博客作者：David Marrakchi

現(xiàn)代電子系統(tǒng)日益依賴多板設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)緊湊的外形、模塊化以及可維護(hù)性。然而，將功能分布到多個(gè)PCB上帶來了新的復(fù)雜性。電源完整性、信號(hào)質(zhì)量、電磁兼容性和機(jī)械對(duì)準(zhǔn)都必須在系統(tǒng)級(jí)進(jìn)行驗(yàn)證，而不僅僅是在單個(gè)板卡上。

Altium通過一個(gè)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)環(huán)境來應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，該環(huán)境集成了仿真、多板項(xiàng)目管理、3D機(jī)械建模和實(shí)時(shí)合規(guī)性追蹤。借助合適的工具和最佳實(shí)踐，工程團(tuán)隊(duì)可以充滿信心地創(chuàng)建穩(wěn)健、高性能的多板系統(tǒng)。

真正的多板系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而非僅僅是"多個(gè)板卡"

多板系統(tǒng)不僅僅是單個(gè)PCB的集合。它們是具有共享電氣、邏輯和機(jī)械接口的相互依賴的子系統(tǒng)。每個(gè)板卡必須作為 cohesive 整體的一部分與其他板卡協(xié)調(diào)一致。Altium通過原生的多板項(xiàng)目管理（*.PrjMbd）實(shí)現(xiàn)這種集成，允許多個(gè)PCB項(xiàng)目在單一環(huán)境中進(jìn)行邏輯和物理鏈接。

設(shè)計(jì)人員可以定義和同步跨板互連，使用完整的3D裝配體驗(yàn)證機(jī)械配合，并及早發(fā)現(xiàn)錯(cuò)位問題。例如，在一個(gè)主板通過板對(duì)板連接器連接到電源板和UI模塊的設(shè)計(jì)中，Altium的多板編輯器可確保連接器在原理圖和機(jī)械視圖中都正確對(duì)齊，從而消除布局后的意外。

用于早期風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避的內(nèi)置工具

Altium集成了具有布局感知能力的驗(yàn)證工具，使工程師能夠在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程的早期發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵問題，尤其是在電源輸送、信號(hào)完整性和板對(duì)板連接性等領(lǐng)域。

它通過以下方式支持主動(dòng)決策：

層疊設(shè)計(jì)和阻抗計(jì)算器：指導(dǎo)創(chuàng)建針對(duì)受控阻抗布線優(yōu)化的層疊和走線幾何結(jié)構(gòu)。

實(shí)時(shí)DRC和ERC檢查：確保走線寬度、間距、網(wǎng)絡(luò)分配和差分對(duì)間距符合設(shè)計(jì)規(guī)則，尤其是在連接器接口處。

原生3D碰撞檢查：確保連接器對(duì)齊，避免外殼碰撞或在緊湊的機(jī)械裝配體中間距不足。

這些功能共同幫助工程師規(guī)避可能導(dǎo)致昂貴重新設(shè)計(jì)或系統(tǒng)故障的布局和集成風(fēng)險(xiǎn)。

電源分配與連接器完整性

在多板系統(tǒng)中，電源分配通常分布在連接器和狹窄的布線通道上，每一處都是潛在的故障點(diǎn)。長(zhǎng)走線上的IR壓降、過小的電源平面或不足的回流路徑都可能導(dǎo)致電壓不穩(wěn)定甚至設(shè)備故障。

Altium提供了在系統(tǒng)級(jí)仿真和驗(yàn)證電源輸送網(wǎng)絡(luò)的工具。例如，當(dāng)一個(gè)PCB上的開關(guān)穩(wěn)壓器向另一個(gè)板卡供電時(shí)，仿真可以顯示哪里走線寬度或連接器容量不足，或者哪里地回流電流可能引入噪聲。設(shè)計(jì)人員隨后可以在布局最終確定之前，加強(qiáng)電源路徑、重新分配引腳用途或在負(fù)載附近添加去耦電容。

這種分析在工業(yè)控制器或嵌入式平臺(tái)等系統(tǒng)中至關(guān)重要，因?yàn)殡娫赐ㄟ^一個(gè)板卡引入，但必須穿過多個(gè)模塊才能到達(dá)分布式元件。

多板系統(tǒng)中高速信號(hào)處理方面的優(yōu)勢(shì)：

SI Analyzer by Keysight

多板設(shè)計(jì)帶來了靈活性，但也帶來了風(fēng)險(xiǎn)，尤其是在高速信號(hào)在板間傳輸時(shí)。SI Analyzer by Keysight直接集成到Altium中，為您提供一種快速、直觀的方法，在關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)離開板卡之前對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

該工具針對(duì)多板裝配體內(nèi)的板級(jí)分析進(jìn)行了優(yōu)化，能在您需要的地方提供您所需的信號(hào)完整性洞察：

檢查關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)上的阻抗、延遲、插入損耗和回波損耗。

在異步電路中的時(shí)序問題通過連接器傳播之前發(fā)現(xiàn)它們。

使用熱圖找出與目標(biāo)阻抗Z?的偏差。

生成清晰、可追溯的報(bào)告，為您的布局決策提供支持。

當(dāng)信號(hào)質(zhì)量在互連板卡間至關(guān)重要時(shí)，信號(hào)分析器可幫助您及早發(fā)現(xiàn)問題，而無需中斷工作流程或使用專門工具。它為復(fù)雜、性能關(guān)鍵的系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的清晰度。

減少多板系統(tǒng)中的連接錯(cuò)誤

多板系統(tǒng)中最常見且代價(jià)高昂的問題之一是連接器錯(cuò)接或跨板網(wǎng)絡(luò)不匹配。Altium通過以下方式幫助及早發(fā)現(xiàn)這些問題：

連接管理器：比較板卡之間的引腳到引腳分配，并在原理圖捕獲期間突出顯示不匹配。

3D機(jī)械對(duì)準(zhǔn)工具：確保連接器在板卡間正確對(duì)齊，并為對(duì)接和外殼安裝提供足夠的間隙。

No ERC指令和可定制規(guī)則：允許設(shè)計(jì)人員抑制非關(guān)鍵警告，同時(shí)不會(huì)忽略真正的連接錯(cuò)誤。

通過保持跨板卡原理圖到布局的一致性，并在系統(tǒng)級(jí)強(qiáng)制執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)連續(xù)性，Altium有助于減少那些可能直到系統(tǒng)上電時(shí)才被發(fā)現(xiàn)的隱性故障。

協(xié)作與生命周期支持

多板設(shè)計(jì)需要ECAD和MCAD學(xué)科之間的緊密協(xié)調(diào)。板卡不僅需要電氣功能正常，還必須精確地安裝在外殼內(nèi)，在安裝點(diǎn)正確對(duì)齊，并適應(yīng)熱或機(jī)械約束。Altium的原生3D環(huán)境支持實(shí)時(shí)MCAD協(xié)作，并提供對(duì)SolidWorks和Fusion 360等工具的導(dǎo)出/導(dǎo)入支持。

工程師可以使用共享模型共同驗(yàn)證連接器配合、板間距、安裝孔對(duì)齊和外殼間隙。例如，在機(jī)箱內(nèi)垂直堆疊PCB時(shí)，Altium允許機(jī)械和電氣團(tuán)隊(duì)實(shí)時(shí)確認(rèn)連接器的對(duì)接高度和公差。

Altium將這種集成擴(kuò)展到供應(yīng)鏈和合規(guī)性追蹤。它監(jiān)控組件狀態(tài)、可用性、RoHS/REACH合規(guī)性以及生命周期指標(biāo)，有助于防止在采購(gòu)或認(rèn)證過程中出現(xiàn)意外。例如，如果一個(gè)板卡上的組件停產(chǎn)，設(shè)計(jì)人員會(huì)及早收到通知，以免影響系統(tǒng)的其余部分。

實(shí)現(xiàn)多板卓越性能的最佳實(shí)踐

為確保多板系統(tǒng)達(dá)到最佳的電氣和機(jī)械性能：

盡早定義完整的系統(tǒng)架構(gòu)，使用Altium的多板項(xiàng)目框架來管理邏輯和物理關(guān)系。

在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中使用仿真工具，在布局前驗(yàn)證電源、信號(hào)和EMI性能。

在所有PCB上保持一致的網(wǎng)絡(luò)命名和連接器引腳分配，以防止不匹配。

使用Altium的3D多板建模工具驗(yàn)證機(jī)械配合和連接器對(duì)準(zhǔn)。

從布局之初就設(shè)計(jì)EMI抑制措施，確保緊湊的回流路徑、阻抗控制和適當(dāng)?shù)钠矫孢B續(xù)性。

監(jiān)控元件狀態(tài)、合規(guī)性和采購(gòu)風(fēng)險(xiǎn)，以確保可制造性和法規(guī)符合性。

結(jié)論

多板系統(tǒng)設(shè)計(jì)本身很復(fù)雜，但借助合適的工具和流程，工程師可以降低風(fēng)險(xiǎn)、簡(jiǎn)化開發(fā)并交付高度可靠的系統(tǒng)。Altium通過一個(gè)涵蓋仿真、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、機(jī)械集成和供應(yīng)鏈感知的統(tǒng)一平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。通過從一開始就采用系統(tǒng)級(jí)方法，團(tuán)隊(duì)即使在要求最苛刻的應(yīng)用中也能實(shí)現(xiàn)卓越的電氣性能并加速創(chuàng)新。

關(guān)于Altium

Altium有限公司隸屬于瑞薩集團(tuán)，總部位于美國(guó)加利福尼亞州圣迭戈，是一家致力于加速電子創(chuàng)新的全球軟件公司。Altium提供數(shù)字解決方案，以最大限度提高電子設(shè)計(jì)的生產(chǎn)力，連接整個(gè)設(shè)計(jì)過程中的所有利益相關(guān)者，提供對(duì)元器件資源和信息的無縫訪問，并管理整個(gè)電子產(chǎn)品生命周期。Altium生態(tài)系統(tǒng)加速了各行業(yè)及各規(guī)模企業(yè)的電子產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)進(jìn)程。