3D PCB 設(shè)計中組件分區(qū)、板間互連與 EMI 挑戰(zhàn)

單塊 PCB 能夠?qū)崿F(xiàn)的功能太多了：尺寸微型化以及單個芯片上能容納的晶體管數(shù)量不斷增加，這些趨勢都在挑戰(zhàn)物理極限。這種挑戰(zhàn)還延伸到了系統(tǒng)層面：電子系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性有增無減，因此多板 PCB 設(shè)計變得越來越有必要。

支持多板 PCB 系統(tǒng)設(shè)計需要克服一系列挑戰(zhàn)，尤其是 3D 空間中的器件組裝，因為維度不再由平面內(nèi)的輪廓和擠壓出的 z 軸所約束。分區(qū)、電路板內(nèi)的連接，以及 EMI 問題都在 3D PCB 設(shè)計中發(fā)揮重要作用。

單板或多板系統(tǒng)的 3D PCB 設(shè)計通過檢查散熱和機械約束來減少修改時間

2D 與 3D 電路板設(shè)計挑戰(zhàn)：

01

3D PCB 設(shè)計的組件分區(qū)

從物理角度，分區(qū)是指將器件按照功能和附近的電路（根據(jù)原理圖）進行分組。可以將器件及其支持的電路看作一個功能子系統(tǒng)。例如，一塊主板可以進一步劃分為幾個功能單元，如處理器時鐘邏輯、總線控制器、總線接口、存儲器、視頻/音頻處理模塊，以及外圍設(shè)備 (I/O)。

點擊下方視頻，觀看 RF 分區(qū)在設(shè)計中的應(yīng)用：

*本視頻可能錄制于產(chǎn)品用戶界面更新之前，也可能基于更早版本錄制；視頻中的概念和工作流程仍適用于產(chǎn)品當(dāng)前最新版本。

在多板 PCB 設(shè)計中，分區(qū)完成之后，可以將器件組擺放在不同的電路板上。有選擇性地擺放器件好處多多：

EMC（電磁兼容性）- 通過最佳實踐減少 EMI 問題，如分離模擬電路和數(shù)字電路、將高速信號和上升時間信號與周圍線路隔離、利用包地和增加縫合孔的方案。

成本 - 對于需要采用更昂貴的多層電路板架構(gòu)的功能電路，使用小型電路板與主電路板有助于降低成本。

模塊化 - 設(shè)計多種產(chǎn)品有助于節(jié)省時間和金錢，將模塊化的標(biāo)準(zhǔn)化單元整合到系統(tǒng)中，根據(jù)需要為基本電路板增加功能（如 Arduino 芯片組中的屏蔽層）。

外殼要求 - 考慮到設(shè)備外殼的物理尺寸和形狀，將所有電路擺放在單塊電路板上有時是不切實際的。

3D PCB 設(shè)計需要工程師發(fā)揮創(chuàng)造力，巧妙地將電壓和電流要求各不相同的多個器件整合到一個功能設(shè)計之中。

管理系統(tǒng)設(shè)計可以從確定電路板分區(qū)開始。

02

電氣系統(tǒng)設(shè)計和電路板內(nèi)部連接

為電氣系統(tǒng)選擇連接器，不僅僅是根據(jù)生產(chǎn)預(yù)算選擇最佳連接器。連接器具有多個方面，在某些設(shè)計方案中，為了滿足特定的電源需求，連接器可以決定設(shè)計成敗。電路板內(nèi)部的連接器是多板 PCB 設(shè)計的基石。讓我們簡要了解一下不同的板內(nèi)連接器：

電路板到電路板 - 公/母和引腳/插座接頭是目前最常見的板對板連接器類型。此類連接器價格低廉，并不是高速電路的理想之選。但是，可以通過增加引腳數(shù)量和使用多個引腳來處理更大的電流。一條經(jīng)驗法則是：留意制造商每個引腳的額定電流處理能力。

卡邊緣連接器 - 一塊電路板邊緣處的走線可插入另一塊電路板上的匹配插座，使兩塊電路板相互垂直。卡邊緣連接器通常用作主板、背板或 riser 卡上的擴展插槽；PCI-e（外圍組件快速互連）插槽就是一個很好的例子，它可以為電腦增加更多內(nèi)存。耐腐蝕的金觸點可直接接觸電路板上的走線，是高速數(shù)字信號電路的理想選擇。

電路板到線束 - 在許多情況下，可能需要將電纜和電線連接到電路板上。服務(wù)器機房特有的 FFC（柔性薄膜電纜）、FPC（柔性印刷電纜）和帶狀連接器就是其中的典型示例。

直接焊接 - “城堡”形過孔可用于創(chuàng)建易于焊接在一起的 PCB 模塊。這種方法尤其適用于將小型無線模塊連接到較大的電路板上。只需確保遵循高焊接標(biāo)準(zhǔn)，如 IPC-A-610 或 J-STD-001。

柔性電路 - 柔性電路可增加成本和制造復(fù)雜性，同時兼具元件組件和線束的優(yōu)點。柔性電路的延展性意味著它們可以更有效地填充外殼內(nèi)狹小受限的三維空間。

無論是設(shè)計需要垂直堆疊 PCB，還是需要將電路板滑入機架或背板，都必須保持電路板之間的連接，這種連接既不能受鄰近線路信號質(zhì)量的影響，也不能對鄰近線路的信號質(zhì)量產(chǎn)生影響。

03

降低高速電路中的電磁干擾

EMC/EMI 問題是多板 PCB 設(shè)計的主要驅(qū)動因素之一。只要存在電量和天線，就會產(chǎn)生電磁干擾 (EMI)。隨著消費者對網(wǎng)絡(luò)速度和帶寬的要求不斷提高，制造商需要不斷提高電子產(chǎn)品的性能，這意味著高速信號電路將變得越來越普遍。

設(shè)備中有如此多的器件同時運行，必然會在多板系統(tǒng)中引發(fā) EMI 問題。

多板設(shè)計為適應(yīng) EMI/EMC 最佳實踐提供了更多空間：將模擬信號和數(shù)字信號分開，避免在狹窄的電路板上出現(xiàn)直角走線，以及根據(jù)需要使用多層電路板，提高經(jīng)濟效益。同時，多板設(shè)計也帶來了新的問題，需要將分析范圍從單板擴展到電路板之間的連接和整個系統(tǒng)。

04

3D PCB 設(shè)計注意事項

多板設(shè)計就像一個昂貴的 3D 拼圖。組成系統(tǒng)的每塊電路板都必須安裝在一個物理外殼或機箱中。最糟糕的情況莫過于：繪制了“完美”的 CAD 圖紙，采購了所有材料、零件和連接器，卻在組裝當(dāng)天發(fā)現(xiàn) 3D 間隙不正確。更糟糕的是：沒有為適當(dāng)通風(fēng)留出足夠的空間，導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)與熱有關(guān)的性能問題和老化問題。

幸運的是，設(shè)計人員可以借助專業(yè)的軟件工具跟蹤這些拼圖，采用整體性的方法進行多板 PCB 設(shè)計，對所有電路板、連接器、電纜、插座和其他結(jié)構(gòu)進行信號完整性分析。

Cadence Allegro PCB 設(shè)計工具（如 3D Step Viewer）支持復(fù)雜的子組件，即使在單板產(chǎn)品上也能確認(rèn)外殼間隙，layout 團隊可以縮短最具挑戰(zhàn)性的 3D PCB 設(shè)計的周轉(zhuǎn)時間。