez effectuer la conception de votre propre PCB multi-cartes, vous devez suivre certaines étapes de base pour vous assurer que votre conception dispose de la connectivité dont vous avez besoin.

Il est beaucoup plus facile de créer un système multi-cartes lorsque en utilisant le meilleur logiciel de conception de PCB. Les outils de conception dont vous avez besoin comprennent des utilitaires électriques standard, ainsi que l'intégration de la CAO mécanique, pour garantir l'assemblage correct de vos cartes.

Dans ce petit guide, nous aborderons certains des aspects fondamentaux de la définition de la connectivité dans votre conception tout en garantissant l'intégrité du signal.

Que ce soit pour la conception et le layout de PCB multicouches rigides standard ou de circuits imprimés flexibles et flex-rigides plus complexes, vous devez disposer d'outils de conception de base pour garantir un fonctionnement optimal.

La conception de PCB multi-cartes commence par une description mécanique de chaque carte de votre système et un plan de connexion entre elles.

Votre connexion peut comporter de simples connecteurs standardisés, tels que des connecteurs mezzanine, des connecteurs à broches ou des connecteurs de bord intégrés. Une fois ces éléments déterminés, vous devez élaborer une stratégie de placement et de routage afin que les composants puissent être correctement connectés entre eux tout au long de la conception sans créer de problèmes d'EMI, de CEM, d'intégrité du signal et de l'alimentation, ni de vibrations mécaniques.

Vous découvrirez ci-dessous comment débuter la conception haute vitesse, mais aussi quelle est l'importance du rôle majeur de votre logiciels de conception de PCB.

Planification de la conception d'un système PCB multicartes

Concevoir un PCB multi-cartes est un projet de conception au niveau du système et implique de définir des connexions entre toutes les cartes de ce dernier.

Voici une bonne méthode pour commencer à planifier votre système multicartes :

• Déterminez la disposition des cartes : comment seront-elles orientées les unes par rapport aux autres ? Le système comporte-t-il un élément mobile qui doit interagir avec la carte ? La modélisation mécanique doit commencer à ce stade et déterminera la conception.
• Choisissez les connecteurs : vos cartes seront-elles interconnectées avec des connecteurs de carte à carte, des connecteurs de bord, des rubans flexibles ou des câbles ? Vous devez choisir les connecteurs afin qu'ils s'adaptent à la disposition des cartes et s'intègrent à votre boîtier.
• Déterminez la fonction des cartes : idéalement, dans une conception de système multi-cartes, chaque carte remplit des fonctions spécifiques et doit uniquement contenir les composants nécessaires à cette fonction. Cette contrainte pourrait vous conduire à repenser la disposition des cartes et les options des connecteurs, alors pensez-y lorsque vous décidez des fonctions à placer sur chaque carte.
• Mettez en correspondance les signaux entre les connecteurs : chaque connecteur doit prendre en charge des signaux ou des groupes de signaux spécifiques, et garantir l'intégrité du signal. Vous pouvez déterminer les brochages à cette étape et les définir sur les symboles de schémas des connecteurs.
• Commencez à créer des schémas : pour rester organisé, nous vous recommandons de segmenter les schémas de manière à ce qu'ils reflètent la disposition de vos cartes dans la conception de votre système multi-cartes. Chaque jeu de schémas doit uniquement contenir les composants d'une seule carte. Les composants de différentes cartes ne doivent pas être placés sur les mêmes feuilles de schémas.

Après avoir créé des schémas pour chaque carte du système, commencez à créer le schéma de montage physique du PCB pour chaque carte du circuit. Suivez le processus standard de conception de PCB pour importer vos composants dans votre conception et les placer sur chaque carte.

À ce stade, vous pouvez placer les connecteurs aux positions prévues sur le PCB, et les connecteurs de bord peuvent être définis sur des composants spécifiques.

• En savoir plus sur la création de schémas pour votre circuit imprimé
• En savoir plus sur la création d'un routage de PCB à partir d'un schéma

Avant de commencer le routage des composants, vous devez réfléchir à vos besoins mécaniques et déterminer si vous pouvez toujours intégrer la conception dans le boîtier prévu une fois le layout terminé. Pour ce faire, vous devez travailler avec un modèle de boîtier et avec chaque carte du système afin de vous assurer qu'il n'y a pas d'interférences et que les cartes s'emboîteront comme prévu.

Conception de PCB en 3D native pour les assemblages multicartes

Il est très difficile de réaliser certaines mesures et modélisations en 2D, ce qui crée un risque d'interférence entre votre PCB, les composants et le boîtier.

Lors de la conception de PCB multi-cartes, l'assemblage implique plusieurs cartes. Par conséquent, il peut y avoir des interférences indésirables entre les cartes de la conception ou entre les composants, les câbles et d'autres éléments du système. Pour éviter cela, nous vous recommandons d'intégrer un contrôle mécanique a posteriori au processus de conception.

Lors du contrôle a posteriori, les espacements sont automatiquement vérifiés en 3D à l'aide d'outils de CAO mécanique. Ces derniers examinent un modèle en 3D de votre carte, votre boîtier et vos composants.

Le format de fichier de modélisation 3D standard dans les logiciels de CAO mécanique et les fonctionnalités de conception de circuits imprimés est le modèle STEP.

En combinant des modèles STEP pour chaque composant de votre conception, votre logiciel de conception peut créer un modèle réaliste de la carte.

Si vous travaillez avec un concepteur mécanique pour votre conception multi-cartes, il doit vous fournir un modèle de boîtier de PCB. Vous pourrez ensuite l'importer dans votre logiciel de conception afin de vérifier les interférences dans vos outils de CAO électronique.

L'autre option consiste à exporter un modèle STEP ou un fichier IDF pour la carte, qui peut ensuite être importé dans une application de CAO mécanique pour effectuer un contrôle a posteriori.

Le processus standard des équipes professionnelles permet à l'utilisateur de CAO mécanique d'effectuer un contrôle a posteriori afin de vérifier le placement des composants.

• En savoir plus sur l'importance des modèles de boîtiers dans la conception de PCB

Une fois que le placement initial sur toutes les cartes est terminé et que les interférences ont été vérifiées, la conception est prête pour le routage. Les systèmes multicartes nécessitent quelques considérations importantes en matière de routage avec des signaux à grande vitesse et des protocoles numériques à plus faible vitesse afin de garantir l'intégrité du signal.

Routage des systèmes multicartes

Sur chaque carte, le routage doit être effectué après avoir défini les règles de conception initiales, calculé le profil d'impédance et placé la conception dans le mode de routage approprié.

Bien que les interfaces haute vitesse ne soient pas présentes sur toutes les cartes, elles peuvent être acheminées entre les cartes d'un système multi-cartes par l'intermédiaire d'un connecteur de bord, d'un câble, d'un ruban flexible ou d'un connecteur carte à carte.

Les signaux asymétriques plus lents (les GPIO, par exemple) ou les protocoles de bus peuvent également être routés par des câbles et entre les cartes. Cependant, vous devez vous assurer que la mise à la masse est uniforme et éviter les problèmes d'intégrité du signal qui peuvent survenir.

Définition de la masse lors de la conception d'un système PCB multicartes

Tout comme pour les autres PCB, la mise à la masse d'un layout multicartes doit être clairement définie afin de garantir le routage de vos signaux.

Lorsque vous procédez au routage des signaux entre les cartes, utilisez le processus suivant pour garantir un potentiel de masse cohérent dans l'ensemble du système :

1. Utilisez des plans de masse dans chaque carte pour fournir une impédance caractéristique claire, un blindage pour supprimer les interférences électromagnétiques/la diaphonie et contribuer à fournir un découplage solide dans le réseau de distribution électrique.
2. Lors du routage entre les deux cartes, prévoyez une connexion à la masse sur les connecteurs afin que les régions de masse de chaque carte soient connectées. Vous obtiendrez ainsi un blindage à travers le connecteur ou le câble.
3. Pour les câbles ruban ou à paires torsadées, pensez à utiliser des masses entrelacées entre les signaux afin de fournir une référence claire et un blindage plus solide dans le chemin de routage.

Cette simple utilisation de la masse lors du routage d'une connexion entre les circuits imprimés d'un système multicartes est un élément clé de l'intégrité des signaux. Elle permet de définir une impédance cohérente, des chemins de retour et de supprimer la diaphonie dans la conception et le routage de PCB multi-cartes.

Si vous avez suivi ces étapes, vous avez beaucoup plus de chances de maintenir l'intégrité des signaux asymétriques lors du routage entre les cartes et sur les câbles.

• En savoir plus sur l'importance d'une mise à la masse uniforme dans votre PCB

Malheureusement, la topologie de certains systèmes multi-cartes ne permet pas d'assurer ce type de connexion à la masse. C'est souvent le cas lorsque le système est physiquement réparti sur plusieurs boîtiers, plutôt que d'avoir toutes les cartes connectées dans le même boîtier.

Cependant, il arrive que les cartes soient connectées en « daisy chain » dans le même boîtier et fournissent une puissance plus élevée. Dans ce cas, la conception peut créer des problèmes de sécurité et de fiabilité, qui peuvent uniquement être résolus grâce au routage de paires différentielles.

Pourquoi les protocoles différentiels sont-ils utilisés dans la conception de systèmes multicartes ?

Lorsque le routage s'effectue sur de longs câbles, comme dans les systèmes industriels, il est préférable d'utiliser des protocoles différentiels.

Les systèmes plus grands qui comportent des connexions à la masse entre les cartes, en particulier dans les systèmes à courant continu où la masse peut transporter un courant élevé, peuvent présenter un risque pour la sécurité et endommager le câble qui diffuse une chaleur élevée dans les connexions à la masse.

Dans le cas où le blindage est utilisé sur des systèmes plus importants connectés à des câbles, en particulier dans les dispositions linéaires de cartes en série, les plans de masse de chaque carte du PCB doivent être isolés et non connectés les uns aux autres. Le châssis et une connexion à la terre doivent être utilisés pour le blindage, et non pour le plan de masse du PCB.

Ensuite, pour acheminer les signaux entre les cartes, il convient d'utiliser des paires différentielles. En effet, elles peuvent s'adapter à un décalage de masse entre les cartes dans un système multi-cartes.

Pour quelle raison les protocoles différentiels sont-ils utilisés dans les systèmes multicartes ? Ils éliminent le besoin d'une référence de masse claire lors du routage entre deux circuits imprimés dans le système. Une fois que la paire différentielle revient sur une carte et que le signal de différence est lu, les données peuvent être récupérées sans se soucier du décalage de masse qui se produit pendant le routage.

Les protocoles différentiels courants pour le routage entre les PCB dans un système multi-cartes comprennent le bus CAN, Ethernet et RS485.

• En savoir plus sur le routage et la mise à la masse des paires différentielles dans la conception de PCB

Lorsque vous devez créer des systèmes numériques avancés à haute vitesse tout en veillant à préserver l'intégrité du signal et de l'alimentation, il est important de disposer du meilleur ensemble d'outils de conception et de layout à haute vitesse reposant sur un moteur de règles.

Que vous ayez besoin d'effectuer le layout d'un ordinateur à carte unique dense ou d'un PCB complexe à signaux mixtes, les meilleurs outils de routage vous permettront de réaliser votre conception et le layout de vos PCB multi-cartes avec une flexibilité remarquable.

Les concepteurs de systèmes multi-cartes, les ingénieurs chargés des schémas de montage et les ingénieurs SI/PI se servent des outils de conception avancés d'Altium Designer® pour concevoir des circuits et en réaliser le layout.

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Altium Designer s'intègre également aux applications de CAO mécanique et de simulation courantes, ce qui vous permet de mieux comprendre le comportement de l'alimentation et des signaux dans les systèmes de cartes multi-circuits.

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