Kompletter Leitfaden zur Auswahl von Board-zu-Board-Steckverbindern

Jeder, der schon einmal in einen alten Desktop-Computer geschaut und ein Flachbandkabel abgezogen hat, kennt den bescheidenen Stiftleistenverbinder. Dieser Verbinder ist eine einfache, aber effektive Möglichkeit, zwei Platinen in einer gestapelten Anordnung miteinander zu verbinden. Tatsächlich ist er so beliebt, dass er verwendet wurde, um Erweiterungs-Shield-Platinen für beliebte Plattformen wie Arduino und Raspberry Pi zu bauen, die beide auch außerhalb des Maker-Bereichs Erfolg hatten. Bei einer kürzlichen Zusammenarbeit mit einem Kunden war ich überrascht zu sehen, wie sie mehrere Raspberry Pi-Platinen gestapelt hatten, um einige kritische Geräte zu betreiben, was die Bedeutung von Board-zu-Board-Verbindern in diesen Arten von modularen Systemen zeigt.

Auch wenn Stiftleisten einfach sind, bedeutet das nicht, dass sie nicht nützlich sind. Sie sind jedoch nicht die einzige Option, und es gibt viele Board-zu-Board-Verbinderoptionen für Systeme mit hoher Geschwindigkeit/hoher Frequenz oder für Systeme mit hoher Spannung/hoher Leistung. Diese Verbinder finden ihren Weg in Systeme, die so vielfältig sind wie militärische Ausrüstung bis hin zu medizinischen Geräten. Wenn Sie bei Ihrer nächsten Hardwareplattform einen modularen Designansatz verfolgen und mehrere Platinen einfach miteinander verbinden müssen, sollten Sie statt Kabeln Board-zu-Board-Verbinder in Betracht ziehen. Es gibt viele kosteneffektive Optionen auf dem Markt, die Signalintegrität und robustes Design in einer Reihe von Systemen gewährleisten können.

Die vielen Arten von Board-zu-Board-Verbindern

Board-zu-Board-Verbinder gibt es in einer Vielzahl von Formen und Größen, um einem Multi-Board-PCB-System ein modulares Gefühl zu geben. Es gibt viele Arten von gängigen Board-Verbindern, und verschiedene Anbieter haben ihre eigenen Produktlinien, die im Allgemeinen in eine der unten aufgeführten Kategorien fallen:

• Stiftleisten: Die meisten Designer kennen die 1-reihige oder 2-reihige Stiftleistenanordnung mit 1 mm Rastermaß. Es gibt Variationen dieses Stils, einschließlich gestapelter Stiftleisten. Stiftleisten können umhüllt und kodiert (sogar mehrfach kodiert) sein, um zu garantieren, dass die Pinbelegungen übereinstimmen, wenn Platinen verbunden werden. 

• Mezzanine-Verbinder: Diese Art von Board-zu-Board-Verbinder verbindet zwei parallele Leiterplatten in einer gestapelten Konfiguration. Es gibt viele Mezzanine-Verbinderstile. Beachten Sie, dass eine Stiftleiste als Mezzanine-Verbinder verwendet werden kann. 

• Edge-Card-Verbinder: Dieser Stilverbinder ist am bekanntesten für seine Verwendung in RAM-Sticks und COMs/SoMs. Tatsächlich kann er für jede Board-zu-Board-Verbindung entlang einer Platinenkante verwendet werden, sei es mit einem benutzerdefinierten oder standardisierten Pinout. 

• Backplane-Verbinder: Diese Art von Verbinder verdient seine eigene Kategorie, sowohl wegen der Notwendigkeit, hohe Datenraten zu unterstützen, als auch wegen der sehr robusten Konstruktion.

• Standardisierte Verbinder: Einige Verbinder können entwickelt werden, um sehr spezifische Industriestandards zu erfüllen, die über Edge-Connector-Stile für Erweiterungskarten hinausgehen. Normungsorganisationen, die spezifische Verbinderstile definiert haben, umfassen VITA (für Backplanes), PCI-SIG (PCIe-Karten), IEEE (z. B. der 1386-Standard für Mezzanine), JTAG, PC/104 (quadratische Stiftleisten) und andere. 

Es gibt viele andere Verbinder, die nicht in eine der oben genannten Kategorien fallen. Das Bild unten zeigt ein Beispiel für einige typische Produkte, die in diese Kategorien fallen.

Das obige Bild zeigt nur eine Teilmenge aller verschiedenen auf dem Markt verfügbaren Board-to-Board-Steckverbinder. Offensichtlich gibt es viele Variationen dieser Steckverbinder mit unterschiedlichen Pin-/Pad-Anzahlen, Schlüssel-/Schutzstilen, Montagearten (SMD vs. Durchsteckmontage) und Spezifikationen. Wenn Sie auf der Website eines Anbieters suchen oder durch eine Teilesuchmaschine filtern, gibt es einige verschiedene Wege, wie Anbieter ihre Teile kategorisieren.

Elektrische Anwendung

Innerhalb dieser verschiedenen Typen von Board-to-Board-Steckverbindern können sie als robust, hochgeschwindig, hochfrequent, hochstrom-/hochleistungsfähig oder mit einer anderen Bezeichnung klassifiziert werden. Dies ist größtenteils Marketing-Sprache, da es keine universelle Definition eines Hochgeschwindigkeitssteckverbinders, Hochleistungssteckverbinders usw. gibt. Eine wichtige Ausnahme sind Backplane-Steckverbinder, die in den ANSI/VITA-Standards streng definiert sind, wo spezifische Stile mit verschiedenen Medien (Kupfer, Glasfaser oder Koaxialkabel) gepaart sind. Ein weiterer hochstandardisierter Steckverbinderstil ist der IEEE 1386 Mezzanin-Steckverbinder.

Robuste Anwendung

Wie bei vielen anderen Komponenten auch, zielen Anbieter mit ihren Produkten auf spezifische Branchen ab und versuchen, spezifische Anwendungen in diesen Branchen anzusprechen. Als Ergebnis sehen Sie Stile von Board-to-Board-Steckverbindern, die möglicherweise hochgradig robust sind mit hartem Kunststoffschutz, da sie Bereiche wie Automobil, Luft- und Raumfahrt, Industriesysteme oder Energieprodukte anvisieren. Im Allgemeinen können Sie normalerweise eine robuste Version eines Standardsteckverbinders finden, der dieselbe Pinbelegung, Montageart und Teilung wie seine weniger robuste Variante hat.

Auswahl von Board-to-Board-Steckverbindern

Nun können wir uns einige der Punkte ansehen, die bei der Auswahl von Board-to-Board-Steckverbindern berücksichtigt werden sollten. Zuerst schauen wir uns einige Spezifikationen an, dann können wir über die Vorteile verschiedener Steckverbinderstile nachdenken.

Spezifikationen von Board-to-Board-Steckverbindern

Board-to-Board-Steckverbinder haben einige elektrische Spezifikationen, die über den Steckverbinderstil hinaus berücksichtigt werden sollten:

• Raster und Pin-Anzahl: Sofern Sie nicht für eine spezifische Anwendung entwerfen oder hohe Geschwindigkeit/Hochfrequenz oder hohe Stromstärken benötigen, werden Sie wahrscheinlich mit der Betrachtung des benötigten Rasters/Pin-Anzahl bei dem Steckverbinder beginnen. Bei geringer Leistung und niedriger Signalgeschwindigkeit können nahezu alle Steckverbinder Ihre Leistungsanforderungen erfüllen und dabei die Signalintegrität gewährleisten.

• Leistungshandhabung: Dies wird normalerweise als Strom bei einer spezifischen Spannung pro Pin angegeben. Die meisten Steckverbinder können einige Ampere bei typischen Anwendungsspannungen handhaben. Stellen Sie sicher, dass Sie auch die Spannung überprüfen, da es üblich ist, sowohl Strom als auch Daten über ein Kabel zu liefern; Sie möchten sicherstellen, dass Ihre Leistung die Spannungsbewertung nicht überschreitet.

• Regelwerke: Industriestandards für Steckverbinder können die Bauform (einige Beispiele wurden oben besprochen) oder sie können Prüf- und Anwendungsspezifikationen abdecken. Stellen Sie sicher, dass Sie diese überprüfen, um sicherzustellen, dass Ihr Steckverbinderstil konform sein wird.

• Umweltbewertungen: Spezifikationen beinhalten Leistungsvariationen mit Feuchtigkeitszyklen, Exposition gegenüber Gasen und Tests bei hoher Temperatur. Dies gibt Ihnen eine gute Vorstellung davon, wo der Steckverbinder verwendet werden kann, um Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

• Datenrate/Frequenzgrenze: Für Hochgeschwindigkeits-Datenkanäle sehen Sie eine empfohlene Datenrategrenze, die der Anbieter durch umfangreiche Tests bestimmen wird. Datenrategrenzen sind nur eine Empfehlung, und es könnte möglich sein, diese in Ihrem System zu überschreiten. Stellen Sie sicher, dass Sie Ihr System gründlich testen, wenn Sie planen, eine Datenrate/Frequenzspezifikation zu überschreiten.

• Mechanische Spezifikationen: Hochwertige Datenblätter für Board-to-Board-Steckverbinder können einige Daten zu mechanischem Schock, Vibration, Zugkraft oder anderen Spezifikationen enthalten, die einem Entwickler helfen, die Robustheit zu verstehen. Beachten Sie, dass diese als Testergebnisse aufgeführt sein können, die dazu bestimmt sind, einem Industriestandard zu entsprechen.

• Bauform: Einige Board-to-Board-Steckverbinder (wie Edge-Steckverbinder) können ziemlich sperrig sein. Andere Steckverbinder sind speziell so konzipiert, dass sie ein niedriges Profil haben, wie die BM20-Serie von flachen Mezzanin-Steckverbindern von Hirose. Achten Sie auf die Bauform und die Gehäuseanforderungen in Ihrem System.

Die verschiedenen im vorherigen Abschnitt gezeigten Stile könnten ein einschränkender Faktor sein, da Sie möglicherweise mit einem bestehenden System interagieren müssen und daher nicht die Freiheit haben, jeden Steckverbinder zu wählen. In vielen Fällen beginnt die Überlegung mit einer elektrischen oder mechanischen Einschränkung, gefolgt von der Auswahl der Bauform oder des Steckverbinderstils, den Sie benötigen, um Ihre Profil-/Gehäuseanforderungen zu erfüllen.

Wenn Sie die Freiheit haben, Ihren Steckverbinderstil und die Bauform zu wählen, gibt es einige Vorteile für jeden Typ von Steckverbinder, die berücksichtigt werden sollten.

Vorteile einiger Board-to-Board-Steckverbinderstile

Mit so vielen Stilen von Board-to-Board-Steckverbindern auf dem Markt ist es unmöglich, einen vollständigen Vergleich zwischen jedem Typ von Steckverbinder zu bieten. Es gibt jedoch einige grundlegende Punkte, die man über verschiedene Steckverbinderstile verstehen sollte, die ihre Vorteile oder Nachteile in verschiedenen Systemen aufzeigen.

Randsteckverbinder

Randsteckverbinder nutzen gleitende Kontakte, um eine elektrische Verbindung herzustellen, und diese können sich nach wiederholtem Verbinden abnutzen. Die Abnutzung kann auf der Karten- oder der Aufnahmeseite auftreten. Wenn die Platine wiederholt verbunden und entfernt werden muss, könnten alternative Stile eine bessere Wahl sein, da viele davon eine längere Kontaktlebensdauer haben.

Vollständig umschlossene oder koaxiale Bauform

Einige Steckverbinder haben eine koaxiale Bauform, die eine hohe Leistungsübertragung ermöglicht, Abschirmung bietet und Vorteile für RF-Systeme hat (siehe unten). Vollständig umschlossene Steckverbinder sind ideal für Anwendungen mit höherer Leistung und haben viel höhere Strombewertungen, ohne auf der Platine übermäßig groß zu sein. Dies ist eine bessere Option als ein Stiftleistenstecker, der möglicherweise nur eine Strombewertung von 1 A hat und keine nützlichen Hochgeschwindigkeits-/RF-Daten.

Niedrigprofilige horizontale Steckverbinder-Bauformen

Die Ausrichtung Ihres Steckverbinders kann parallele Platinen ermöglichen, aber die Platine könnte möglicherweise horizontal statt vertikal entfernt werden. Zum Beispiel erfordert der oben gezeigte Hirose-Steckverbinder eine vertikale Entfernung, aber es gibt Randsteckverbinder und Mezzanin-Steckverbinder, die eine horizontale Einsetzung/Entfernung ermöglichen und dabei ein sehr niedriges Profil beibehalten. Dies kann in Anwendungen mit niedrigem Profil, in denen eine Zusatzkarte zugegriffen werden muss, von unschätzbarem Wert sein.

Stiftleistenblöcke

Wenn Sie sich keine Sorgen um hohe Ströme, hohe Isolation oder hochpräzise Signalintegrität machen, sind stapelbare Stiftleisten eine großartige Möglichkeit, Ihrem System mehrere Ebenen der Modularität hinzuzufügen. Stiftleistenblöcke können so ausgewählt werden, dass sie stapelbar sind, was das Platzieren mehrerer Karten auf einem Bus ermöglicht oder die Stromversorgung mehrerer Platinen parallel ermöglicht. Wenn Sie bei jedem Modul Datenzugriff benötigen, stellen Sie sicher, dass die Pinbelegungen im gesamten Stiftleistenstapel übereinstimmen.

Was ist mit hoher Geschwindigkeit und hoher Frequenz?

Bei hohen Geschwindigkeiten/hohen Frequenzen, die Gbps/GHz-Niveaus erreichen, wird die Signalintegrität zu einem wichtigen Punkt, den man bei der Auswahl von Platinen-zu-Platinen-Steckverbindern berücksichtigen sollte. Suchen Sie in Datenblättern oder auf den Support-Seiten Ihres Herstellers nach einigen der folgenden Kennzahlen:

• Impedanz: HF-Steckverbinder mit koaxialer Topologie haben eine spezifizierte Impedanz, da sie mit einer spezifischen Systemimpedanz verbunden werden müssen. Die Impedanzspezifikation ist bis zur angegebenen Bandbreite gültig, die eine -3 dB Frequenz sein könnte.

• S-Parameter-Daten: Wenn Sie irgendeine Art von Simulation mit Ihren Steckverbindern durchführen möchten, benötigen Sie S-Parameter-Daten. Dies ist besonders wichtig bei Technologien wie PAM4, SerDes-Kanälen oder neueren Hochgeschwindigkeits-Signalstandards (PCIe, GDDR6 usw.), da diese Simulationen ein wichtiger Teil der Systemvalidierung sind.

• Pin-zu-Pin-Isolation: HF-Platine-zu-Platine-Steckverbinder können vollständig abgeschirmte Pins haben, was bei anderen Steckverbinderarten nicht immer der Fall ist. Diese Steckverbinder haben eine hohe Isolation und eine geringe Pinanzahl. Sie neigen auch dazu, sperriger zu sein. Einige dieser Platine-zu-Platine-Steckverbinder haben verfügbare Kabelsteckervarianten.

Wenn Sie aus mehreren Anbietern filtern und spezifische Arten von Platine-zu-Platine-Steckverbindern finden müssen, verwenden Sie die erweiterten Such- und Filterfunktionen in Octopart. Die Elektronik-Suchmaschinenfunktionen in Octopart können Ihnen helfen, Steckverbinder nach Branche, technischen Spezifikationen, Signalstandard und vielen anderen Filtern auszuwählen, die Ihren Anforderungen entsprechen. Sie können auch auf Daten zu Distributorenpreisen, Teilebestand, Teilespezifikationen und CAD-Daten zugreifen, und das alles ist frei zugänglich in einer benutzerfreundlichen Schnittstelle. Werfen Sie einen Blick auf unsere Steckverbinderseite, um die Komponenten zu finden, die Sie benötigen.

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