Qu'est-ce que la conception multi-cartes ?

Zachariah Peterson
|  Créé: September 16, 2021
Conception multi-cartes

De nombreux systèmes électroniques complexes sont construits sous forme de réseaux de circuits imprimés à cartes multiples. Ce type de conception présente certains avantages, comme la modularité que l'on retrouve dans des plateformes comme Arduino et Raspberry Pi. D'autres types courants de cartes de circuits imprimés, comme les systèmes flexibles et rigides-flexibles, sont des systèmes multi-cartes et nécessitent une stratégie commune de disposition et de routage des cartes de circuits imprimés. Si vous souhaitez développer votre propre système multi-cartes, vous pouvez suivre certaines étapes de base pour vous assurer que votre conception aura la connectivité dont vous avez besoin.

La création d'un système multicarte est beaucoup plus facile lorsque vous utilisez le meilleur logiciel de conception de circuits imprimés pour votre carte. Les outils PCB dont vous avez besoin dans votre logiciel de conception comprennent des utilitaires électriques standard, ainsi que l'intégration de CAO mécanique pour garantir que vos cartes s'accouplent correctement. Dans ce petit guide, nous allons couvrir certains des aspects fondamentaux de la définition de la connectivité dans votre conception tout en assurant l'intégrité des signaux dans la conception. Que vous travailliez sur la conception de circuits imprimés multicouches rigides standard ou sur des circuits imprimés flexibles/rigides-flexibles plus complexes, vous aurez besoin de quelques outils de conception de base pour vous assurer que votre conception fonctionne comme prévu.

La conception multi-cartes commence par un schéma mécanique de chaque carte de votre système et un plan de la façon dont elles seront connectées les unes aux autres. Votre style de connexion peut impliquer de simples connecteurs standardisés, tels que des connecteurs mezzanine ou d’en-têtes de broche, ou des connecteurs de bord de carte intégrés. Une fois ces points déterminés, il faut élaborer une stratégie de placement et de routage afin que les composants puissent se connecter correctement les uns aux autres tout au long de la conception sans créer de problèmes d'EMI/EMC, de SI/PI et de vibrations mécaniques. Lisez les sections ci-dessous pour voir comment vous pouvez vous lancer dans la conception à grande vitesse et le rôle important de votre logiciel de conception de PCB.

Planification de la conception de votre système de PCB multi-cartes

Designing a multi-board PCB arrangement is a system-level design project and involves defining connections between all the boards in your system. A good process to start floorplanning your multi-board PCB system is as follows:

  • Déterminez la disposition des cartes : Comment les cartes seront-elles orientées les unes par rapport aux autres ? Le système comporte-t-il un élément mobile qui doit interagir avec une carte d'une manière ou d'une autre ? La modélisation mécanique doit commencer à ce stade afin de déterminer la façon dont le design sera conçu. 
  • Choisissez les connecteurs : Vos cartes seront-elles interconnectées avec des connecteurs carte à carte, des connecteurs de bord, des rubans flexibles ou des câbles disponibles sur le marché ? Les connecteurs doivent être choisis pour prendre en charge la disposition des cartes requise tout en s'adaptant à votre boîtier.
  • Déterminez les fonctions des cartes : Idéalement, chaque carte de circuit imprimé d'un système multicarte remplit des fonctions spécifiques et ne doit contenir que les composants nécessaires à ces fonctions. Cela peut vous obliger à repenser la disposition des cartes et les options de connecteurs. Pensez-y lorsque vous décidez quelles fonctions placer sur quelles cartes.
  • Mappez les signaux sur les connecteurs : Chaque connecteur doit prendre en charge des signaux ou des groupes de signaux spécifiques, et garantir l'intégrité des signaux dans la conception. Les brochages peuvent être déterminés à ce stade et peuvent être définis sur les symboles schématiques des connecteurs.
  • Commencez à créer des schémas : Pour rester organisé, il est préférable de segmenter les schémas de manière à ce qu'ils reflètent la disposition de vos cartes dans le layout de votre système multi-cartes. Chaque groupe de schémas ne doit contenir que les composants d'une seule carte. Les composants de différentes cartes ne doivent pas être placés dans les mêmes feuilles de schémas.

Après avoir créé des schémas pour chaque carte du système, il est temps de commencer à créer la disposition physique du circuit imprimé pour chaque carte électronique. Suivez le processus standard de conception de PCB pour importer vos composants dans votre conception et les placer sur chaque carte. À ce stade, les connecteurs peuvent être placés aux endroits prévus sur le PCB, et les connecteurs de bord de carte peuvent être définis sur des composants spécifiques.

Connecteur de bord de carte pour circuit imprimé multi-cartes
Certaines conceptions de circuits imprimés multi-cartes utilisent des connecteurs de bord de carte pour établir une connexion électrique entre deux cartes.

Avant de commencer à acheminer les composants, il est important de réfléchir à vos exigences mécaniques et à la possibilité de faire entrer la conception dans le boîtier prévu une fois la mise en page terminée. Pour ce faire, il faut travailler avec un modèle du boîtier et de chaque carte du système pour s'assurer qu'il n'y a pas d'interférences et que les cartes s'emboîtent comme prévu.

Conception de PCB en 3D native pour les assemblages multi-cartes

Certaines mesures et modélisations sont très difficiles à concevoir en 2D, ce qui crée un risque d'interférence entre votre circuit imprimé, les composants et le boîtier. Dans le cas d'une conception de PCB multi-cartes, l’assemblage du circuit imprimé implique plusieurs cartes, et il peut y avoir des interférences indésirables entre les cartes de la conception, ou entre les composants, les câbles et les autres éléments du système. La meilleure façon d'éviter cela est d'incorporer une vérification mécanique anticipée dans le processus de conception pour s'assurer qu'il n'y ait pas d'interférences.

Lors de la vérification anticipée, les autorisations sont automatiquement vérifiés en 3D à l'aide d'outils de CAO mécanique qui examinent le modèle 3D de votre carte, de votre boîtier et de vos composants. Le format de fichier de modélisation 3D standard des logiciels de CAO mécanique et des fonctions de conception de circuits imprimés est un modèle STEP. En combinant les modèles STEP pour chaque composant de votre conception, votre logiciel de conception peut créer un modèle réaliste de la carte.

Assemblage de PCB multi-cartes avec connecteur de bord de carte
Altium Designer permet aux utilisateurs de définir des connexions carte à carte dans un système de PCB multi-cartes.

Si vous travaillez avec un designer mécanique pour réaliser votre conception multicarte, celui-ci doit vous fournir un modèle du boîtier du circuit imprimé pour la conception. Ce modèle peut ensuite être importé dans votre logiciel de conception de PCB pour effectuer un contrôle d'interférence dans vos outils de CAO mécanique. 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 la vérification anticipée. Le flux de travail standard dans les équipes d'entreprise est que l'utilisateur de la CAO mécanique effectue une vérification anticipée afin de vérifier le placement des composants.

Après le placement initial sur toutes les cartes et la vérification des interférences, la conception est prête pour le routage. Les systèmes multi-cartes nécessitent quelques considérations importantes en matière de routage avec des signaux à grande vitesse et des protocoles numériques à plus faible vitesse pour garantir l'intégrité des signaux.

Routage dans les systèmes multi-cartes

Dans chaque carte, le routage doit être effectué après la mise en place des règles de conception initiales, le calcul de tout profil d'impédance requis et le réglage de la conception dans le mode de routage approprié. Bien que les interfaces à haut débit ne soient pas présentes sur chaque carte de circuit imprimé, elles peuvent être acheminées entre les cartes d'un système multi-cartes par le biais d'un connecteur de bord, d'un câble, d'un ruban flexible ou d'un connecteur carte à carte. Les signaux asymétriques plus lents (par exemple, ceux des GPIO) ou les protocoles de bus peuvent également être acheminés par des câbles et entre les cartes. Toutefois, il faut veiller à assurer une mise à la terre uniforme et à prévenir les problèmes d'intégrité du signal qui peuvent survenir.

Définir le plan de masse dans les systèmes multi-cartes

Tout comme dans les autres PCB, le plan de masse dans une disposition multi-cartes doit être clairement défini pour assurer le routage de vos signaux. Lorsque vous acheminez des chemins de signaux entre les cartes, utilisez le processus suivant pour vous assurer qu'un potentiel de masse cohérent est appliqué dans tout le système :

  1. Utilisez des plans de masse sur chaque carte afin de fournir une impédance caractéristique claire, d'assurer un blindage pour supprimer les interférences électromagnétiques/la diaphonie et de contribuer à un découplage fort dans le PDN.
  2. Lors de l'acheminement entre les deux cartes, incluez une connexion de masse entre les connecteurs afin que les zones de masse de chaque carte de circuit imprimé soient connectées. Cela permettra d'obtenir un blindage à travers le connecteur ou le câble.
  3. Pour les câbles ruban ou les câbles torsadés, envisagez d'utiliser une mise à la terre intercalée entre les signaux pour fournir une référence claire et un blindage plus fort dans le chemin d'acheminement.

Cette simple utilisation de la masse lors du routage à travers une connexion entre des conceptions de circuits imprimés dans un système multicarte est une partie importante de l'intégrité du signal. Cela permet de définir une impédance cohérente, des chemins de retour et une suppression de la diaphonie dans la conception et le routage des circuits imprimés multi-cartes. Si vous avez suivi ces étapes, vous avez beaucoup plus de chances de maintenir l'intégrité du signal pour les signaux asymétriques lors du routage entre les cartes et sur les câbles.

conception de circuits imprimés multicartes
Lorsque les zones de masse des cartes d'un système multicarte peuvent être facilement reliées par un connecteur, les deux cartes sont au même potentiel de masse et les signaux peuvent être lus avec précision de chaque côté de la connexion.

Malheureusement, certains systèmes multi-cartes ont une topologie qui 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 parties, plutôt que d'avoir toutes les cartes connectées dans le même boîtier. Cependant, il arrive que des cartes soient montées en guirlande dans la même partie et fournissent une puissance élevée. Dans ce cas, la conception peut créer un problème de sécurité et de fiabilité qui n'est résolu que par le routage des paires différentielles.

Pourquoi les protocoles de différentielles sont utilisés dans la conception multi-cartes

Lorsque le routage s'effectue sur de longs câbles, comme dans les systèmes industriels, une meilleure approche consiste à utiliser des protocoles de différentielles pour le routage. Les systèmes de plus grande taille comportant 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 peuvent endommager le câble car celui-ci dissipe une chaleur élevée dans les connexions à la masse.

Dans le cas où le blindage est utilisé sur des systèmes plus importants connectés par des câbles, en particulier dans des arrangements linéaires de cartes en série, les plans de masse de chaque carte de circuit imprimé doivent être isolés et non connectés les uns aux autres. Le châssis et une connexion de masse doivent être utilisés pour le blindage, et non le plan de masse de la carte. Ensuite, pour acheminer les signaux entre les cartes, il convient d'utiliser des paires différentielles, car elles peuvent s'adapter à un décalage de masse entre les cartes d'un système multicarte.

La principale raison pour laquelle les protocoles de différentielles sont utilisés dans les systèmes multi-cartes est qu'ils éliminent le besoin d'une référence de masse claire lors de l'acheminement entre deux cartes du 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 de différentielles courants pour l'acheminement entre les cartes de circuits imprimés dans un système multi-cartes comprennent le bus de données CAN, Ethernet et RS485.

Utilisez des paires différentielles pour les liaisons plus longues par câble, en particulier lorsque le blindage ne peut pas être mis en œuvre.
Utilisez des paires différentielles pour les liaisons plus longues par câble, en particulier lorsque le blindage ne peut pas être mis en œuvre.

Lorsque vous devez construire des systèmes numériques avancés à haut débit tout en veillant à préserver l'intégrité du signal et de l'alimentation, utilisez le meilleur ensemble d'outils de conception à haut débit construit sur un moteur de conception piloté par des règles. Que vous ayez besoin de concevoir un ordinateur monocarte dense ou un circuit imprimé complexe à signaux mixtes, les meilleurs outils de schématisation de circuits imprimés vous aideront à rester flexible lors de la création de votre conception multicarte et de la mise en page de chacune de vos cartes de circuit imprimé.

Les ingénieurs de conception de systèmes multi-cartes, les ingénieurs d'implantation de PCB et les ingénieurs SI/PI font confiance aux outils de conception avancés d'Altium Designer® pour leurs besoins de conception et d'implantation. Lorsque vous avez terminé une conception et que vous êtes prêt à la lancer en fabrication, la plateforme Altium 365™ facilite la collaboration et le partage de vos projets. Altium Designer s'intègre également aux applications populaires de CAO mécanique et de simulation, ce qui vous permet de mieux comprendre le comportement de l'alimentation et des signaux dans les systèmes multi-cartes.

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A propos de l'auteur

A propos de l'auteur

Zachariah Peterson possède une vaste expérience technique dans le milieu universitaire et industriel. Avant de travailler dans l'industrie des PCB, il a enseigné à la Portland State University. Il a dirigé son M.S. recherche sur les capteurs de gaz chimisorptifs et son doctorat en physique appliquée, recherche sur la théorie et la stabilité du laser aléatoire. Son expérience en recherche scientifique couvre des sujets tels que les lasers à nanoparticules, les dispositifs électroniques et optoélectroniques à semi-conducteurs, les systèmes environnementaux et l'analyse financière. Ses travaux ont été publiés dans diverses revues spécialisées et actes de conférences et il a écrit des centaines de blogs techniques sur la conception de PCB pour de nombreuses entreprises. Zachariah travaille avec d'autres sociétés de PCB fournissant des services de conception et de recherche. Il est membre de l'IEEE Photonics Society et de l'American Physical Society

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