借助Altium实现多板设计的卓越电气性能

博客作者：David Marrakchi

现代电子系统日益依赖多板设计来实现紧凑的外形、模块化以及可维护性。然而，将功能分布到多个PCB上带来了新的复杂性。电源完整性、信号质量、电磁兼容性和机械对准都必须在系统级进行验证，而不仅仅是在单个板卡上。

Altium通过一个统一的设计环境来应对这些挑战，该环境集成了仿真、多板项目管理、3D机械建模和实时合规性追踪。借助合适的工具和最佳实践，工程团队可以充满信心地创建稳健、高性能的多板系统。

真正的多板系统设计，而非仅仅是"多个板卡"

多板系统不仅仅是单个PCB的集合。它们是具有共享电气、逻辑和机械接口的相互依赖的子系统。每个板卡必须作为 cohesive 整体的一部分与其他板卡协调一致。Altium通过原生的多板项目管理（*.PrjMbd）实现这种集成，允许多个PCB项目在单一环境中进行逻辑和物理链接。

设计人员可以定义和同步跨板互连，使用完整的3D装配体验证机械配合，并及早发现错位问题。例如，在一个主板通过板对板连接器连接到电源板和UI模块的设计中，Altium的多板编辑器可确保连接器在原理图和机械视图中都正确对齐，从而消除布局后的意外。

用于早期风险规避的内置工具

Altium集成了具有布局感知能力的验证工具，使工程师能够在系统设计过程的早期发现关键问题，尤其是在电源输送、信号完整性和板对板连接性等领域。

它通过以下方式支持主动决策：

层叠设计和阻抗计算器：指导创建针对受控阻抗布线优化的层叠和走线几何结构。

实时DRC和ERC检查：确保走线宽度、间距、网络分配和差分对间距符合设计规则，尤其是在连接器接口处。

原生3D碰撞检查：确保连接器对齐，避免外壳碰撞或在紧凑的机械装配体中间距不足。

这些功能共同帮助工程师规避可能导致昂贵重新设计或系统故障的布局和集成风险。

电源分配与连接器完整性

在多板系统中，电源分配通常分布在连接器和狭窄的布线通道上，每一处都是潜在的故障点。长走线上的IR压降、过小的电源平面或不足的回流路径都可能导致电压不稳定甚至设备故障。

Altium提供了在系统级仿真和验证电源输送网络的工具。例如，当一个PCB上的开关稳压器向另一个板卡供电时，仿真可以显示哪里走线宽度或连接器容量不足，或者哪里地回流电流可能引入噪声。设计人员随后可以在布局最终确定之前，加强电源路径、重新分配引脚用途或在负载附近添加去耦电容。

这种分析在工业控制器或嵌入式平台等系统中至关重要，因为电源通过一个板卡引入，但必须穿过多个模块才能到达分布式元件。

多板系统中高速信号处理方面的优势：

SI Analyzer by Keysight

多板设计带来了灵活性，但也带来了风险，尤其是在高速信号在板间传输时。SI Analyzer by Keysight直接集成到Altium中，为您提供一种快速、直观的方法，在关键网络离开板卡之前对其进行验证。

该工具针对多板装配体内的板级分析进行了优化，能在您需要的地方提供您所需的信号完整性洞察：

检查关键网络上的阻抗、延迟、插入损耗和回波损耗。

在异步电路中的时序问题通过连接器传播之前发现它们。

使用热图找出与目标阻抗Z₀的偏差。

生成清晰、可追溯的报告，为您的布局决策提供支持。

当信号质量在互连板卡间至关重要时，信号分析器可帮助您及早发现问题，而无需中断工作流程或使用专门工具。它为复杂、性能关键的系统提供实时的清晰度。

减少多板系统中的连接错误

多板系统中最常见且代价高昂的问题之一是连接器错接或跨板网络不匹配。Altium通过以下方式帮助及早发现这些问题：

连接管理器：比较板卡之间的引脚到引脚分配，并在原理图捕获期间突出显示不匹配。

3D机械对准工具：确保连接器在板卡间正确对齐，并为对接和外壳安装提供足够的间隙。

No ERC指令和可定制规则：允许设计人员抑制非关键警告，同时不会忽略真正的连接错误。

通过保持跨板卡原理图到布局的一致性，并在系统级强制执行网络连续性，Altium有助于减少那些可能直到系统上电时才被发现的隐性故障。

协作与生命周期支持

多板设计需要ECAD和MCAD学科之间的紧密协调。板卡不仅需要电气功能正常，还必须精确地安装在外壳内，在安装点正确对齐，并适应热或机械约束。Altium的原生3D环境支持实时MCAD协作，并提供对SolidWorks和Fusion 360等工具的导出/导入支持。

工程师可以使用共享模型共同验证连接器配合、板间距、安装孔对齐和外壳间隙。例如，在机箱内垂直堆叠PCB时，Altium允许机械和电气团队实时确认连接器的对接高度和公差。

Altium将这种集成扩展到供应链和合规性追踪。它监控组件状态、可用性、RoHS/REACH合规性以及生命周期指标，有助于防止在采购或认证过程中出现意外。例如，如果一个板卡上的组件停产，设计人员会及早收到通知，以免影响系统的其余部分。

实现多板卓越性能的最佳实践

为确保多板系统达到最佳的电气和机械性能：

尽早定义完整的系统架构，使用Altium的多板项目框架来管理逻辑和物理关系。

在整个设计过程中使用仿真工具，在布局前验证电源、信号和EMI性能。

在所有PCB上保持一致的网络命名和连接器引脚分配，以防止不匹配。

使用Altium的3D多板建模工具验证机械配合和连接器对准。

从布局之初就设计EMI抑制措施，确保紧凑的回流路径、阻抗控制和适当的平面连续性。

监控元件状态、合规性和采购风险，以确保可制造性和法规符合性。

结论

多板系统设计本身很复杂，但借助合适的工具和流程，工程师可以降低风险、简化开发并交付高度可靠的系统。Altium通过一个涵盖仿真、设计、验证、机械集成和供应链感知的统一平台来实现这一目标。通过从一开始就采用系统级方法，团队即使在要求最苛刻的应用中也能实现卓越的电气性能并加速创新。

关于Altium

Altium有限公司隶属于瑞萨集团，总部位于美国加利福尼亚州圣迭戈，是一家致力于加速电子创新的全球软件公司。Altium提供数字解决方案，以最大限度提高电子设计的生产力，连接整个设计过程中的所有利益相关者，提供对元器件资源和信息的无缝访问，并管理整个电子产品生命周期。Altium生态系统加速了各行业及各规模企业的电子产品实现进程。