Um Guia Abrangente para Design de PCB Multiboard

Muitos sistemas eletrônicos complexos são construídos como arranjos de múltiplas placas de PCI. Há muitas vantagens neste tipo de design, sendo a principal delas a abordagem modular que oferece. As PCIs podem ser conectadas como placas filhas à placa principal, o que as torna mais compatíveis para prototipagem, como Arduino e Raspberry Pi. Se você deseja desenvolver seu próprio sistema de placas de múltiplos circuitos, existem alguns passos básicos que você pode seguir para garantir que seu design tenha a conectividade necessária.

• Reunir suas informações e configurar seus dados é essencial no design de múltiplas placas.
• A captura esquemática e o layout da PCI permanecem os mesmos, mas agora envolvem trabalhar com todas as placas do sistema no mesmo ambiente.
• O design de sistemas de múltiplas placas oferece a capacidade de verificar e simular todo o sistema, em vez de apenas um único design.

Aqui neste artigo, abordaremos alguns dos aspectos básicos da definição de conectividade em seu design, garantindo também a integridade do sinal no projeto.

Iniciando o Design de PCI Multi-placa

O design multi-placa começa com um esboço mecânico de cada placa em seu sistema e um plano. Entender como uma única placa de circuito impresso se encaixará no sistema. O estilo de conexão pode envolver conectores padronizados simples, como conectores mezanino ou barramentos de pinos, ou conectores de borda integrados. Depois disso, uma estratégia de posicionamento e roteamento precisa ser desenvolvida para conectar os componentes, mantendo em mente os parâmetros de EMC/EMI e correspondência de impedância. O design multi-placa visa reduzir o tempo de desenvolvimento organizando vários designs juntos em um único ambiente. Para garantir que você se beneficie deste novo paradigma de design, você precisa ter certeza de que seus processos e fluxos de trabalho estão atualizados e prontos.

Planejando o Design do Sistema de PCI Multi-placa

Criar um sistema de PCI multi-placa é um projeto em nível de sistema, exigindo um plano claro para as conexões das placas. O arranjo de PCI multi-placa envolve especificar as conexões entre todas as PCIs no sistema. Aqui está uma abordagem simplificada:

1- Arranjo das Placas: Determine a orientação de cada placa, considerando quaisquer componentes móveis ou restrições mecânicas. A modelagem mecânica inicial é essencial aqui para moldar o design geral.

2- Seleção de Conectores: Escolha conectores como conectores placa-a-placa, conectores de borda, fitas flexíveis ou cabos que se alinhem com o arranjo da placa e caibam dentro do gabinete. Você precisa escolher conectores que suportem o arranjo da placa, cabendo no seu gabinete.

3- Funções da Placa: Um sistema multi-placa compreende vários circuitos, cada um executando certas funções. Além disso, essas placas conterão apenas os componentes necessários que suportam essa função. Portanto, você pode precisar reconsiderar o arranjo da placa de circuito, bem como as opções de conectores.

4- Configuração de Pinagem: Atribua pinos em cada conector para suportar sinais específicos e manter a integridade do sinal. Defina essas pinagens nos esquemas dos seus conectores.

5- Entrada de Esquemas: Organize os esquemas por placa, garantindo que cada conjunto inclua apenas componentes específicos para aquela placa, para facilitar o gerenciamento.

6- Design do Layout da PCI: Com os esquemas prontos, projete o layout físico, posicionando componentes e conectores de acordo com o arranjo planejado da placa e os requisitos funcionais.

Configurando o Layout da PCI no Design Multi-placa:

Estou usando o EasyEDA, devido à sua interface gratuita de código aberto e enorme suporte de biblioteca online. Os designs multi-placa podem ser feitos como arquivos separados sob um projeto contendo diferentes esquemas e arquivos de layout de PCI. Veja nosso guia completo sobre layout de design. Aqui estão algumas percepções de design:

Design 1:

Design 2:

Saída Final:

Roteamento de Trilhas em Placas de Múltiplos Circuitos

Para sistemas multi-placa, o roteamento deve começar uma vez que as regras de design iniciais são definidas, os perfis de impedância são calculados e o modo de roteamento é configurado. Interfaces de alta velocidade podem não ser necessárias em todas as placas, mas podem ser roteadas entre placas usando conectores de borda, cabos, fitas flexíveis ou conectores placa-a-placa. Sinais single-ended mais lentos, como GPIOs ou protocolos de barramento, também podem se conectar entre placas via cabos. Para manter a integridade do sinal, garanta um aterramento consistente em todas as placas para evitar possíveis problemas.

Definindo a Camada de Terra no Design Multi-placa

Em layouts multi-placa, o aterramento deve ser cuidadosamente definido para suportar um roteamento de sinal eficaz. Para manter um potencial de terra consistente em todo o sistema, siga estes passos:

1) Use planos de terra em cada placa para manter a impedância característica, reduzir EMI/crosstalk e fornecer desacoplamento robusto para a rede de distribuição de energia (PDN).

2) Ao conectar placas, estabeleça um link de terra através dos conectores para garantir um aterramento contínuo em cada placa, melhorando a blindagem e a integridade do sinal.

3) Para cabos flat ou de par trançado, considere intercalar linhas de terra entre os caminhos de sinal para fornecer uma referência clara e blindagem mais forte.

Essas práticas melhoram a integridade do sinal ao suportar impedância consistente, caminhos de retorno definidos e crosstalk minimizado no roteamento multi-placa. No entanto, em alguns designs, esse tipo de conexão de terra não pode ser fornecido. Isso geralmente ocorre quando o sistema está fisicamente distribuído por vários gabinetes, em vez de ter todas as placas conectadas no mesmo compartimento.

Usando Protocolos Diferenciais no Design Multi-placa

Ao rotear por longas distâncias, uma abordagem melhor é usar protocolos diferenciais para o roteamento. Em sistemas maiores, particularmente sistemas DC, o terra pode transportar alta corrente. O que pode ser um risco de segurança e, devido à alta demanda de corrente, o cabo dissipa muito calor nas conexões de terra, o que pode levar a uma avaria na PCI. Nesses tipos de arranjos, os planos de terra em cada placa de circuito devem ser isolados e não conectados entre si. Em vez disso, o chassi e uma conexão de terra física devem ser usados para blindagem, não o plano de terra da PCI.

Ao rotear sinais entre placas em um sistema multi-placa, usar pares diferenciais é vantajoso, pois eles podem tolerar deslocamentos de terra entre as placas. Protocolos diferenciais são comumente usados nesses sistemas porque eliminam a necessidade de uma referência de terra contínua durante o roteamento entre placas. Uma vez que o sinal diferencial retorna a uma placa e a diferença é lida, a recuperação de dados é possível sem preocupação com qualquer deslocamento de terra introduzido durante o roteamento.

Prevenindo Erros Lógicos em Sistemas Multi-placa

Um dos aspectos mais importantes do design de sistemas multi-placa é definir as conexões lógicas entre cada placa em seu sistema. Alguns dos erros críticos que podem surgir nas interconexões são como, orientação rotacionada (transposição de E/S, não correspondência de portas e pinos), curtos e abertos (redes faltantes/incompletas) e linhas transpostas (posicionamento incorreto do conector header).

Uma conexão lógica representa as conexões definidas nos esquemas em múltiplas PCIs, onde cada conexão entre placas recebe uma definição de rede. Se as conexões lógicas forem definidas incorretamente, isso pode levar a conexões incompatíveis entre as placas, potencialmente causando curtos-circuitos ou desalinhamentos entre conectores, cabos e fios. Para um design de sistema multi-placa bem-sucedido, o engenheiro de design deve ter vários conjuntos de dados de design.

Conclusão

Projetar um sistema de PCI multi-placa pode simplificar significativamente sistemas eletrônicos complexos, especialmente adotando uma abordagem modular que facilita a prototipagem e o desenvolvimento. Com alguns softwares online pagos, é fácil projetar múltiplas placas complexas, mas para a prototipagem básica e até 2 placas empilhadas, o EasyEDA é uma boa opção a se considerar.

Um engenheiro com experiência em design de PCI pode projetar com sucesso um sistema multi-placa, mantendo em mente dicas como planejamento desde a definição da orientação da placa, conectores e funções. Sempre garanta definições de pinagem claras e mantenha a integridade do sinal em todas as conexões.