マルチボードPCB設計の包括的ガイド

　多くの複雑なエレクトロニクスシステムは、PCBのマルチボードアレイとして構築されています。このタイプの設計には多くの利点がありますが、最大の利点はモジュラーアプローチであることです。PCBはドーターボードとしてメインボードに差し込むことができ、ArduinoやRaspberry Piのようなプロトタイピングとの親和性が高くなります。独自のマルチサーキットボード・システムを開発したい場合、設計に必要な接続性を確保するための基本的な手順がいくつかある。

・ マルチボード設計では、情報の収集とデータの構成が不可欠です。

・回路図のキャプチャーとPCBレイアウトは変わりませんが、同じ環境ですべてのシステムボードを扱うことになります。

・マルチボードシステム設計では、単一の設計だけでなく、システム全体をチェックし、シミュレーションすることができます。

　この記事では、デザイン内のシグナルインテグリティを確保しながら、デザイン内の接続性を定義する基本的な側面について説明します。

マルチボードPCB設計の開始

　マルチボード設計は、システム内の各ボードの機械的なアウトラインと計画から始まります。1枚のプリント基板がどのようにシステムに適合するかを理解します。接続スタイルには、メザニンコネクタやピンヘッダなどの単純な標準コネクタ、または統合されたエッジコネクタが含まれる場合があります。この後、EMC/EMIとインピーダンス・マッチング・パラメーターを念頭に置いて、コンポーネントを接続するための配置配線戦略を策定する必要がある。マルチボード設計は、複数の設計を単一の環境内でまとめることにより、開発時間を短縮することを目的としています。この新しい設計パラダイムの恩恵を確実に受けるためには、プロセスとワークフローを更新し、準備する必要があります。

マルチPCBシステム設計の計画

　マルチボードPCBシステムの作成はシステムレベルのプロジェクトであり、ボード接続の明確な計画が必要です。マルチボードPCBの配置は、システム内のすべてのPCB間の接続を指定することが含まれます。ここでは、合理的なアプローチを紹介します：

1- ボードの配置： 可動部品や機械的な制約を考慮して、各基板の向きを決めます。ここでは、全体の設計を形作るために、早期のメカニカルモデリングが不可欠です。

2- コネクターの選択： 基板対基板コネクタ、エッジコネクタ、フレックスリボン、ケーブルなど、基板の配置に合わせ、筐体に収まるコネクタを選択します。筐体に収まるようにしながら、ボードの配置をサポートするコネクタを選択する必要があります。

3- ボード機能： マルチボードシステムは、それぞれが特定の機能を実行する複数の回路で構成されています。また、これらのボードには、この機能をサポートする必要なコンポーネントのみが搭載されます。そのため、回路基板の配置やコネクターオプションを再考する必要があるかもしれません。

4- ピンアウトの設定： 特定の信号をサポートし、シグナルインテグリティを維持するために、各コネクタにピンを割り当てる。これらのピンアウトをコネクタ回路図で定義する。

5- 回路図の入力： ボードごとに回路図を整理し、各セットがそのボードに固有のコンポーネントのみを含むようにし、管理を容易にします。

6- PCBレイアウト設計： 回路図の準備ができたら、物理的なレイアウトを設計し、計画されたボード配置と機能要件に従ってコンポーネントとコネクタを配置します。

マルチボードデザインにおけるPCBレイアウトの設定：

EasyEDAを使用しています。その理由は、無料のオープンソースインターフェースと膨大なオンラインライブラリのサポートです。マルチボードデザインは、異なる回路図とPCBレイアウトファイルを含むプロジェクトの下で別々のファイルとして作成することができます。設計レイアウトに関する包括的なガイドを参照してください。以下は、設計に関する考察です：

デザイン1:

デザイン2:

最終アウトプット:

マルチ回路における配線トラック

　マルチボードシステムでは、初期設計ルールが設定され、インピーダンスプロファイルが計算され、配線モードが設定された時点で配線を開始する必要がある。高速インターフェイスは、すべてのボードで必要な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、またはボード間コネクタを使用してボード間を配線することができます。GPIO やバス・プロトコルのような低速のシングル・エンド信号も、ケーブルを使ってボード間で接続できます。シグナルインテグリティを維持するために、すべてのボードで一貫したグランドを確保し、潜在的な問題を回避してください。

マルチボード設計におけるグランド層の定義

マルチボード・レイアウトでは、効果的な信号配線をサポートするために、接地を慎重に定義する必要があります。全体を通して一貫したグランド電位を維持するには、以下の手順に従います：

1) 特性インピーダンスを維持し、EMI/クロストークを低減し、配電網（PDN）のための堅牢なデカップリングを提供するために、各ボードにグランドプレーンを使用する。

2) 基板を接続する場合、コネクタをまたいでグランドリンクを確立し、各基板の連続グランドを確保し、シールドとシグナルインテグリティを強化する。

3) リボンケーブルやツイストペアケーブルの場合、明確な基準と強力なシールドを提供するために、信号経路間にグランドラインを挿入することを検討する。

　これらの方法は、一貫したインピーダンス、明確なリターンパス、マルチボード配線におけるクロストークの最小化をサポートすることで、シグナルインテグリティを向上させます。しかし、設計によっては、このようなグラウンド接続ができない場合があります。これは、すべてのボードを同じ筐体に接続するのではなく、システムが物理的に複数のキャビネットにまたがっている場合によくあることです。

マルチボード設計での差動プロトコルの使用

　長距離をルーティングする場合、ルーティングに差動プロトコルを使用するのが良い方法です。大規模なシステム、特にDCシステムでは、グラウンドが大電流を流す可能性があります。大電流を必要とするケーブルは、グランド接続部に高熱を放散するため、PCBの故障につながる可能性があります。このような配置の場合、各回路基板のグランドプレーンは絶縁されるべきであり、互いに接続されるべきではない。その代わりに、PCBのグランドプレーンではなく、シャーシとアース接続をシールドに使うべきである。

　マルチボードシステムでボード間の信号配線を行う場合、差動ペアを使用すると、ボード間のグランドオフセットを許容できるので有利である。差動プロトコルは、基板間の配線中に連続的なグランドリファレンスを必要としないため、このようなシステムで一般的に使用されます。差動信号がボードに戻り、差分が読み取られると、配線中に生じたグラウンド・オフセットを気にすることなくデータのリカバリーが可能です。

マルチボードシステムにおける論理エラーの防止

　マルチボードシステム設計の最も重要な側面の1つは、システム内の各ボード間の論理接続を定義することです。相互接続で発生する可能性のある重大なエラーには、向きの回転（I/Oトランスポーズ、ポートとピンの不一致）、ショートやオープン（欠落したネット/不完全なネット）、列の入れ替え（ヘッダーコネクターの配置ミス）などがあります。

　論理接続は、複数の PCB にまたがる回路図で定義された接続を表し、ボード間の各接続にはネット定義が割り当てられます。論理接続の定義が正しくない場合、基板間の接続が不一致になり、コネクタ、ケーブル、ワイヤ間で短絡や不整合が発生する可能性があります。マルチボードシステム設計を成功させるためには、設計エンジニアは複数の設計データセットを持つ必要があります。

結論

　マルチボードPCBシステムの設計は、特にプロトタイピングと開発を容易にするモジュラーアプローチを採用することで、複雑な電子システムを大幅に合理化することができます。有料のオンラインソフトウェアを使用すれば、複雑なマルチボードの設計は簡単ですが、基本的なプロトタイピングと2スタックまでのマルチボードであれば、EasyEDAを使用するのが良いでしょう。

　PCB設計の専門知識を持つエンジニアは、ボードの方向、コネクタ、機能の定義から計画するようなヒントを念頭に置くことで、マルチボードの設計を成功させることができます。常に明確なピンアウト定義を確保し、すべての接続でシグナルインテグリティを維持します。