Che cos'è la progettazione multi-scheda?

Molti sistemi elettronici complessi sono costruiti come array multi board di PCB. Questo tipo di sistema presenta alcuni vantaggi, come ad esempio la modularità che si può osservare in piattaforme come Arduino e Raspberry Pi. Altri tipi comuni di circuiti stampati come i sistemi flessibili e rigido-flessibili sono sistemi multi-scheda e richiedono un strategia comune di layout e routing dei PCB. Se intendi sviluppare un tuo sistema di schede multi-circuito, ci sono alcuni passi fondamentali che puoi compiere per assicurarti che il tuo progetto abbia la connettività di cui hai bisogno.

Creare un sistema multi-PCB è molto più semplice se si usa il miglior software di progettazione PCB per la propria scheda. I set di strumenti PCB necessari nel software di progettazione includono le utility elettriche standard e l'integrazione MCAD per avere la certezza che le schede si accoppino correttamente. In questa breve guida, tratteremo alcuni degli aspetti fondamentali della definizione della connettività nella progettazione, garantendo al contempo l'integrità del segnale. Sia che si tratti di progettazione e layout di PCB rigidi multi-strato standard o di circuiti flessibili o rigido-flessibili più complessi, ci sono alcuni strumenti di progettazione di base di cui avrai bisogno per assicurarti che il tuo progetto funzioni come previsto.

Il multi board design inizia con uno schema meccanico di ogni scheda del sistema e un piano per il collegamento reciproco. La modalità di connessione può prevedere semplici connettori standardizzati, come i connettori intermedi o i pin header, o connettori di scheda integrati. Una volta determinati questi punti, è necessario sviluppare una strategia di posizionamento e routing in modo che i componenti possano collegarsi correttamente tra loro in tutto il progetto senza creare problemi di EMI/EMC, SI/PI e vibrazioni meccaniche. Continua a leggere per saperne di più sulla progettazione ad alta velocità e per capire l'importanza che il software di progettazione PCB ricopre.

Pianificazione della progettazione di un sistema PCB multi-scheda

La progettazione di un PCB multi board avviene a livello di sistema e comporta la definizione delle connessioni tra tutte le schede del sistema. Una buona procedura per iniziare a pianificare il tuo sistema multi-PCB è la seguente:

• Determina la disposizione delle schede: come saranno orientate 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 in questa fase e determinerà la modalità di progettazione .
• Scegli i connettori: le schede saranno collegate con connettori scheda-scheda standard, connettori di scheda, nastri flessibili o cavi? I connettori scelti devono essere in grado di supportare la disposizione della scheda prevista pur rimanendo in grado di adattarsi all'involucro.
• Decidi le funzioni della scheda: idealmente, ogni scheda di un sistema multi-scheda dovrebbe svolgere funzioni specifiche e dovrebbe contenere solo i componenti necessari a supportare tale funzione. Questa considerazione potrebbe portarti a rivedere la disposizione della tua scheda e la scelta dei connettori, quindi tieni presente questo aspetto quando decidi quali funzioni posizionare su quali schede.
• Mappa i segnali tra i connettori: ogni connettore deve 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 definiti su simboli schematici dei connettori.
• Inizia a creare gli schematici: per mantenere l'organizzazione, è meglio segmentare gli schematici in modo che riflettano la disposizione delle schede nel progetto del sistema multi-scheda. Ogni set di schematici dovrebbe contenere solo componenti di una singola scheda; i componenti di schede diverse non devono essere collocati negli stessi fogli schematici.

Dopo aver creato schematici per ciascuna scheda del sistema, è il momento di iniziare a creare il layout del PCB fisico per ciascun circuito stampato. Segui il processo standard per la progettazione PCB per importare i componenti nel tuo progetto e posizionarli su ciascuna scheda. A questo punto, i connettori possono essere collocati nelle posizioni previste sul PCB e i connettori di scheda possono essere definiti su componenti specifici.

• Scopri di più sulla creazione di schematici per il tuo PCB
• Scopri di più sulla creazione di layout PCB a partire da schemi

Prima di procedere con il routing dei componenti, è importante definire i requisiti meccanici e pensare alla possibilità di adattare il progetto all'involucro previsto una volta che il layout è pronto. Per fare ciò è necessario lavorare con un modello dell'involucro e di ciascuna scheda del sistema per garantire che non vi siano interferenze e che le schede si adattino come previsto.

Progettazione PCB 3D nativa per assemblaggi multi-scheda

Alcune misurazioni e modellazioni sono molto difficili da realizzare in 2D, il che comporta il rischio di creare interferenze tra il circuito stampato, i componenti e l'involucro. Nel multi board PCB design, l'assemblaggio di un PCB comporta la presenza di più schede. Ciò potrebbe provocare delle interferenze indesiderate tra le schede o tra i componenti, i cavi e altri elementi del sistema. Il modo migliore per evitarlo è incorporare un backchecking meccanico nel processo di progettazione per assicurarsi che non vi siano interferenze.

Durante il backchecking, le tolleranze vengono verificate automaticamente in 3D utilizzando gli strumenti MCAD che esaminano un modello 3D della scheda, dell'involucro e dei componenti. Il formato standard dei file di modellazione 3D nei software MCAD e nelle funzioni di progettazione di PCB è il modello STEP. Combinando modelli STEP per ogni componente del progetto, il software può creare un modello realistico della scheda.

Se stai lavorando con un progettista meccanico per realizzare una progettazione multi-scheda, quest'ultimo dovrebbe fornire un modello dell'involucro PCB. Questo può essere importato nel software di progettazione PCB per eseguire il controllo delle interferenze all'interno degli strumenti ECAD. L'altra opzione consiste nell'esportare un modello STEP o un file IDF della scheda che può quindi essere importato in un'applicazione MCAD per il backchecking. Il flusso di lavoro standard nei team di livello enterprise prevede che l'utente MCAD esegua il backchecking in modo da verificare il posizionamento dei componenti.

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Una volta completato il posizionamento iniziale su tutte le schede e verificata l'assenza di interferenze si passa alla fase di routing. I sistemi multi-scheda richiedono alcune importanti considerazioni sul routing dei segnali ad alta velocità e dei protocolli digitali a bassa velocità per garantire l'integrità del segnale.

Routing nei sistemi con più circuiti stampati

In ciascuna scheda, il routing deve essere eseguito dopo la configurazione delle regole di progettazione iniziali, il calcolo di qualsiasi profilo di impedenza necessario e l'impostazione del progetto nella modalità di routing appropriata. Sebbene le interfacce ad alta velocità non siano presenti in ogni circuito stampato, possono essere instradate tra le schede in un sistema multi-scheda attraverso un connettore di scheda, un cavo, un nastro flessibile o un connettore scheda-scheda. Segnali single-ended più lenti (ad es. da GPIO) o protocolli di bus possono essere instradati anche sui cavi e tra le schede. Tuttavia, è necessario prestare attenzione per garantire una messa a terra uniforme e prevenire eventuali problemi di integrità del segnale.

Definire la massa nella progettazione di sistemi multi-scheda

Proprio come in altri PCB, la messa a terra in un layout multi-scheda deve essere definita chiaramente per garantire la possibilità di instradare i segnali. Quando instradi i percorsi di segnale tra le schede, utilizza il processo seguente per garantire l'applicazione di un potenziale di terra coerente in tutto il sistema:

1. Utilizza i piani di massa in ogni scheda per ottenere un'impedenza caratteristica chiara, realizzare una schermatura per sopprimere interferenze elettromagnetiche e diafonia e contribuire a realizzare un disaccoppiamento efficace nel PDN.
2. Quando esegui il routing tra le due schede, includi una messa a terra attraverso i connettori in modo che le aree di massa di ogni scheda siano collegate, fornendo una schermatura attraverso il connettore o il cavo.
3. Per i cavi a nastro o i doppini intrecciati non schermati (UTP), prendi in considerazione l'utilizzo di una messa a terra interlacciata tra i segnali per fornire un riferimento chiaro e una schermatura più forte nel percorso di routing.

Questo semplice utilizzo della massa, quando si esegue il routing attraverso una connessione tra circuiti stampati in un sistema multi-scheda, è una parte importante dell'integrità del segnale. In questo modo è possibile definire: un'impedenza costante, i percorsi di ritorno e l'eliminazione della diafonia nella progettazione e nel routing di PCB multi-scheda. Se hai seguito questi passaggi, è molto più probabile che tu riesca a mantenere l'integrità del segnale per i segnali single-ended nel routing tra le schede e i cavi.

• Scopri di più sull'importanza di una messa a terra uniforme nel tuo PCB

Purtroppo alcuni sistemi multi board PCB, per la loro topologia, non consentono questo tipo di messa a terra. Questo accade spesso quando il sistema è fisicamente distribuito su più alloggiamenti, piuttosto che avere tutte le schede collegate in uno stesso alloggiamento. Tuttavia, in alcuni casi le schede sono collegate a margherita nello stesso alloggiamento e forniscono un'elevata potenza; in questo caso la progettazione può creare un problema di sicurezza e affidabilità risolvibile solo con il routing delle coppie differenziali.

Perché si usano i protocolli differenziali nella progettazione multi-scheda

Quando si esegue il routing su cavi lunghi, come ad esempio nei sistemi industriali, l'approccio migliore è quello di utilizzare protocolli differenziali per il routing. I sistemi più grandi con messa a terra tra le schede, in particolare nei sistemi a corrente continua in cui la massa può trasportare una corrente elevata, possono rappresentare un pericolo per la sicurezza e causare il danneggiamento del cavo, dato che dissipa un calore elevato nella messa a terra.

Nel caso in cui la schermatura venga utilizzata su sistemi più grandi collegati con cavi, in particolare in disposizioni lineari di schede in serie, i piani di massa in ciascun circuito stampato devono essere isolati e non collegati tra di loro. Per la schermatura, invece, è necessario utilizzare lo chassis e una messa a terra, non il piano di massa del PCB. Quindi, per instradare i segnali tra le schede, è consigliabile utilizzare coppie differenziali, in quanto possono ospitare un offset di massa tra le schede in un sistema di schede multi-circuito.

Il motivo principale per cui si utilizzano i protocolli differenziali nei sistemi multi-scheda è che eliminano la necessità di un chiaro riferimento di massa durante l'instradamento tra due circuiti stampati nel sistema. Una volta che la coppia differenziale torna su una scheda e il segnale differenziale viene letto, i dati possono essere recuperati senza preoccuparsi dell'offset di massa che si verifica durante il routing. I protocolli differenziali comuni per l'instradamento tra PCB in un sistema multi-scheda includono bus CAN, Ethernet e RS485.

• Scopri di più sul routing delle coppie differenziali e sulla messa a terra nella progettazione dei PCB

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 abbia bisogno di creare il layout di un computer a scheda singola ad alta densità o di un PCB complesso a segnale misto, i migliori strumenti di layout PCB ti aiuteranno nella progettazione multi-scheda e nella creazione del layout PCB per ciascuno dei tuoi circuiti stampati.

Multi board design con Altium Designer

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