Что такое проектирование многоплатных устройств?

Многие сложные электронные системы спроектированы как массивы из нескольких печатных плат. Этот тип проектирования систем имеет ряд преимуществ, включая модульность, присутствующую на таких платформах, как Arduino и Raspberry Pi. Другие распространенные типы систем, например гибкие и гибко-жесткие — это многоплатные системы, для которых требуется единая стратегия построения макета и трассировки. Чтобы разработать собственную многоплатную систему, можно выполнить ряд базовых шагов, гарантирующих, что проектное решение будет иметь необходимые возможности подключения.

Создать многоплатную систему будет гораздо проще, если использовать лучшее программное обеспечение для проектирования печатных плат. Набор инструментов проектирования печатных плат в программном обеспечении должен включать стандартные электротехнические утилиты, а также утилиты интеграции с MCAD для правильного сопряжения плат. В этом кратком руководстве мы рассмотрим ряд базовых аспектов соединения при сохранении целостности сигнала. Для работы со стандартным проектом и макетом жестких многослойных печатных плат или с более сложными гибкими/гибко-жесткими печатными платами существует ряд базовых инструментов проектирования.

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

Компоновка элементов в многоплатной системе — это проект системного уровня, включающий определение соединений между всеми платами. Грамотный процесс поэтапного планирования многоплатной системы 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 определенные функции и должна содержать только компоненты, необходимые для этой функции. Возможно, потребуется переделать компоновку платы и разъемов. Помните об этом, определяя, какие функции будут у конкретных плат.
• 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 выстраивать схемы. Лучший способ сохранить упорядоченность — сегментировать схемы, чтобы они отражали компоновку плат в многоплатной системе. Каждый набор схем должен содержать компоненты только одной платы, компоненты разных плат не должны размещаться на одном листе схемы.

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.

• Подробнее о создании схем для вашей ПП
• Подробнее о создании топологии ПП из схемы

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 Native 3D для многоплатных сборок

Некоторые измерения и моделирование 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 механическую обратную 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.

Если вы работаете с инженером-механиком над созданием многоплатной конструкции, он должен предоставить модель корпуса устройства для размещения печатной платы. Затем это 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.

• Подробнее о важной роли моделей корпусов при проектировании печатных плат

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 высокоскоростных цепей и низкоскоростных цифровых протоколов для обеспечения целостности сигнала.

Трассировка в многоплатных системах

Трассировка на каждой плате должна выполняться, когда заданы исходные правила проектирования, рассчитаны все профили импеданса и выбрана стратегия трассировки. Хотя высокоскоростные интерфейсы присутствуют не на каждой печатной плате, их можно создать между платами в многоплатной системе через краевой разъем, кабель, гибкую ленту или межплатный разъем. Более медленные несимметричные сигналы (например от универсальных входов/выходов) или протоколы шин данных также могут проходить по кабелям и между платами. Однако необходимо внимательно следить за тем, чтобы обеспечивать равномерное заземление и предотвращать проблемы целостности сигнала.

Формирование заземления при проектировании многоплатных систем

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 плоскости 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.

Использование заземления при трассировке через соединение между печатными платами в многоплатной системе — важная часть обеспечения целостности сигнала. Это помогает определить согласованный импеданс, пути возврата и подавление перекрестных помех при проектировании и трассировке многоплатных систем. Если вы выполнили эти шаги, у вас гораздо больше шансов сохранить целостность несимметричных сигналов при трассировке между платами и по кабелям.

• Подробнее о важной роли равномерного заземления вашей печатной платы

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.

Если в более крупных системах, соединенных кабелями, используется экранирование, в частности при линейном последовательном расположении плат, плоскости заземления на каждой печатной плате должны быть изолированы и не соединяться одна с другой. Для экранирования следует использовать шасси и заземляющее соединение, а не плоскость заземления на печатной плате. Для трассировки сигналов между платами следует использовать дифференциальные пары, поскольку они могут компенсировать 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 возвращается 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.

• Подробнее о трассировке дифференциальных пар и заземлении при проектировании печатных плат

Если нужно разработать передовые высокоскоростные цифровые системы, обеспечивая при этом целостность сигнала и питания, используйте лучший набор инструментов для конструирования и компоновки высокоскоростных печатных плат, созданных согласно правилам. Независимо от того, нужно ли развести плотный одноплатный компьютер или сложную печатную плату со смешанными сигналами, лучшие инструменты компоновки печатных плат помогут оставаться гибким при проектировании многоплатных устройств и компоновке любого проекта на печатных платах.

Инженеры — проектировщики многоплатных систем, инженеры по компоновке печатных плат и инженеры SI/PI доверяют передовым инструментам проектирования Altium Designer® реализацию своих потребностей при проектировании и компоновке. Когда проектирование завершено и проект готов к передаче на производство, платформа Altium 365™ упрощает совместную работу и обмен проектными данными. Altium Designer также интегрируется с популярными приложениями MCAD и моделирования, что дает возможность лучше понять поведение блоков 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 .