マルチボード設計とは？ マルチボードシステムの作成

マルチボード設計とは？ マルチボードシステムの作成

ボードに最適な PCB 設計ソフトウェアを使用すると、マルチボード 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、標準の電気ユーティリティと MCAD 統合が含まれており、基板が正しく適合することを保証します。 この短いガイドでは、デザインで接続を定義する基本的な側面を紹介し、デザインでシグナル インテグリティを確保します。 標準のリジッド多層 PCB 設計とレイアウトを使用する場合でも、より複雑なフレキシブル/リジッド フレキシブル回路基板を使用する場合でも、設計が期待どおりに機能することを確認するには、いくつかの基本的な設計ツールセットが必要です。

マルチボード PCB システムの設計を計画する

マルチボード コンポーネント向けのネイティブ 3D PCB デザイン

マルチボード設計は、システム内の各ボードの機械的プロファイルとそれらの接続方法の計画から始まります。 接続方法には、サンドイッチ コネクタやピン配列などの単純な標準化されたコネクタ、または統合エッジ コネクタが含まれる場合があります。 これらのポイントが特定されたら、EMI/EMC、SI/PI、および機械的振動の問題を引き起こすことなく、コンポーネントが設計プロセス全体で適切に相互接続できるように、レイアウトと配線戦略を開発する必要があります。 以下のセクションを読んで、高速設計を開始する方法と PCB 設計ソフトウェアの重要な役割を理解してください。

マルチボード PCB システムの設計を計画する

マルチボード PCB レイアウトの設計は、システム内のすべてのボード間の接続を定義するシステム レベルの設計プロジェクトです。 マルチボード PCB システムのレイアウト計画を開始するための適切なプロセスは次のとおりです。

ボードの配置を決定する: ボードは互いにどのように配置されますか? システムには、何らかの方法でボードと対話する必要があるモバイル要素がありますか? メカニカル モデリングはこの段階から開始する必要があり、設計方法を決定します。

コネクタの選択: 回路基板は、既存の基板対基板コネクタ、エッジ コネクタ、フレキシブル テープ、またはケーブルと相互接続されますか? 筐体に合わせながら、必要なボード レイアウトをサポートするコネクタを選択する必要があります。

回路基板の機能を決定する: 理想的には、マルチボード システムの各回路基板は特定の機能を実行し、その機能をサポートするために必要なコンポーネントのみを含む必要があります。 これにより、ボードの配置とコネクタのオプションを再検討せざるを得なくなる可能性があるため、どの機能をどのボードに配置するかを決定する際に考慮してください。

コネクタ間での信号のマッピング: 各コネクタは、特定の信号または信号グループをサポートし、設計における信号の完全性を確保する必要があります。 ピン配置はこの段階で決定でき、コネクタの回路図シンボルで定義できます。

回路図の作成を開始する: 整理しておくには、回路図をセグメント化して、マルチボード システム レイアウトでのボードの配置を反映することをお勧めします。 回路図の各グループには、単一の回路基板のコンポーネントのみが含まれ、異なる回路基板のコンポーネントは同じ回路図に配置されません。

システム内の各回路基板の回路図を作成したら、各回路基板の物理的な PCB レイアウトの作成を開始します。 PCB 設計の標準プロセスに従って、コンポーネントを設計にインポートし、各回路基板に配置します。 この時点で、コネクタを PCB 上の目的の位置に配置し、特定のコンポーネントでエッジ コネクタを定義できます。

一部のマルチボード PCB 設計およびレイアウトでは、エッジ コネクタを使用して 2 つのボード間の電気接続を確立します。

コンポーネントの配線を開始する前に、機械的な要件と、レイアウトが完了した後も設計を目的の筐体に配置できるかどうかを検討することが重要です。 これには、システム内のエンクロージャ モデルと各ボードを使用して、干渉がないこと、およびボードが期待どおりに一緒に取り付けられることを確認する必要があります。

マルチボード コンポーネント向けのネイティブ 3D PCB デザイン

一部の測定とモデリングは 2D では非常に難しく、ボード、コンポーネント、およびエンクロージャ間の干渉のリスクが生じます。 マルチボード PCB 設計では、PCB コンポーネントに複数のボードが含まれ、設計内のボード間、またはシステム内のコンポーネント、ケーブル、およびその他のコンポーネント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、設計プロセスにメカニカル バック テストを追加して、干渉がないことを確認することです。

バックチェックでは、MCAD ツールを使用して 3D でギャップを自動的にチェックします。 これらのツールは、回路基板、シェル、コンポーネントの 3D モデルをチェックします。 MCAD ソフトウェアおよび PCB 設計機能における標準の 3D モデリング ファイル形式は、STEP モデルです。 設計の各コンポーネントの STEP モデルを組み合わせることで、設計ソフトウェアは回路基板の実際のモデルを作成できます。

機械設計者と協力してマルチボード設計を構築する場合、彼らは設計用の PCB ハウジングのモデルを提供する必要があります。 その後、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行できます。 もう 1 つのオプションは、回路基板の STEP モデルまたは IDF ファイルをエクスポートし、バック チェックのために MCAD アプリケーションにインポートすることです。 企業レベルのチームの標準的なワークフローは、MCAD ユーザーにバックトラッキング チェックを実行させて、コンポーネントの配置を確認することです。

すべてのボードの初期レイアウトが完了し、干渉がチェックされた後、デザインを配線できます。 マルチボード システムでは、信号の完全性を確保するために、高速信号と低速デジタル プロトコルの配線についていくつかの重要な考慮事項を考慮する必要があります。

各回路基板では、初期設計ルールを設定し、必要なインピーダンス曲線を計算し、適切な配線モードに設計を設定した後に配線を実行する必要があります。 すべての回路基板に高速インターフェイスがあるわけではありませんが、エッジ コネクタ、ケーブル、フレキシブル テープ、または基板間コネクタを介して、マルチボード システム内の基板間を配線できます。 低速のシングルエンド信号 (GPIO などから) またはバス プロトコルも、ケーブルとボード間でルーティングできます。 ただし、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注意する必要があります。

マルチボードシステムの基盤を定義する

他の PCB と同様に、信号を直線的に配置できるようにするには、マルチボード レイアウトで接地を明確に定義する必要があります。 ボード間の信号パスをルーティングする場合、次の手順を使用して、システム全体で一貫した接地電位が適用されるようにします。

各ボードのグランド プレーンを使用して、明確な特性インピーダンスを提供し、シールドを提供して EMI/クロストークを抑制し、PDN で強力なデカップリングを実現します。

2 つの基板間を配線する場合、コネクタには各回路基板の接地領域を接続するための接地接続が含まれています。 これにより、コネクタまたはケーブルのシールドが提供されます。

リボン ケーブルまたはツイスト ペア ケーブルの場合は、配線パスで明確な基準とより強力なシールドを提供するために、信号間で互い違いの接地を使用することを検討してください。

この単純な接地は、マルチボード システムの回路基板設計間を接続および配線する際のシグナル インテグリティの重要な部分です。 これは、マルチボード PCB 設計および配線において一貫したインピーダンス、リターン パス、およびクロストーク抑制を定義するのに役立ちます。 これらの手順に従うと、ボード間およびケーブルを介してルーティングするときに、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。

マルチボード システムの PCB の接地領域がコネクタを介して簡単にブリッジできる場合、2 つのボードは同じ接地電位になり、接続の両側で信号を正確に読み取ることができます。

残念ながら、一部のマルチボード システムのトポロジでは、このような接地接続を提供できません。 これは通常、同じキャビネット内のすべてのボードを接続するのではなく、システムが複数のキャビネットに物理的に分散されている場合に発生します。 ただし、回路基板が同じキャビネット内でデイジーチェーンの形で接続され、大電力を提供する場合があります。 この場合、設計が安全性と信頼性の問題を引き起こす可能性があり、これは差動ペア配線によってのみ解決できます。

マルチボード設計で異なるプロトコルを使用する理由

産業用システムで等長ケーブルを配線する場合、配線には差動プロトコルを使用することをお勧めします。 回路基板間の接地接続を備えた大規模なシステム、特に接地を介して大電流を流すことができる DC システムでは、ケーブルが接地接続で高熱を放出するため、潜在的な安全上の危険があり、ケーブルの損傷につながる可能性があります。

ケーブルに接続された大規模なシステムでシールドを使用する場合、特に直列回路基板の線形配置では、各回路基板の接地面を相互接続するのではなく分離する必要があります。 代わりに、PCB グランド プレーンではなく、シャーシとグランド接続をシールドに使用する必要があります。 次に、ボード間で信号をルーティングするには、マルチボード システムのボード間のグランド オフセットに適応できる差動ペアを使用する必要があります。

マルチボード システムで差動プロトコルを使用する主な理由は、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を必要としないためです。 差動ペアが回路基板に戻り、差動信号が読み取られると、配線中のグランド オフセットを気にせずにデータを復元できます。 マルチボード システムの PCB 間のケーブル接続に共通する差動プロトコルには、CAN バス、イーサネット、および RS485 が含まれます。 PCB アセンブリおよび PCB 処理メーカーは、マルチボード設計について何を説明していますか? マルチボードシステムを作成します。

差動ペアは、特にシールドを実装できない場合に、より長いケーブル リンクに使用されます。

シグナル インテグリティとパワー インテグリティを確保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場合は、ルール駆動型設計エンジンに基づく最高の高速設計およびレイアウト ツールセットを使用してください。 高密度レイアウトのシングル ボード コンピューターが必要な場合でも、複雑な混合信号 PCB が必要な場合でも、最適な PCB レイアウト ツールを使用すると、マルチボード設計と各回路基板の PCB レイアウトを作成する際の柔軟性を維持できます。