什么是多板设计？

很多复杂的电子系统都会作为多板PCB阵列来构建。此类系统设计有一些优势，比如您将在Arduino和Raspberry Pi等平台上看到的模块化。如柔性系统和刚柔结合系统等其他常见电路板是多板系统，需要通用的PCB布局和布线策略。如果您希望开发自己的多电路板系统，可以采取一些基本步骤，来确保设计具备您所需的连接性。

当电路板采用最好的PCB设计软件时，创建多PCB系统会非常容易。设计软件中所需的PCB工具集包括标准电气实用程序以及MCAD集成，以确保您的电路板妥当配合。在本简要指南中，我们将介绍在设计中定义连接性，同时确保设计中信号完整性的一些基本方面。无论是使用标准刚性多层PCB设计和布局，还是更为融合的刚柔结合电路板，您都需要一些基本的设计工具集来确保设计能够按照预期状态工作。

多板设计首先是系统中每个电路板的机械轮廓，以及关于它们如何相互连接的计划。您的连接方式可涉及简单的标准化连接器，如夹层连接器、排针或集成边缘连接器。确定了这几点之后，就需要制定布局和布线策略，以便在整个设计中恰当连接组件，而不会产生EMI/EMC、SI/PI或机械振动问题。请阅读以下部分，了解如何着手高速设计，以及PCB设计软件的重要作用。

多板PCB系统设计规划

设计多板PCB布置是系统层面的设计项目，涉及定义系统中所有电路板之间的连接。开始对多PCB系统进行布局规划的良好流程如下：

• 确定电路板布置：这些电路板将如何相互定向？系统是否有需要以某种方式与电路板进行交互的移动元件？机械建模需要在此阶段开始，并将确定如何设计。
• 选择连接器：您的电路板会与现成的板对板连接器、边缘连接器、柔性带或电缆互连吗？需要选择连接器来支持所需的电路板布置，同时仍能契合您的外壳。
• 决定电路板函数：理想状态下，多板系统中的每个电路板将执行特定函数，并应仅留有支持该函数所需的组件。这可能会迫使您重新考虑电路板布置和连接器选项，因此，决定在哪些电路板上放置哪些函数时需要考虑到这一点。
• 跨连接器映射信号：每个连接器都应支持特定的信号或信号组，并确保设计中的信号完整性。此阶段可以确定引脚，并可在连接器的原理图符号上定义引脚。
• 开始创建原理图：为了保持条理，最好对原理图进行分段，以便其能够反映出多板系统设计中的电路板布置。每组原理图应仅包含单个电路板的组件，不同电路板的组件不应放置在同一个原理图表中。

在系统中为各个电路板创建原理图后，即可开始为各个电路板创建物理PCB布局。按照PCB设计的标准流程，将您的组件导入设计中，并放置在每块电路板周围。此时可将连接器放置在PCB上的预定位置，并在特定组件上定义边缘连接器。

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开始组件布线之前，重点是开始思考您的机械要求，以及在布局完成后，您的设计是否依然能契合原计划使用的外壳。要做到这一点，需要使用外壳模型和系统中的每块电路板，以确保没有干扰，并且电路板能按照预期安装在一起。

用于多板装配件的原生3D PCB设计

某些测量和建模在2D中非常困难，导致在电路板、组件和外壳之间造成了干扰风险。多板PCB设计中，PCB装配件会涉及多个电路板，设计中的电路板之间或组件、电缆和系统中的其他元件之间可能存在不必要的干扰。防止这种情况的最佳方式是将机械回查纳入设计流程中，以确保没有干扰。

回查期间会使用MCAD工具在3D中自动检查间隙，这些工具会检查电路板、外壳和组件的3D模型。MCAD软件和PCB设计功能中的标准3D建模文件格式是STEP模型。通过结合设计中各个组件的STEP模型，您的设计软件可以创建出电路板的逼真模型。

如果您正在与机械设计人员合作构建多板设计，那么他们应该为设计提供PCB外壳的模型。然后便可将其导入您的PCB设计软件中，以便在ECAD工具中执行干扰检查。另一个选项是导出电路板的STEP模型或IDF文件，然后将其倒入MCAD应用程序进行回查。企业层面团队的标准工作流程是让MCAD用户执行回查，以便验证组件放置。

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所有电路板上的初始布局完成并检查干扰之后，即可为设计进行布线。多板系统需要对高速信号和低速数字协议进行重要的布线考量，以确保信号完整性。

多电路板系统中的布线

在每块电路板中，应在设置初始设计规则、计算全部所需阻抗配置文件并将设计设置为适当的布线模式后，方可执行布线。虽然并非每个电路板上都存在高速接口，但它们可以通过边缘连接器、电缆、柔性带或板对板连接器，在多板系统设计的电路板之间布线。较慢的单端信号（如来自GPIO）或总线协议也可通过电缆或在电路板之间路由。不过，必须谨慎确保均匀接地，并防止可能出现的信号完整性问题。

在多板系统设计中定义接地

就像在其他PCB中一样，需要明确定义多板布局中的接地，以便确保信号的可布线性。在电路板之间路由信号路径时，请使用以下流程，以确保在整个系统中执行一致的接地电位：

1. 在每块电路板上使用接地层，以提供明确的特征阻抗，通过屏蔽来抑制EMI/串扰，并帮助在PDN中提供强大的解耦。
2. 在两块电路板之间布线时，在连接器之间纳入接地连接，以便连接每个电路板中的接地区域。这会通过连接器或电缆提供屏蔽。
3. 针对带状电缆或双绞线电缆，考虑在信号之间使用交错接地，以便在布线路径中提供明确的参照和更强大的屏蔽。

在跨多板系统设计中电路板设计之间的连接进行布线时，这种简单的接地运用是信号完整性的重要组成部分。这有助于定义多板PCB设计和布线中的一致阻抗、返回路径和串扰抑制。如果已遵循这些步骤，那么在电路板之间和通过电缆进行布线时，您更有可能维持单端信号的信号完整性。

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遗憾的是，部分多板系统的拓扑结构无法提供此类接地连接。当系统物理分布在多个机柜中，而不是将所有电路板连接在同一个机柜中时，通常会出现这种情况。然而，有时候电路板会以菊花链形式在同个机柜中连接并提供高功率，在这种情况下，设计可能会产生安全和可靠性问题，而这只能通过差分对布线来解决。

为什么在多板设计中使用差分协议

在工业级系统等长线缆上布线时，更好的方法是使用差分协议进行布线。电路板之间使用接地连接的更大系统，尤其是接地可以承载高电流的直流系统，其中可能会存在安全隐患，并且由于电缆在接地连接中散发出高热量，所以可能会导致电缆损坏。

在与电缆连接的较大系统上使用屏蔽的情况下，尤其是在串联电路板的线性布置中，每块电路板中的接地层应该隔离，而不是相互连接。相反，机箱和接地连接应该用于屏蔽，而不是PCB接地层。然后，为了在电路板之间路由信号，应使用差分对，因为它们可以适应多电路板系统中电路板之间的接地偏移。

在多板系统中使用差分协议的主要原因，是它们在系统中的两个电路板之间布线时不需要明确的接地参照。在差分对返回电路板上并读取差分信号后，就可以恢复数据，而无需担心布线期间发生的接地偏移。多板系统中PCB之间布线的常见差分协议包括CAN总线、以太网和RS485。

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当您需要构建先进的高速数字系统，同时确保维持信号完整性和电源完整性时，请使用基于规则驱动设计引擎的最佳高速设计和布局工具集。无论需要布局密集的单板计算机，还是复杂的混合信号PCB，最好的PCB布局工具都将帮助您在创建多板设计和每个电路板的PCB布局时保持灵活性。

多板系统设计人员、PCB布局工程师和SI/PI工程师信赖Altium Designer®用于其设计和布局的高端设计工具。当设计完成并准备投入生产时，Altium 365™平台可以轻松地协作并共享您的项目。Altium Designer还集成了热门的MCAD和仿真应用程序，让您能够更好地了解多电路板系统中的功耗和信号行为。

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