Design de placas múltiplas para aplicações com diferentes tensões – Zuken Blog

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Os benefícios de desenvolver todas as placas de um sistema simultaneamente em uma única tela de CAD

Empilhar PCBs, em oposição à conexão com cabos, no design de placas múltiplas é uma tendência atual e altamente popular, pois os custos de fabricação são reduzidos e a confiabilidade é aprimorada. Herbert Ritthaler, arquiteto de soluções Electronic Design, explica os benefícios de desenvolver as placas simultaneamente em uma única tela de CAD.

Num relance

  • Aplicativos avançados, como a eletromobilidade, exigem que a funcionalidade especializada seja combinada em um sistema de placa múltipla conectada.
  • Enquanto os módulos que contêm PCBs com funções dedicadas existem há décadas, todos os setores de mobilidade eletrônica estão agora analisando como as placas estão fisicamente conectadas.
  • As vantagens do empilhamento de placas são muitas e a maioria dos benefícios advém de não ser mais necessário conectores e cabos mecânicos. No entanto, esses benefícios têm um preço: o processo de design agora é mais complexo.
  • Este artigo descreve como o CR-8000 Design Force da Zuken suporta esse design simultâneo em uma única tela.

Um sistema de placa múltipla compreende duas ou mais PCBs interconectadas em um único gabinete. Normalmente, os conselhos terão papéis muito diferentes. Por exemplo, se você considerar a mobilidade eletrônica (ou seja, a tendência do setor de mudar para trens de acionamento elétrico e atuar nos setores automotivo, aeroespacial e outros setores de transporte), muitos módulos são sistemas com várias placas. Uma placa será um controlador. Outro será para ligar e desligar cargas de corrente potencialmente altas.

Embora eles compartilhem muitas considerações comuns de projeto e fabricação, os PCBs exigirão atenção especial quando se trata de suas funções específicas. Nesse sentido, a placa controladora pode ser de alta densidade, possuir dispositivos BGA (com centenas de bolas cada), dispositivos flip-chip, matriz ligada a fio e / ou ter componentes incorporados; isto é, o substrato PCB contém estruturas com propriedades resistivas e / ou capacitivas.

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A placa controladora também pode apresentar sinais digitais de alta velocidade e, possivelmente, até sinais de RF, e garantir a integridade do sinal através da correspondência de impedâncias será de suma importância. Quanto ao painel de energia, pode ser necessário lidar com centenas de Amperes, para que o gerenciamento térmico seja o maior desafio.

Tudo em um

Enquanto os módulos que contêm PCBs com funções dedicadas existem há décadas, todos os setores de mobilidade eletrônica estão agora analisando como as placas estão fisicamente conectadas. Uma tendência atual é que eles sejam montados um em cima do outro, com a placa controladora colocada como se fosse um grande dispositivo BGA na placa de alimentação.

projeto multi placa
A montagem de placas controladoras em placas de energia é uma tendência crescente nos setores de mobilidade eletrônica e o software CAD está permitindo que os engenheiros projetem várias placas em um único ambiente.

As vantagens do empilhamento de placas são muitas e a maioria dos benefícios advém de não ser mais necessário conectores e cabos mecânicos. Por exemplo, há economia de custos porque há menos peças, a montagem é simplificada (também economiza custos) e a confiabilidade é aprimorada pelo fato de não ter os elos ‘mecânicos’ formados usando conectores e cabos.

No entanto, esses benefícios têm um preço. O processo de design agora é mais complexo e, para todos os efeitos, estamos projetando dois PCBs ao mesmo tempo; pelo menos pela primeira vez, após o qual uma ou ambas as diretorias podem ser usadas em projetos subseqüentes.

Claramente, as conexões físicas – ou seja, onde os solavancos do módulo se conectam às pastilhas soldadas na placa principal – devem se alinhar com precisão e estar eletricamente corretas, ou seja, não deve haver incompatibilidade de sinal entre as placas.

Projetar as placas – novamente, pode haver duas ou mais – em um único ambiente tem vantagens consideráveis. A Força de Design CR-8000 da Zuken, por exemplo, suporta esse design simultâneo em uma única tela. No nível esquemático, os símbolos do conector são usados ​​para representar interfaces entre as placas. Esses conectores existem inicialmente como um componente temporário em cada placa e constroem a conectividade entre as duas.

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Fluxo Típico

Para fins de layout, seria melhor começar com a placa controladora. Tendo definido sua forma e tamanho, todos os componentes padrão seriam colocados. A maioria seria colocada no lado superior, mas, como mencionado, a incorporação (se apenas parcialmente) é uma opção. O Design Force cria automaticamente um componente temporário para colocação na parte inferior da placa controladora. Esse componente temporário existe inicialmente quando o ponto de conexão cruza como uma indicação das posições e padstacks (ou bola, se você preferir pensar em BGA).

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placa multi
O design de um sistema de placa múltipla é bastante simplificado quando os projetos existem em um único ambiente e o designer pode ver aproximadamente onde as conexões placa-a-placa devem ir.

Em relação à colocação de cada um dos blocos, os sinais ‘intenção’ devem ser um fator. Em outras palavras, para um sinal que deve se conectar à placa base, enquanto o roteamento do bloco de um componente superior para o bloco mais próximo na parte inferior pode ser prático para a placa controladora, pode não ser tão conveniente para a placa base receber o sinal desse local físico.

Em seguida, a placa base receberia uma forma e dimensões. Novamente, todos os componentes padrão seriam colocados. A placa controladora seria atribuída ao componente temporário do esquema da placa base e posteriormente colocada na posição pretendida.

design multi-board
Ao projetar sistemas com várias placas, qualquer placa destinada a ser montada em cima de outra existe como um componente temporário – tornando a colocação extremamente fácil.

Assim como na atribuição de sinais aos pads na placa controladora, as mesmas considerações se aplicam à placa base. A integridade do sinal deve ser mantida através, por exemplo, da correspondência de impedância para sinais de alta velocidade. Aqui, a beleza de trabalhar em uma única tela no Design Force é que a correspondência de impedância pode ser gerenciada por sinais que fazem a transição entre placas.

De fato, o Design Force possui várias verificações de regras de projeto (DRCs) que sinalizam uma infração, como não manter uma distância adequada de isolamento galvânico ao rotear sinais de alta corrente. Portanto, se o painel de uma placa for reatribuído, a execução de uma ‘atualização’ manterá as duas partes do design sincronizadas. Por exemplo, para reduzir a diafonia, às vezes é necessário alternar as metades + ve e -ve de um sinal LVDS. Se o sinal fizer a transição das placas, a inversão precisará ser feita em ambas.

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As atualizações elétricas não são as únicas que podem ser facilmente implementadas. Às vezes, será necessário mover um ou mais blocos em relação aos outros; e temos essa flexibilidade, pois a parte inferior da placa controladora e sua posição na placa base existem como componentes temporários. A grade BGA tradicional é um padrão inicial padrão.

Empilhados a seu favor

Os benefícios de projetar os PCBs – nos níveis esquemáticos de entrada e layout da placa – para um módulo de placa múltipla são consideráveis, e a prática está se tornando cada vez mais popular. Se você considera a placa superior como um ‘componente’ ou como parte da placa única (que possui requisitos de design diferentes e, portanto, regras) é acadêmica, e a continuidade elétrica e física (blocos) é garantida por toda parte.

Além disso, não importa se as tecnologias da placa variam consideravelmente. Por exemplo, se a placa de base de um módulo estiver próxima a uma fonte de calor – como um motor de combustão ou um inversor de potência – ela poderá ser prototipada em FR4, ser funcionalmente verificada na bancada e, em seguida, o projeto será girado novamente. cerâmica. A placa controladora seria então um componente resfriado a ar forçado nessa placa.


Para obter mais informações sobre o CR-8000 Design Force, clique aqui ou faça o download do artigo completo no link abaixo!

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