多板 PCB 設計綜合指南
1 分鐘
許多複雜的電子系統都是以多板陣列的 PCB 建構而成。這種設計方式有許多優點，其中最大的優點是提供了模組化的方法。這些 PCB 可以當作子板插入主板，使其在 Arduino 和 Raspberry Pi 等原型開發中更具相容性。如果你想開發自己的多電路板系統，可以採取一些基本步驟，確保設計具備所需的連接性。
- 在多板設計中，收集資訊並配置資料至關重要。
- 電路圖擷取與 PCB 佈局仍然相同，但現在需要在同一環境中處理所有系統板。
- 多板系統設計讓你能夠檢查並模擬整個系統，而不僅僅是單一設計。
在本文中，我們將介紹設計中定義連接性的一些基本面向，同時確保設計的訊號完整性。
多板 PCB 設計的開始
多板設計從系統中每塊板的機械外形與計畫開始。了解單一印刷電路板將如何融入整個系統。連接方式可能涉及簡單的標準連接器，如夾層連接器或排針，或整合式邊緣連接器。之後，需要制定佈局與佈線策略，將元件連接起來，同時考慮 EMC/EMI 與阻抗匹配參數。多板設計的目的是透過在單一環境中組織多個設計來縮短開發時間。為了確保你能從這種新設計模式中受益，必須更新並準備好你的流程與工作流程。
規劃多板 PCB 系統設計
建立多板 PCB 系統是一個系統級專案，需要對板間連接有明確的計畫。多板 PCB 配置涉及指定系統中所有 PCB 之間的連接。以下是一個簡化的方法：
1- 板件排列：確定每塊板的方向，考慮任何移動元件或機械限制。早期的機械建模在此至關重要，以塑造整體設計。
2- 連接器選擇： 選擇板對板連接器、邊緣連接器、軟性排線或纜線，使其符合你的板件排列並能裝入外殼內。你需要選擇能支援板件排列且能裝入外殼的連接器。
3- 板件功能： 多板系統由多個電路組成，每個電路執行特定功能。此外，這些板只會容納支援該功能所需的元件。因此，你可能需要重新考慮電路板的排列以及連接器的選擇。
4- 腳位設定： 為每個連接器分配腳位，以支援特定訊號並維持訊號完整性。在連接器電路圖中定義這些腳位。
5- 電路圖輸入： 按板組織電路圖，確保每組只包含該板特定的元件，以便於管理。
6- PCB 佈局設計： 準備好電路圖後，設計實體佈局，根據規劃的板件排列與功能需求放置元件與連接器。
在多板設計中設定 PCB 佈局：
我使用 EasyEDA，因為它免費、開源，且有龐大的線上元件庫支援。多板設計可以作為專案下的獨立檔案，包含不同的電路圖與 PCB 佈局檔案。 請參閱我們全面的設計佈局指南。 以下是一些設計見解：
設計 1：
設計 2：
最終輸出：
多電路板中的走線佈線
對於多板系統，應在初始設計規則設定、阻抗設定檔計算完成且佈線模式配置好後開始佈線。並非每塊板都需要高速介面，但可以使用邊緣連接器、纜線、軟性排線或板對板連接器在板間佈線。較慢的單端訊號（如 GPIO 或匯流排協定）也可以透過纜線跨板連接。為了維持訊號完整性，請確保所有板之間的接地一致，以避免潛在問題。
在多板設計中定義接地層
在多板佈局中，必須仔細定義接地，以支援有效的訊號佈線。為了在整個系統中保持一致的接地電位，請遵循以下步驟：
1) 在每塊板上使用接地層，以維持特性阻抗、降低 EMI/串扰，並為電源分配網路（PDN）提供強大的去耦。
2) 連接板件時，透過連接器建立接地連結，確保每塊板之間的接地連續性，增強屏蔽與訊號完整性。
3) 對於排線或雙絞線，考慮在訊號路徑之間交錯接地線，以提供清晰的參考與更強的屏蔽效果。
這些做法透過支援一致的阻抗、定義的返回路徑與最小化的串扰，提升多板佈線的訊號完整性。然而在某些設計中，無法提供這種類型的接地連接。這種情況通常發生在系統實體分散於多個機櫃，而非所有板都連接在同一外殼內時。
在多板設計中使用差動協定
在長距離佈線時，較佳的做法是使用差動協定進行佈線。在較大的系統中，特別是直流系統，接地可能承載高電流。這可能構成安全隱患，且由於高電流需求，纜線在接地連接中會產生高熱，可能導致 PCB 故障。在這類配置中，每塊電路板上的接地層應隔離，且不應彼此連接。相反地，應使用機殼與接地連接進行屏蔽，而非 PCB 接地層。
在多板系統中進行板間訊號佈線時，使用差動對是有利的，因為它們能容忍板間的接地偏移。差動協定常用於這些系統中，因為它們在板間佈線時無需連續的接地參考。一旦差動訊號返回板件並讀取差值，即可恢復資料，無需擔心佈線過程中引入的任何接地偏移。
防止多板系統中的邏輯錯誤
多板系統設計中最重要的方面之一，是定義系統中每塊板之間的邏輯連接。互連中可能出現的一些關鍵錯誤包括：旋轉方向（I/O 互換、連接埠與接腳不匹配）、短路與斷路（缺失網路/不完整網路）以及行交換（排針連接器錯位）。
邏輯連接代表跨越多個 PCB 的電路圖中所定義的連接，其中板間的每個連接都會分配一個網路定義。如果邏輯連接定義錯誤，可能導致板間連接不匹配，可能在連接器、纜線與電線之間造成短路或錯位。為了成功設計多板系統，設計工程師必須擁有多組設計資料。
結論
設計多板 PCB 系統可以大幅簡化複雜的電子系統，特別是採用模組化方法時，能促進原型開發與開發流程。使用某些付費線上軟體可以輕鬆設計複雜的多板，但對於基本原型開發與最多兩層堆疊的多板，EasyEDA 是一個不錯的選擇。
具備 PCB 設計專業知識的工程師，只要記住從定義板件方向、連接器與功能等規劃技巧，就能成功設計多板。務必確保腳位定義清晰，並在所有連接中維持訊號完整性。
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