So gestalten Sie ein Stecker-Pinout für Ihre Leiterplatte

Der oben gezeigte DVI-Anschluss hat eine sehr spezifische Pinbelegung, die implementiert werden muss, wenn Sie diese Schnittstelle auf Ihrer Leiterplatte verwenden möchten. Das Gleiche gilt für jeden anderen Anschluss, der verwendet wird, um Strom, Masse und Signale über eine standardisierte Schnittstelle bereitzustellen. Ethernet, USB, HDMI und viele andere Protokolle haben eine spezifische Pinbelegung, die verwendet werden sollte, um die Interoperabilität zwischen verschiedenen Geräten zu gewährleisten.

Obwohl Pinbelegungen für gängige Protokolle standardisiert sind, gibt es Zeiten, in denen Sie viel Freiheit haben, eine benutzerdefinierte Pinbelegung zu entwerfen. Angenommen, Sie entwerfen eine Verbindung von Platine zu Platine oder eine benutzerdefinierte Schnittstelle zu einer anderen Platine; Sie haben die Freiheit, die Verbindung nach Belieben zu gestalten. Wie sollten Sie dies also genau tun und worauf sollten Sie bei einem Steckverbinder-Pinout-Design achten? Wir werden in diesem Artikel einige der wichtigen Designpunkte rund um Steckverbinder durchgehen.

Beginnen Sie mit Ihrem Steckverbinder-Pinout-Design

Es gibt mehrere wichtige Punkte, die Sie bei Ihrem Steckverbinder-Pinout-Design berücksichtigen sollten, wie zum Beispiel:

• Wie lang ist die Verbindung, die Sie herstellen müssen? Handelt es sich um eine kurze Verbindung von Platine zu Platine oder übertragen Sie Signale über ein langes Kabel?
• Mit welchen Frequenzen arbeiten Sie (für analoge Signale) oder wie ist die Anstiegszeit des Signals (für digitale Signale)?
• Verlegen Sie differentielle Paare oder Single-Ended-Signale?
• Müssen Sie ein spezifisches Impedanzziel erreichen, oder ist die Verbindung kurz genug, dass die Impedanz keine Rolle spielt?

Interessanterweise ist das Verlegen über einen Steckverbinder nicht viel anders als das Verlegen über eine Leiterplatte. Sie können die gleichen Probleme mit der Signalintegrität, Impedanzanpassungsprobleme und Signalverlustprobleme haben, wie Sie sie bei einer Hochgeschwindigkeits-Leiterplatte sehen könnten.

Wenn Sie noch nie ein Pinout entworfen haben oder sich fragen, warum Ihr Lieblingsentwicklungsboard ein bestimmtes Pinout verwendet hat, hilft es, einige spezifische Fälle zu betrachten. Fürs Erste werde ich mir ansehen, was bei verschiedenen Frequenzen und Signaltypen passiert, und wir können einige gute Designpraktiken für ein Steckverbinder-Pinout bestimmen.

DC-Verbindungen

Wenn Sie lediglich Gleichstrom zwischen zwei Platinen oder über ein Kabel leiten, ist die Hauptüberlegung der gesamte Strom, den Sie übertragen müssen. Stiftleisten und ähnliche Steckverbinder für leichte Belastungen können einen kleinen maximalen Strom pro Pin aufnehmen (~1 A ist typisch). Wenn Sie mehr Strom für eine gegebene Spannung übertragen müssen, dann muss diese Spannung über mehrere Pins verteilt werden. Eine andere Möglichkeit ist, mehrere Spannungen über einen einzigen Steckverbinder zu leiten, was dem Ansatz entspricht, der bei Desktop-Computer-Netzteilen verwendet wird.

Steckerbelegungen für Gleichstromsysteme sollten ein Erdungssignal entlang der Verbindung tragen. Achten Sie auf dieses Erdungssignal, da es die Referenzebene auf der Platine ist und einen Rückstrom tragen muss, sodass Sie die Verkabelung und die Anzahl der Drähte entsprechend dimensionieren sollten. Es wird empfohlen, dass Sie nicht versuchen, eine GND-Verbindung zu nutzen, um zwei verschiedene Erdungen auf zwei verschiedenen Platinen zu überbrücken, insbesondere wenn sie an unterschiedlichen Netzstromkreisen angeschlossen sind und über eine gewisse Entfernung voneinander getrennt sind. Sie riskieren einen Kurzschluss zwischen zwei Punkten zu erzeugen, der so viel Strom führt, dass das Kabel schmilzt. Dies tritt aufgrund des natürlichen Gleichstrom-Erdpotenzialunterschieds zwischen verschiedenen Punkten in einem elektrischen Netz auf.

Niedrige Frequenz/Niedrige Geschwindigkeit

Hoffentlich haben Sie bis jetzt erkannt, dass niedrige Frequenz und niedrige Geschwindigkeit alles relativ ist: Was zählt, ist die Länge der Verbindung und ob eine Impedanz erforderlich ist. Für einen niedriggeschwindigen digitalen Bus, etwa im Bereich von 5-10 ns, müssen Sie sich möglicherweise keine Gedanken über Dinge wie Übersprechen oder Reflexionen machen, solange die Verbindung kurz genug ist und Sie mindestens eine GND-Leitung im Stecker-Pinout einbeziehen. Stellen Sie sicher, dass Sie, wenn Sie Strom in das Stecker-Pinout einleiten, die gleichen Regeln wie für Gleichstromstecker befolgen.

Bei Steckverbindern oder anderen Anschlüssen mit einer hohen Anzahl an Pins oder einer langen Pinreihe können einige der Signale eine Quelle für elektromagnetische Interferenzen (EMI) sein, besonders wenn sie weit entfernt von einem Erdungspin liegen. Ebenso können diese Signale leichter Übersprechen empfangen, insbesondere wenn ein Flachbandkabel oder ein anderes flaches Kabel verwendet wird. Das untenstehende Beispiel verwendet einen 14-poligen Stecker, bei dem die Erde zwischen einigen IOs eingefügt ist. Indem GND zwischen Gruppen von Pins platziert wird, bietet das GND eine Abschirmung gegen Störungen und hilft, EMI zu blockieren. Dieses Beispiel könnte bei Bedarf mit einem langen Stecker verwendet werden. Für eine Board-zu-Board-Verbindung könnten Sie definitiv einige der GND-Pins entfernen, und aus Sicht der Störgeräusche sollte das immer noch in Ordnung sein, einfach weil die Entfernung so kurz ist.

Hochfrequenz/Hochgeschwindigkeit

Bei Hochgeschwindigkeits-/Hochfrequenzsignalen ist eine ähnliche Anordnung wie die oben beschriebene Pinbelegung immer noch in Ordnung, aber typischerweise arbeitet man mit differentiellen Paaren. In diesem Fall ist es am besten, Paare von Massepins bereitzustellen, um Übersprechen zwischen differentiellen Paaren zu verhindern. In jedem Fall sind mehr Massepins von Vorteil, da sie mehr Abschirmung bieten und helfen, mögliche Impedanzungleichheiten zu minimieren, die auftreten könnten. Bei hohen Frequenzen, wie im GHz-Bereich, sollten Sie (oder zumindest sollten Sie nicht) einfache Stiftleisten mehr verwenden. Ein Koaxial- (U.FL) Anschluss wäre die beste Wahl für das HF-Signal, während andere Signale und Strom über ihre eigenen Anschlüsse geführt werden könnten.

Steckverbinder wählen

Wenn Sie einen Steckverbinder suchen, der den von Ihnen benötigten Strom, die Frequenz/Bandbreite, einen spezifischen Signalstandard oder all das zusammen bewältigen kann, gibt es auf dem Markt zahlreiche Steckverbinderoptionen. Achten Sie darauf, die Datenblätter für die wichtigen Spezifikationen zu überprüfen; Sie können auch einen Leitfaden auf Octopart über diesen Link lesen. Wenn Sie unsicher sind, welchen Steckverbinder Sie verwenden sollten, besuchen Sie die Website eines Steckverbinderherstellers; sie kennzeichnen ihre Produkte nach Anwendung (hoher Strom, RF/Mikrowelle usw.), sodass Sie den besten Bauteil für Ihr Design eingrenzen können.

Zu guter Letzt, achten Sie auf jegliche Abschirmung und Pin 1, wenn Sie das Pinout des Steckverbinders für Ihre Komponenten anordnen! Sie würden sich wundern, wie oft ein benutzerdefiniertes Pinout zwischen zwei abgeschirmten Steckverbindern vertauscht wird, und es gibt keine Möglichkeit, dies auf einer fertigen Platine zu korrigieren; Sie müssen stattdessen das Kabel neu bauen. Das ist eine dieser Situationen, bei denen es hilfreich sein könnte, die Steckverbinder vor sich zu haben, um sicherzustellen, dass Sie das Pinout des Steckverbinders korrekt definieren.

Sobald Sie einen Steckverbinder für Ihre Leiterplatte ausgewählt und Ihr Steckverbinder-Pinout entworfen haben, können Sie mit einem PCB-Designprogramm wie CircuitMaker mit dem Erstellen von Schaltplänen beginnen. Benutzer können benutzerdefinierte Schaltsymbolsymbole für ihre Steckverbinder-Pinouts erstellen, oder Sie können standardmäßige Steckverbinder aus den integrierten Teiledatenbanken finden. Alle CircuitMaker-Benutzer haben auch Zugang zu einem persönlichen Arbeitsbereich auf der Altium 365-Plattform, wo sie Design-Daten in der Cloud hochladen und speichern können und Projekte über einen Webbrowser auf einer sicheren Plattform einfach ansehen können.

Beginnen Sie heute mit der Nutzung von CircuitMaker und bleiben Sie gespannt auf das neue CircuitMaker Pro von Altium.