Che cos'è la progettazione multischeda?

Zachariah Peterson
|  Creato: September 12, 2021
Progettazione multischeda

Molti sistemi elettronici complessi sono pensati come array multischeda. Sono molti i vantaggi di questo tipo di progettazione, per esempio la modularità che potrai apprezzare su piattaforme come Arduino e Raspberry Pi. Altri tipi comuni di circuiti stampati, come i sistemi flessibili e rigido-flessibili, sono sistemi multischeda che richiedono un layout PCB e una strategia di routing unificata. Se desideri sviluppare un sistema multischeda, ci sono alcuni passaggi fondamentali da seguire per assicurare la connettività necessaria al tuo progetto.

Creare un sistema multischeda è molto più semplice quando si utilizza il miglior software di progettazione PCB. I pacchetti di strumenti PCB che il tuo software di progettazione dovrebbe offrirti includono utilità elettriche standard, nonché l'integrazione MCAD per garantire il corretto accoppiamento delle schede. In questa breve guida, tratteremo alcuni degli aspetti fondamentali riguardo alla definizione della connettività del progetto e forniremo alcune dritte per garantire l'integrità del segnale. Che si lavori con la progettazione e il layout PCB multistrato rigido standard, o con circuiti stampati flessibili/rigido-flessibili più complessi, ci sono alcuni pacchetti di strumenti di progettazione fondamentali per garantire la buona riuscita del progetto.

La progettazione multischeda parte dalla creazione del profilo meccanico di ogni scheda nel sistema e dalla pianificazione di come collegare le schede tra loro. Il tuo stile di connessione potrebbe comportare l’utilizzo di semplici connettori standardizzati, come connettori mezzanine o header, oppure connettori edge integrati. Una volta determinati questi aspetti, è necessario sviluppare una strategia di posizionamento e routing in modo che i componenti possano connettersi correttamente tra loro durante la progettazione senza creare problemi di EMI/EMC, d'integrità di segnale o potenza e vibrazioni meccaniche. Continua a leggere per saperne di più su come iniziare con la progettazione ad alta velocità e capire l'importanza del giusto software di progettazione PCB.

Pianificare la progettazione del sistema PCB multischeda

Progettare un PCB multischeda richiede un lavoro di progettazione a livello di sistema che comporta la definizione delle connessioni tra tutte le schede del sistema. Un buon metodo per iniziare la pianificazione del tuo sistema PCB multischeda è il seguente:

  • Disposizione delle schede: come saranno orientate le schede l'una rispetto all'altra? Il sistema ha un elemento mobile che deve interagire in qualche modo con la scheda? La modellazione meccanica deve iniziare già in questa fase in quanto determinerà le fasi successive di progettazione.
  • Scelta dei connettori: le tue schede si interconnetteranno con connettori scheda-scheda, connettori edge, nastri flessibili o cavi standardizzati? I connettori devono poter supportare la disposizione della scheda e allo stesso tempo adattarsi alla custodia.
  • Scelta delle funzioni della scheda: in teoria, ogni scheda di un sistema multischeda dovrebbe eseguire funzioni specifiche e contenere solo i componenti necessari per supportare tale funzione. Questo potrebbe costringerti a ripensare alla disposizione della scheda e alla scelta dei connettori, quindi pensa bene a quali funzioni assegnare ad ogni scheda.
  • Mappatura dei segnali tra i connettori: ogni connettore dovrebbe supportare segnali o gruppi di segnali specifici, oltre a garantire l'integrità del segnale nella progettazione. I pinout possono essere determinati in questa fase e possono essere definiti su simboli schematici per i connettori.
  • Creazione degli schemi: per ottimizzare l’organizzazione, potrebbe essere opportuno segmentare gli schemi in modo che rispecchino la disposizione delle schede nel layout del sistema multischeda. Ogni set di schemi dovrebbe contenere solo i componenti di una singola scheda, mentre i componenti di schede diverse non dovrebbero essere collocati all’interno degli stessi fogli schematici.

Dopo aver creato gli schematici per ogni scheda del sistema, è il momento di iniziare a creare il layout fisico per ciascun circuito stampato. Segui la procedura standard di progettazione PCB per importare i tuoi componenti nel tuo progetto e posizionarli su ciascuna scheda. A questo punto, i connettori possono essere posizionati sul PCB mentre i connettori perimetrali possono essere assegnati a componenti specifici.

Connettori perimetrali su PCB multischeda
Alcuni progetti e layout PCB multischeda utilizzano connettori perimetrali per creare una connessione elettrica tra due schede

Prima di iniziare a sbrogliare i componenti, è importante pensare ai requisiti meccanici e all'inserimento del circuito stampato all'interno della custodia. Per fare questo, è necessario lavorare con un modello del contenitore e di ciascuna scheda del sistema, per garantire che non vi siano interferenze e che le schede si inseriscano come previsto.

Progettazione PCB 3D nativa per assemblaggi multischeda

Alcune misurazioni e modellazioni risultano molto complesse in 2D, creando rischi di interferenza tra il circuito stampato, i componenti e il contenitore. Nella progettazione PCB multischeda, un assieme PCB comprende più schede. Questo comporta la creazione di potenziali interferenze indesiderate tra le schede del progetto o tra componenti, cavi e altri elementi del sistema. Il modo migliore per evitare queste interferenze è l'implementazione di un sistema di ricontrollo meccanico durante la progettazione.

Durante il ricontrollo, le distanze vengono verificate automaticamente in 3D utilizzando strumenti MCAD che esaminano il modello 3D della scheda, della custodia e dei componenti. Il formato di file standard di modellazione 3D del software MCAD e delle funzionalità di progettazione PCB è un modello STEP. Combinando i file STEP per ogni componente del tuo progetto, il tuo software di progettazione sarà in grado di creare un modello realistico della scheda.

Assemblaggio PCB multischeda con connettori perimetrali
Altium Designer consente agli utenti di definire connessioni scheda-scheda in un sistema PCB multischeda.

Se stai lavorando con un progettista meccanico per la costruzione del tuo design multischeda, dovrebbe poterti fornire un modello del tuo contenitore PCB. Questo potrà quindi essere importato nel tuo software di progettazione PCB per eseguire il controllo delle interferenze all'interno dei tuoi strumenti ECAD. Un'altra opzione consiste nell'esportare un modello STEP o un file IDF per la scheda, che potrà quindi essere importato in un'applicazione MCAD per il ricontrollo. Il normale flusso di lavoro nei team aziendali prevede che sia l'utente MCAD a eseguire il ricontrollo e verificare il posizionamento dei componenti.

Dopo aver completato e verificato il posizionamento dei componenti su tutte le schede, il progetto è pronto per il routing. I sistemi multischeda richiedono alcune importanti considerazioni per quanto riguarda il routing con segnali ad alta velocità e protocolli digitali a velocità inferiore per garantire l'integrità del segnale.

Routing dei sistemi multischeda

In ogni scheda, il routing deve essere eseguito dopo aver impostato le regole di progettazione iniziali, aver calcolato l'eventuale profilo di impedenza richiesto e aver impostato il progetto nella modalità di routing appropriata. Anche se le interfacce ad alta velocità non sono presenti su tutte le schede, possono comunque essere sbrogliate in un sistema multischeda tramite un connettore perimetrale, un cavo, un nastro flessibile o un connettore scheda-scheda. I segnali single-ended più lenti (ad es. da GPIO) o i protocolli bus possono essere instradati anche su cavi e tra schede. È tuttavia necessario poter garantire una messa a terra uniforme e prevenire eventuali problemi di integrità del segnale.

Potenziale di riferimento nei sistemi multischeda

Proprio come negli altri circuiti, anche in un PCB multischeda il potenziale di riferimento deve essere definito chiaramente per garantire il routing dei segnali. Quando sbrogli i percorsi del segnale tra le schede, utilizza il seguente metodo per garantire un potenziale di riferimento costante in tutto il sistema:

  1. Utilizza piani di massa in ciascuna scheda per garantire un'impedenza caratteristica ben definita, fornire schermatura per sopprimere EMI/diafonia e garantire un buon disaccoppiamento nella PDN.
  2. Quando si esegue il routing tra le due schede, includi una connessione di massa attraverso i connettori in modo che le regioni di messa a terra in ciascuna scheda siano collegate. Questo fornirà schermatura attraverso il connettore o il cavo.
  3. Per i cavi a nastro o i cavi a doppino intrecciato, prendi in considerazione l'utilizzo di ground interlacciato tra i segnali per fornire un riferimento chiaro e una schermatura maggiore nel percorso di routing.

Questo semplice utilizzo del ground durante il routing delle connessioni tra i PCB di un sistema multischeda è fondamentale per garantire l'integrità di segnale. Questo aiuta a definire l’impedenza costante, i percorsi di ritorno e la soppressione della diafonia nella progettazione e nel routing PCB multischeda. Seguendo questi passaggi, sarà molto più facile riuscire a mantenere l'integrità dei segnali single-ended durante il passaggio tra le schede e i cavi.

Progettazione PCB multischeda
Quando le regioni di messa a terra nei PCB di un sistema multischeda possono essere facilmente ponticellate su un connettore, le due schede avranno lo stesso potenziale di terra e i segnali potranno esser letti con precisione su ciascun lato della connessione.

Sfortunatamente, alcuni sistemi multischeda hanno una topologia che non consente questo tipo di collegamento. Per esempio, quando il sistema è fisicamente distribuito su più chassis invece di avere tutte le schede collegate nello stesso telaio. Tuttavia, ci sono volte in cui le schede sono collegate a margherita nello stesso chassis fornendo una potenza elevata. In questo caso, il design può creare un problema di sicurezza e affidabilità che può essere risolto solo con il routing delle coppie differenziali.

Perché i protocolli differenziali vengono utilizzati nella progettazione multischeda?

Quando si esegue il routing su cavi lunghi, come per esempio nei sistemi industriali, l'approccio migliore consiste nell'utilizzare protocolli differenziali per il routing. Sistemi più grandi con connessioni ground tra le schede, in particolare sistemi CC in cui il ground può trasportare corrente elevata, possono rappresentare un rischio per la sicurezza e causare il danneggiamento del cavo poiché dissipa calore elevato nelle connessioni ground.

Nel caso in cui la schermatura venga utilizzata su sistemi più grandi collegati con cavi, in particolare nelle disposizioni lineari di schede in serie, i piani di massa di ciascuna scheda dovrebbero essere isolati e non collegati tra loro. Al posto del piano di massa del PCB, dovrebbero essere usati per la schermatura lo chassis e una connessione di terra. Per sbrogliare i segnali tra le schede, dovrebbero essere quindi utilizzate coppie differenziali, in quanto possono adattarsi a un ground offset tra le schede di un sistema multischeda.

I protocolli differenziali vengono utilizzati nei sistemi multischeda soprattutto perché eliminano la necessità di un chiaro potenziale di riferimento durante il routing tra due schede nel sistema. Una volta che la coppia differenziale ritorna su una scheda e viene letto il segnale di differenza, i dati possono essere recuperati senza preoccuparsi dell’offset che si verifica durante il routing. I protocolli differenziali più comuni per l'instradamento tra PCB in un sistema multischeda includono bus CAN, Ethernet e RS485.

multi-board PCB design
Usa coppie differenziali per collegamenti lunghi su cavo, soprattutto dove non è possibile implementare la schermatura.

Quando è necessario creare sistemi digitali avanzati ad alta velocità, garantendo al contempo l'integrità del segnale e dell'alimentazione, è importante avere a disposizione il miglior pacchetto di strumenti di progettazione e layout ad alta velocità costruiti su un motore di progettazione basato su regole. Che tu debba realizzare il layout di un progetto a scheda singola e ad alta densità, o di un PCB complesso a segnale misto, i migliori strumenti di layout PCB soddisferanno le tue esigenze, aiutandoti a creare un progetto multischeda, così come il layout PCB per ciascuna scheda.

I progettisti di sistemi multischeda, quelli di layout PCB e gli ingegneri SI/PI si affidano agli strumenti di progettazione avanzati di Altium Designer® per le loro esigenze di progettazione e layout. Quando hai finito un progetto e sei pronto per mandarlo in produzione, la piattaforma Altium 365™ semplifica la collaborazione e la condivisione dei tuoi lavori. Altium Designer si integra con tutte le più diffuse applicazioni MCAD e di simulazione, offrendoti la possibilità di comprendere appieno il comportamento di alimentazione e segnale dei sistemi multischeda.

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Sull'Autore

Sull'Autore

Zachariah Peterson ha una vasta esperienza tecnica nel mondo accademico e industriale. Prima di lavorare nel settore dei PCB, ha insegnato alla Portland State University. Ha condotto la sua Fisica M.S. ricerche sui sensori di gas chemisorptivi e il suo dottorato di ricerca in fisica applicata, ricerca sulla teoria e stabilità del laser casuale. Il suo background nella ricerca scientifica abbraccia temi quali laser a nanoparticelle, dispositivi semiconduttori elettronici e optoelettronici, sistemi ambientali e analisi finanziaria. Il suo lavoro è stato pubblicato in diverse riviste specializzate e atti di conferenze e ha scritto centinaia di blog tecnici sulla progettazione di PCB per numerose aziende. Zachariah lavora con altre società del settore PCB fornendo servizi di progettazione e ricerca. È membro della IEEE Photonics Society e dell'American Physical Society.

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