电气系统的PCB设计：组件放置策略和功能

一块印刷电路板（PCB）只能做很多事情。我们已经看到了微型化的进步，以及可以在单个芯片上压缩的晶体管数量的稳定增长。电气系统设计看起来比以往任何时候都更加复杂，并且似乎并没有变得更加容易。诸如EMI问题，散热限制以及电路复杂性整体上升等因素已使多板PCB设计成为工业上的必需品。

多板PCB系统是任何需要多个PCB协同工作的设计。从分区到板内连接，再到3D设计注意事项，以及降低EMI（电磁干扰）的技巧，让我们深入研究电气系统中的常见组件放置策略。

分区：PCB系统和子系统

PCB分区（不要与用于存储目的的硬盘驱动器的数字分区混淆）是关于基于功能对组件进行物理分组。每个功能子系统都可以看作是一组组件及其支持电路。

例如，您的典型主板可以进一步细分为许多功能单元，例如处理器时钟逻辑，总线控制器，总线接口，内存，视频/音频处理模块和外围设备（输入/输出）。

在多板PCB设计的背景下，分区后可以将组件重构到不同的板上。这样做可能有很多原因，其中包括：

l EMC（电磁兼容性）：通过诸如分离模拟电路和数字电路之类的最佳实践来减轻EMI的关注（我们将在本文后面深入探讨更多此类EMI降低技术）。

l 成本：对于需要更昂贵的多层板体系结构的功能电路，使用可以连接到主板的较小的板可能会更便宜。

l 模块化：在设计多个产品时，通过将模块化标准化单元整合到设计中，可以节省业务时间和金钱，并允许您根据需要向底板添加功能（例如Arduino芯片组中的防护罩）。

l 3D空间：仅仅因为您可以将所有电路安装到单个标准的10“ x 16” PCB（大约是披萨盒的大小）上，并不意味着这对于设备外壳的物理尺寸和形状是可行的。

在解决特定问题时，电气系统设计涉及很多技巧和创造力，这些特定问题迫使具有自己的电压和电流属性的整个组件组合为一个功能正常的设计。

 

电气系统设计和板内连接

确定电气系统的连接器不仅仅是确定哪种方法最适合您的可用生产预算。连接器是多面的，在某些特定的设计情况下，当您处理特定的电源需求时，连接器可能成败。

板内连接器是多板PCB设计的基石。快速浏览一下不同类型的板内连接：

l 板对板：公/母，针脚/插座接头是最常见的板对板连接器类型。它们往往成本低廉，并且不适用于高速电路。但是，您可以使用更多的引脚数和多个引脚来处理更大的电流消耗。一个好的经验法则是要牢记制造商的每个引脚的额定电流处理能力。

l 卡边缘连接器：可以将从一块板的边缘引出的迹线插入另一块板上的匹配插槽中，以使两块板彼此垂直。卡边缘连接器通常用作母板，背板或转接卡上的扩展插槽，而PCI-e（外围组件互连Express）插槽则用于为计算机增加更多RAM。直接与板上走线接触的耐腐蚀金触点使其非常适合高速数字信号电路。

l 板对线束：在许多情况下，可能需要将电缆和电线连接到板上。服务器房间特有的FFC（柔性薄膜电缆），FPC（柔性印刷电缆）和带状连接器就是最好的例子。

l 直接焊接：城堡形通孔允许您创建可以轻松焊接在一起的PCB模块。这些对于将小型无线模块连接到较大的板上特别受欢迎。只要确保遵循高焊接标准，例如IPC-A-610或J-STD-001。

无论您的设计需要创建彼此堆叠的PCB塔，还是将板滑入机架或背板，确保您能够在组成产品的不同板之间建立牢固的连接都非常重要。

降低高速电路中的EMI

EMC / EMI问题是多板PCB设计背后的主要驱动力之一。产生EMI所需要的只是能量和天线。对高性能电子产品的需求意味着高速信号电路将在未来几年变得越来越普遍。

 

多板设计为您提供了更多空间来适应EMI / EMC最佳实践。诸如将模拟信号和数字信号分开，避免在狭窄的板上形成直角走线之类的事情，以及根据需要经济高效地使用多层板。同时，多板设计也带来了新的问题，要求您将分析范围从单板扩展到板与整个系统之间的连接。

结合3D设计考虑因素

多板设计就像是昂贵的3D拼图。组成系统的每个板都必须装入物理外壳或机箱中。没有什么比起草“完美的” CAD工程图，购买所有的电路板，零件和连接器更糟糕的了，只是发现在组装当天您并没有正确获得所有3D间隙。更糟糕的是，没有为适当的通风留出足够的空间，会使您的产品受热相关的性能下降。而且，我们甚至还没有完全了解EMI的物理现实。

幸运的是，我们现在生活在一个存在软件的时代，该软件可以帮助设计人员跟踪所有这些“令人困惑的部分”。设计人员现在可以采用整体方法进行多板PCB设计，对所有板，连接器，电缆，插座和其他结构进行信号完整性分析。