電氣系統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)：組件放置策略和功能

一塊印刷電路板（PCB）只能做很多事情。我們已經(jīng)看到了微型化的進(jìn)步，以及可以在單個(gè)芯片上壓縮的晶體管數(shù)量的穩(wěn)定增長。電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)看起來比以往任何時(shí)候都更加復(fù)雜，并且似乎并沒有變得更加容易。諸如EMI問題，散熱限制以及電路復(fù)雜性整體上升等因素已使多板PCB設(shè)計(jì)成為工業(yè)上的必需品。

多板PCB系統(tǒng)是任何需要多個(gè)PCB協(xié)同工作的設(shè)計(jì)。從分區(qū)到板內(nèi)連接，再到3D設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，以及降低EMI（電磁干擾）的技巧，讓我們深入研究電氣系統(tǒng)中的常見組件放置策略。

分區(qū)：PCB系統(tǒng)和子系統(tǒng)

PCB分區(qū)（不要與用于存儲(chǔ)目的的硬盤驅(qū)動(dòng)器的數(shù)字分區(qū)混淆）是關(guān)于基于功能對(duì)組件進(jìn)行物理分組。每個(gè)功能子系統(tǒng)都可以看作是一組組件及其支持電路。

例如，您的典型主板可以進(jìn)一步細(xì)分為許多功能單元，例如處理器時(shí)鐘邏輯，總線控制器，總線接口，內(nèi)存，視頻/音頻處理模塊和外圍設(shè)備（輸入/輸出）。

在多板PCB設(shè)計(jì)的背景下，分區(qū)后可以將組件重構(gòu)到不同的板上。這樣做可能有很多原因，其中包括：

lEMC（電磁兼容性）：通過諸如分離模擬電路和數(shù)字電路之類的最佳實(shí)踐來減輕EMI的關(guān)注（我們將在本文后面深入探討更多此類EMI降低技術(shù)）。

l成本：對(duì)于需要更昂貴的多層板體系結(jié)構(gòu)的功能電路，使用可以連接到主板的較小的板可能會(huì)更便宜。

l模塊化：在設(shè)計(jì)多個(gè)產(chǎn)品時(shí)，通過將模塊化標(biāo)準(zhǔn)化單元整合到設(shè)計(jì)中，可以節(jié)省業(yè)務(wù)時(shí)間和金錢，并允許您根據(jù)需要向底板添加功能（例如Arduino芯片組中的防護(hù)罩）。

l3D空間：僅僅因?yàn)槟梢詫⑺须娐钒惭b到單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的10“ x 16” PCB（大約是披薩盒的大小）上，并不意味著這對(duì)于設(shè)備外殼的物理尺寸和形狀是可行的。

在解決特定問題時(shí)，電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及很多技巧和創(chuàng)造力，這些特定問題迫使具有自己的電壓和電流屬性的整個(gè)組件組合為一個(gè)功能正常的設(shè)計(jì)。

電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和板內(nèi)連接

確定電氣系統(tǒng)的連接器不僅僅是確定哪種方法最適合您的可用生產(chǎn)預(yù)算。連接器是多面的，在某些特定的設(shè)計(jì)情況下，當(dāng)您處理特定的電源需求時(shí)，連接器可能成敗。

板內(nèi)連接器是多板PCB設(shè)計(jì)的基石?？焖贋g覽一下不同類型的板內(nèi)連接：

l板對(duì)板：公/母，針腳/插座接頭是最常見的板對(duì)板連接器類型。它們往往成本低廉，并且不適用于高速電路。但是，您可以使用更多的引腳數(shù)和多個(gè)引腳來處理更大的電流消耗。一個(gè)好的經(jīng)驗(yàn)法則是要牢記制造商的每個(gè)引腳的額定電流處理能力。

l卡邊緣連接器：可以將從一塊板的邊緣引出的跡線插入另一塊板上的匹配插槽中，以使兩塊板彼此垂直?？ㄟ吘夁B接器通常用作母板，背板或轉(zhuǎn)接卡上的擴(kuò)展插槽，而PCI-e（外圍組件互連Express）插槽則用于為計(jì)算機(jī)增加更多RAM。直接與板上走線接觸的耐腐蝕金觸點(diǎn)使其非常適合高速數(shù)字信號(hào)電路。

l板對(duì)線束：在許多情況下，可能需要將電纜和電線連接到板上。服務(wù)器房間特有的FFC（柔性薄膜電纜），FPC（柔性印刷電纜）和帶狀連接器就是最好的例子。

l直接焊接：城堡形通孔允許您創(chuàng)建可以輕松焊接在一起的PCB模塊。這些對(duì)于將小型無線模塊連接到較大的板上特別受歡迎。只要確保遵循高焊接標(biāo)準(zhǔn)，例如IPC-A-610或J-STD-001。

無論您的設(shè)計(jì)需要?jiǎng)?chuàng)建彼此堆疊的PCB塔，還是將板滑入機(jī)架或背板，確保您能夠在組成產(chǎn)品的不同板之間建立牢固的連接都非常重要。

降低高速電路中的EMI

EMC / EMI問題是多板PCB設(shè)計(jì)背后的主要驅(qū)動(dòng)力之一。產(chǎn)生EMI所需要的只是能量和天線。對(duì)高性能電子產(chǎn)品的需求意味著高速信號(hào)電路將在未來幾年變得越來越普遍。

多板設(shè)計(jì)為您提供了更多空間來適應(yīng)EMI / EMC最佳實(shí)踐。諸如將模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)分開，避免在狹窄的板上形成直角走線之類的事情，以及根據(jù)需要經(jīng)濟(jì)高效地使用多層板。同時(shí)，多板設(shè)計(jì)也帶來了新的問題，要求您將分析范圍從單板擴(kuò)展到板與整個(gè)系統(tǒng)之間的連接。

結(jié)合3D設(shè)計(jì)考慮因素

多板設(shè)計(jì)就像是昂貴的3D拼圖。組成系統(tǒng)的每個(gè)板都必須裝入物理外殼或機(jī)箱中。沒有什么比起草“完美的” CAD工程圖，購買所有的電路板，零件和連接器更糟糕的了，只是發(fā)現(xiàn)在組裝當(dāng)天您并沒有正確獲得所有3D間隙。更糟糕的是，沒有為適當(dāng)?shù)耐L(fēng)留出足夠的空間，會(huì)使您的產(chǎn)品受熱相關(guān)的性能下降。而且，我們甚至還沒有完全了解EMI的物理現(xiàn)實(shí)。

幸運(yùn)的是，我們現(xiàn)在生活在一個(gè)存在軟件的時(shí)代，該軟件可以幫助設(shè)計(jì)人員跟蹤所有這些“令人困惑的部分”。設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以采用整體方法進(jìn)行多板PCB設(shè)計(jì)，對(duì)所有板，連接器，電纜，插座和其他結(jié)構(gòu)進(jìn)行信號(hào)完整性分析。