マルチボードの設計とは？

複雑なエレクトロニクスシステムの多くは、PCBのマルチボード配列として構築されています。この種のシステム設計には、ArduinoやRaspberry Piのようなプラットフォームに見られるモジュール性などのいくつかの利点があります。フレックスシステムやリジッドフレキシブルシステムのような他の一般的な種類の回路基板は、マルチボードシステムであり、共通の基板レイアウトと配線戦略が必要です。独自のマルチボードシステムを開発する場合、いくつかの基本的な手順に従って、設計に必要な接続サービスを確保することができます。

基板に最適なPCB設計ソフトウェアを使用すれば、マルチボードPCBシステムの作成がはるかに簡単になります。設計ソフトウェアに必要なPCBツールセットには、標準的な電気的ユーティリティ、および基板を適切に嵌合できるようにする MCAD 統合が含まれています。この簡易ガイドでは、設計のシグナルインテグリティを確保すると同時に、設計中で接続サービスを定義するための基本的な段階をいくつか紹介します。標準的なリジッドマルチレイヤ基板の設計とレイアウト、あるいはより複雑なフレックス/リジッドフレキシブル回路基板のいずれであれ、設計を目的通りに機能させるために必要な基本設計ツールセットがいくつかあります。

マルチボードの設計は、システムの各ボードの機械的な概略と、それらがどのように相互接続されるかのプラン作成から始まります。接続形態としては、メザニンコネクタやピンヘッダーなどのシンプルな標準化されたコネクタや、一体型のエッジコネクタなどが必要になってきます。これらのポイントが決まると、EMI/EMC、SI/PI、機械的振動の問題を起こさずに、設計全体で部品が適切に相互接続されるように、配置および配線の戦略を策定する必要があります。以下のセクションでは、高速の設計を始めるための方法と、PCB設計ソフトウェアの重要な役割について紹介します。

マルチボード基板システム設計のプランニング

マルチボードの配列を設計することは、システムレベルの設計プロジェクトであり、システムのすべてのボード間の接続を定義する必要があります。マルチボードシステムのフロアプランニングを始める良いプロセスは以下の通りです。

• 基板の配列を決める：基板はどのように相互に向き合うのか?そのシステムには、基板と何らかの形でやりとりする必要がある可動要素がありますか？機械的なモデリングはこの段階で始める必要があり、それが設計はどのように行われるかを決定します
• コネクタを選択する：既製の基板対基板用コネクタ、エッジコネクタ、フレックスリボン、ケーブルなどで基板をインターコネクトしますか？コネクタは、必要なボード配列に対応し、さらに筐体に収まるものを選ぶ必要があります。
• 基板の機能を決める：理想的には、マルチボードシステム設計の各回路基板には、特定の機能を果たし、その機能に対応するために必要なコンポーネントのみを搭載することです。そのため、ボードの配列やコネクタのオプションを見直さざるを得ない場合があります。この点を考慮して、どの機能をどのボードに搭載するかを決定してください。
• コネクタ間の信号をマップする： 各コネクタは、特定の信号または信号群に対応するとともに、設計におけるシグナルインテグリティを確保する必要があります。この段階でピンアウトを決定し、コネクタ用の回路図シンボルに定義することができます。
• 回路図の作成を開始： わかりやすく整理しておくため、回路図を分割して、マルチボードシステムの設計における基板の配列を反映させるのが最善です。各セットの回路図には、単一ボードのコンポーネントのみが含まれている必要があり、異なる基板のコンポーネントを同じ回路図シートに配置することはできません。

各基板の回路図を作成した後は、各回路基板の物理的な基板レイアウトの作成を開始します。基板設計の標準的なプロセスに従って、コンポーネントを設計にインポートし、各ボード周辺に配置します。この時点で、基板上の目的位置にコネクタを配置し、特定のコンポーネントにエッジコネクタを定義することができます。

• 基板用の回路図を作成する詳細を知る
• 回路図から基板レイアウトを作成する詳細を知る

コンポーネントの配線を始める前に、機械的な要件を考え、レイアウトが完了した後も設計物を目的の筐体に収めることができるかどうかを検討することが重要です。そのためには、筐体とシステムの各基板のモデルを使って作業し、干渉がないか、基板が目的通りに適合しているかを確認する必要があります。

マルチボードアセンブリ用のネイティブ3D基板設計

2Dでは測定やモデリングが非常に難しいものもあり、回路基板、コンポーネント、筐体の間に干渉が生じるリスクがあります。マルチボードPCB設計では、アセンブリに複数の基板が含まれており、デザイン内のボード間、またはシステム内のコンポーネントやケーブルなどの要素間に不要な干渉が発生する可能性があります。これを防ぐ最善の方法は、設計プロセスに機械的なバックチェックを組み込み、干渉がないことを確認することです。

バックチェックの間、ボード、筐体、コンポーネントの3Dモデルを検査する MCADツールを使って、クリアランスを3Dで自動的にチェックします。MCADソフトウェアやPCB設計機能での標準的な3Dモデリングファイルフォーマットは、STEPモデルです。設計中の各コンポーネントのSTEPモデルを組み合わせることで、設計ソフトは現実的な基板のモデルを作成することができます。

機械設計者と協力してマルチボードデザインを構築する場合は、設計用のPCB筐体のモデルを提供することが推奨されます。これをPCB設計ソフトウェアにインポートして、ECADツール内で干渉チェックを実施することができます。もう1つのオプションとしては、ボードのSTEPモデルまたはIDFファイルをエクスポートし、MCADアプリケーションにインポートしてバックチェックを行うことです。企業レベルのチームでの標準的なワークフローは、MCADユーザがバックチェックを行い、コンポーネントの配置を検証できるようにすることです。

• PCB設計における筐体モデルの重要性の詳細を知る

すべての基板への初期配置が完了し、干渉がないことを確認した後、デザインを配線する準備が整います。マルチボードシステムでは、シグナルインテグリティを確保するために、高速信号と低速デジタルプロトコルを使っていくつかの重要な配線上の検討を行うことが必要です。

マルチボードシステムの配線

各ボードでは、初期の設計ルールを設定し、必要なインピーダンスプロファイルを計算し、設計を適切な配線モードに設定した後、配線を実行することが推奨されます。高速インターフェースは、すべての回路基板に存在するわけではありませんが、エッジコネクタ、ケーブル、フレックスリボン、基板対基板コネクタ経由で、マルチボードシステム設計の基板間を配線することができます。GPIOなどの低速のシングルエンド信号やバスプロトコルは、ケーブル上や基板間で配線することもできます。しかしながら、均一な接地を確保し、シグナルインテグリティの問題が発生しないように配慮しなければなりません。

マルチボードシステム設計における接地の定義

他のPCBと同様に、マルチボードレイアウトの接地は明確に設定し、信号の配線可能性を保証する必要があります。基板間の信号経路を配線する際には、次のプロセスを使用してシステム全体に一貫した接地電位を確保してください：

1. 各基板に接地平面を使用して、明確な特性インピーダンスを提供し、EMI/クロストークを抑制するためのシールドを提供し、PDNでの強力なデカップリングを実現してください。
2. 2つの基板間を配線する際には、コネクタ上に接地接続を行い、各回路基板の接地領域が接続されるようにします。これにより、コネクタやケーブル全体にシールディングが出来ます。
3. リボンケーブルやツイストペアケーブルの場合は、信号間にインターリーブ接地を使用して、明確な基準を設け、配線経路のシールディングを強化することを検討してください。

マルチボードシステムの回路基板設計間の接続全域に配線する際のこの単純な接地の使用は、シグナルインテグリティの重要部分です。これにより、マルチボードPCB設計や配線での一貫したインピーダンス、リターンパス、クロストークの抑制を定義することができます。これらの手順に従えば、基板間やケーブル上で配線する際、シングルエンド信号のシグナルインテグリティを維持できる可能性が高くなります。

• PCBにおける均一な接地の重要性の詳細を知る

残念ながら、マルチボードシステムの中には、この種の接地接続ができないトポロジーのものもあります。これは、システムが物理的に複数のキャビネットに分散している場合に多く見られるケースで、すべての基板が同じ筐体に接続されているということではありません。しかしながら、同じキャビネット内でデイジーチェーン接続されたボードが高電力を供給する時もあり、その場合、設計上、安全性や信頼性に問題が生じ、差動ペア配線でなければ解決できないことがあります。

マルチボード設計で差動プロトコルが使われる理由

産業システムなど、長いケーブルを使って配線を行う際は、差動プロトコルを使って配線を行うのが良い方法です。基板間で接地接続されている大型システム、特に接地が大電流を流す可能性のある直流システムでは、安全上の問題があり、また、接地接続部でケーブルが高熱を放散するため、ケーブルが損傷する可能性があります。

ケーブルで接続された大規模なシステムでシールディングが使用される場合、特に直列に配置されたボードの場合は、各回路基板の接地平面を分離し、相互接続しないようにすることが推奨されます。その代わり、シールディングには、PCBの接地平面ではなく、シャーシとアース接続を使用することが推奨されます。次いで、基板間の信号を配線するには、マルチボードシステムの基板間の接地オフセットに対応できる差動ペアを使用することが推奨されます。

マルチボードシステムで差動プロトコルが使用される主な理由は、システム内の2つの回路基板間を配線する際に、明確な接地基準が不要になることです。差動ペアがボードに戻ってきて差動信号を読み取れば、配線時に発生する接地オフセットを心配せずにデータを回復することができます。マルチボードシステムのPCB間を配線するための一般的な差動プロトコルには、CANバス、イーサネット、およびRS485があります。

• PCB設計における差動ペア配線の詳細を知る

シグナルインテグリティやパワーインテグリティの維持を保証しながら、高度な高速デジタルシステムを構築する必要がある際、ルールドリブンな設計エンジンで構築された最高の高速設計とレイアウトツール群を使用します。高密度なシングルボードコンピューター、または複雑な混在信号のPCBのいずれをレイアウトする必要がある場合でも、最高のPCBレイアウトツールを使用すれば、マルチボード設計や各回路基板用のPCBレイアウトを柔軟に作成することができます。

マルチボードシステム設計エンジニア、PCBレイアウトエンジニア、SI/PI エンジニアは、Altium Designer®の高度な設計ツールを使用して、設計とレイアウトのニーズを満たしています。設計が完了し、製造作業へ解放する準備ができたら、 Altium 365® プラットフォームでプロジェクトと協働および共有することが簡単になります。Altium Designerは、一般的なMCAD やシミュレーションアプリケーションとも統合されており、ユーザーはマルチボードシステムの電源や信号の動作をより良く把握することができます。

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