Что такое проектирование многоплатных устройств?

Закарайа Петерсон
|  Создано: 11 Августа, 2021
Что такое проектирование многоплатных устройств?

Многие сложные электронные системы спроектированы в виде конструкций из нескольких печатных плат. Такой тип конструкции имеет несколько преимуществ, в частности модульность, которая характерна для таких платформ, как Arduino и Raspberry Pi. Другие распространенные типы систем печатных плат, такие как гибкие и гибко-жесткие, являются многоплатными системами и требуют общей стратегии выполнения компоновки и трассировки. Для того, чтобы разработать собственную многоплатную систему нужно предпринять несколько шагов, чтобы убедиться, что ваша конструкция будет иметь все необходимые инструменты для правильного подключения.

Создание многоплатной системы станет намного проще, если использовать правильное программное обеспечение (ПО) для проектирования печатных плат. Набор инструментов для проектирования печатных плат в вашем ПО, должен включать в себя стандартные электрические утилиты, а также утилиты интеграции с MCAD для обеспечения правильного сопряжения ваших плат. В этом кратком руководстве мы рассмотрим некоторые из аспектов определяющих возможность правильного соединения узлов вашей конструкции, при одновременном обеспечении целостности сигнала. Независимо от того, работаете ли вы со стандартным проектом в котором реализована компоновка жестких многослойных печатных плат или с более сложными гибкими/гибко-жесткими печатными платами, есть несколько базовых наборов инструментов проектирования для обеспечения надлежащего функционирования конструкции.

Проектирование многоплатных устройств начинается с разработки контура компонента каждой платы в вашей системе и плана подключения плат друг к другу. Способ подключения плат в вашем устройстве может подразумевать простые стандартизированные разъемы например мезонинные, штыревые или встроенные краевые разъемы. После определения этих моментов, необходимо разработать стратегию размещения и трассировки, чтобы компоненты могли правильно подключаться друг к другу на всем этапе проектирования, не создавая проблем, связанных с электромагнитными помехами/электромагнитной совместимостью, SI/PI и механическими вибрациями. Ознакомьтесь с разделами ниже, чтобы узнать о конструировании высокоскоростных печатных плат и важности программного обеспечения для проектирования печатных плат.

Планирование конструкции системы из нескольких печатных плат

Планирование размещения печатных плат  — это задача системного уровня, которая включает в себя определение способа соединений между всеми платами вашего устройства. Правильный процесс поэтапного планирования вашей системы из нескольких печатных плат выглядит следующим образом:

  • Определите расположение плат: как платы будут расположены относительно друг друга? Есть ли в системе движущиеся элементы, которым нужно как-то взаимодействовать с платой? На этом этапе необходимо начать механическое моделирование, которое определит конструкцию 
  • Выберите разъемы: будут ли ваши платы соединяться между собой с помощью стандартных межплатных разъемов, краевых разъемов, гибких лент или кабелей? Необходимо выбрать такие разъемы, которые будут поддерживать требуемую компоновку платы и вписываться в ваш корпус.
  • Определите функции платы: теоретически каждая печатная плата в многоплатной системе выполняет определенную функцию и должна содержать только компоненты, необходимые для поддержки этой функции. Возможно, нужно будет переосмыслить компоновку вашей платы и варианты разъемов, поэтому помните об этом, определяя, какие функции разместить на каких платах.
  • Сопоставьте сигналы между разъемами: каждый разъем должен поддерживать определенные сигналы или группы сигналов, а также обеспечивать целостность сигнала в проекте. На этом этапе может быть определена распиновка на схемных символах (УГО) разъемов.
  • Начните создавать схемы: для обеспечения организации лучше всего сегментировать схемы так, чтобы они отражали расположение ваших плат в многоплатной системе. Каждый набор схем должен содержать только компоненты с одной платы, компоненты с разных плат не должны размещаться на одних и тех же листах схем.

После создания схем для каждой платы в системе необходимо создать физическую компоновку для каждой печатной платы. Следуйте стандартному процессу проектирования печатной платы, чтобы импортировать компоненты в свой проект и разместить их на всех платах. На этом этапе разъемы могут быть размещены в предполагаемых местах на печатной плате, а краевые разъемы могут быть определены на конкретных компонентах.

Краевой разъем системы из нескольких печатных плат
Некоторые конструкции и варианты компоновки многоплатных проектов будут использовать краевые разъемы для электрического соединения между двумя платами.

Прежде чем начинать трассировку, важно подумать о технических требованиях и о том, сможете ли вы по-прежнему уместить конструкцию в предполагаемый корпус после завершения компоновки. Для этого необходимо работать с моделью корпуса и каждой платой в системе, чтобы убедиться в отсутствии пересечений и в том что платы будут установлены именно так как планировалось.

Проектирование печатных плат в трехмерном представлении для использования в многоплатных проектах

Некоторые измерения и варианты моделирования сложно выполнять в режиме 2D, это создает риск появления пересечений между вашей печатной платой, компонентами и корпусом. При проектировании многоплатной системы сборка печатной платы предусматривает наличие нескольких плат, поэтому могут возникнуть нежелательные пересечения между платами в конструкции или между компонентами, кабелями и другими элементами в системе. Лучший способ предотвратить это — включить в процесс проектирования обратную механическую проверку для гарантии отсутствия пересечений.

Во время проверки зазоры автоматически проверяются в режиме 3D с помощью инструментов MCAD, которые исследуют 3D-модель вашей платы, корпуса и компонентов. Стандартный формат 3D файла модели в MCAD и ПО проектирования печатных плат — это STEP модель. Благодаря комбинации моделей STEP каждого компонента в проекте, программное обеспечение для проектирования печатных плат может создавать реалистичную модель платы.

Сборка системы из нескольких печатных плат с использованием краевых разъемов
Altium Designer позволяет пользователям определять межплатные соединения в системе с несколькими платами.

Если вы работаете с инженером-механиком над созданием многоплатной конструкции, он должен предоставить модель корпуса устройства для размещения печатных плат. Затем его можно импортировать в программное обеспечение для проектирования печатных плат, чтобы выполнить проверку на пересечения внутри инструментов ECAD. Другой вариант — экспортировать модель STEP или файл IDF платы, который затем можно импортировать в приложение MCAD для проверки на пересечения. Стандартный рабочий процесс в командах корпоративного уровня нацелен на то, чтобы инженер-механик проверял правильность размещения компонентов в MCAD.

После завершения первичного размещения компонентов на всех платах и проверки на наличие пересечений конструкция готова к трассировке. Многоплатные системы требуют принятия нескольких важных решений во время трассировки цепей высокоскоростных и низкоскоростных цифровых протоколов для обеспечения целостности сигнала.

Трассировка в многоплатных системах

На каждой плате трассировка должна выполняться после установки исходных правил проектирования, расчета необходимых профилей импеданса и выбора необходимой стратегии трассировки. Хотя высокоскоростные интерфейсы присутствуют не на каждой печатной плате, их можно установить между платами в многоплатной системе через краевой разъем, кабель, гибкую ленту или межплатный разъем. Более медленные одиночные сигналы (например, от GPIO) или протоколы шин данных также могут проходить по кабелям и между платами. Однако необходимо соблюдать осторожность, чтобы обеспечить равномерное заземление и предотвратить возможные проблемы целостности сигнала.

Проектирование заземления в многоплатных системах

Как и в других печатных платах, в многоплатной компоновке необходимо правильно спроектировать заземление, чтобы обеспечить возможность трассировки всех сигналов. При прокладке путей прохождения сигналов между платами используйте следующий процесс, чтобы обеспечить постоянный потенциал заземления во всей системе:

  1. Используйте полигоны заземления на каждой плате для обеспечения чистого характеристического импеданса, обеспечьте защиту для подавления электромагнитных/перекрестных помех и обеспечьте развязку в PDN.
  2. При трассировке между двумя платами подключите заземление через разъемы, чтобы области заземления на каждой печатной плате были соединены. Это обеспечит экранирование разъемов и кабеля.
  3. Для плоских кабелей или кабелей витой пары рассмотрите возможность использования чередуемого заземления между сигналами, чтобы обеспечить четкое опорное расстояние и более надежное экранирование на пути трассировки.

Это простое использование заземления при трассировке через соединение между печатными платами в многоплатной системе является важной частью процесса обеспечения целостности сигнала. Это помогает согласовать импедансы, обеспечить пути протекания обратных токов и следовательно подавление перекрестных помех при проектировании и трассировке печатной платы. Если вы выполнили эти шаги, у вас гораздо больше шансов сохранить целостность сигналов несимметричных линий при трассировке между платами и по кабелям.

Проектирование устройств из нескольких печатных плат
Когда области заземления на печатных платах в многоплатной системе можно легко провести через соединитель, тогда две платы будут иметь одинаковый потенциал заземления, и сигналы можно будет точно считывать с обеих сторон соединения.

К сожалению, существуют системы с несколькими платами, топология которых не позволяет обеспечить заземление такого типа. Это часто происходит когда невозможно подключение всех плат в одном корпусе, а система физически расположена в нескольких шкафах. Однако бывают случаи, когда платы соединяются последовательно в одном шкафу и обеспечивают высокую мощность, и в этом случае конструкция может создать проблему безопасности и надежности, которая решается только с помощью трассировки дифференциальной пар.

Почему при проектировании многоплатных устройств используются дифференциальные протоколы

При прокладке по длинным кабелям, например в промышленных системах, для трассировки лучше использовать дифференциальные протоколы. Более крупные системы с заземленными соединениями между платами, особенно в системах постоянного тока, где через землю может протекать большой ток, могут представлять угрозу безопасности и могут привести к повреждению кабеля, поскольку кабель рассеивает большое количество тепла в заземляющих соединениях.

В случае, когда экранирование используется в более крупных системах, соединенных кабелями, особенно при линейном расположении плат, полигоны заземления на каждой печатной плате должны быть изолированы и не соединяться друг с другом. Вместо этого для экранирования следует использовать корпус и заземление с помощью общего провода, а не полигоны заземления на печатных платах. Таким образом для трассировки сигналов между платами следует использовать дифференциальные пары, поскольку они могут компенсировать наличие смещения в заземлении между платами в многоплатной системе.

Основная причина использования дифференциальных протоколов в многоплатных системах заключается в том, что они устраняют необходимость в чистом заземлении при трассировке между двумя печатными платами в системе. Как только дифференциальная пара попадает на плату и определяется разность сигналов, данные можно восстановить, не беспокоясь о смещении заземления, которое происходит при трассировке. В качестве распространённых дифференциальных протоколов с трассировкой между печатными платами в многоплатной системе, стоит отметить шину CAN, Ethernet и RS485.

Проектирование устройств из нескольких печатных плат
Используйте дифференциальные пары для более длинных линий по кабелю, особенно там, где невозможно обеспечить экранирование.

Если вы разрабатываете передовые высокоскоростные цифровые системы, обеспечивая при этом целостность сигнала и питания, используйте подходящий набор инструментов для конструирования и компоновки высокоскоростных печатных плат, созданных с учетом правил проектирования. Независимо от того, нужно ли развести плотный одноплатный компьютер или сложную печатную плату со смешанными сигналами, правильные инструменты для компоновки и трассировки печатных плат помогут вам оставаться гибкими при проектировании многоплатных устройств и компоновке любого проекта с использованием печатных плат.

Инженеры проектировщики многоплатных систем, инженеры по компоновке печатных плат и инженеры SI/PI доверяют передовым инструментам проектирования Altium Designer®  реализацию своих потребностей в качественном проектировании. Когда вы закончили проектирование и готовы к запуску проекта в производство, платформа Altium 365 ™ поможет вам упростить процесс совместной работы и обмен проектами. Altium Designer также интегрируется с популярными приложениями MCAD и моделирования, что дает вам возможность лучше понимать поведение питания и сигналов в многоплатных системах.

Мы лишь поверхностно рассмотрели некоторые возможности Altium Designer на Altium 365. Начните использование бесплатной пробной версии Altium Designer + Altium 365 сегодня .

Об авторе

Об авторе

Закарайа Петерсон (Zachariah Peterson) имеет обширный технический опыт в научных кругах и промышленности. До работы в индустрии печатных плат преподавал в Портлендском государственном университете. Проводил магистерское исследование на хемосорбционных газовых датчиках, кандидатское исследование – по теории случайной лазерной генерации. Имеет опыт научных исследований в области лазеров наночастиц, электронных и оптоэлектронных полупроводниковых приборов, систем защиты окружающей среды и финансовой аналитики. Его работа была опубликована в нескольких рецензируемых журналах и материалах конференций, и он написал сотни технических статей блогов по проектированию печатных плат для множества компаний.

Самые новые статьи

Вернуться на главную