Cómo diseñar un esquema de pines para tu PCB

El conector DVI mostrado arriba tiene un esquema de pines muy específico que debe implementarse al trazar un conector si desea utilizar esta interfaz en su PCB. Lo mismo se aplica a cualquier otro conector que se utilice para proporcionar alimentación, tierra y señales a través de una interfaz estandarizada. Ethernet, USB, HDMI y muchos otros protocolos tienen un esquema de pines específico que debe utilizarse para garantizar la interoperabilidad entre diferentes dispositivos.

Aunque los esquemas de pines para protocolos comunes están estandarizados, hay momentos en los que tienes mucha libertad para diseñar un esquema de pines personalizado. Supongamos que estás diseñando una conexión de placa a placa o una interfaz personalizada con otra placa; tienes libertad para diseñar la conexión como creas conveniente. Entonces, ¿cómo deberías hacer esto exactamente y qué deberías tener en cuenta en un diseño de esquema de pines de conector? Vamos a repasar algunos de los puntos de diseño importantes en torno a los conectores en este artículo.

Comenzando con tu Diseño de Esquema de Pines de Conector

Hay varios puntos importantes a considerar en tu diseño de esquema de pines de conector, tales como:

• ¿Cuál es la longitud de la conexión que necesitas hacer? ¿Es una conexión corta de placa a placa, o estás transmitiendo señales a través de un cable largo?
• ¿Con qué frecuencias está trabajando (para señales analógicas) o cuál es el tiempo de subida de la señal (para señales digitales)?
• ¿Está enrutando pares diferenciales o señales de extremo único?
• ¿Necesita alcanzar un objetivo de impedancia específico, o es la conexión lo suficientemente corta como para que la impedancia no importe?

Lo interesante es que el enrutamiento a través de un conector no es muy diferente del enrutamiento sobre un PCB. Puede tener los mismos problemas de integridad de señal, problemas de desajuste de impedancia y problemas de pérdida de señal que podría ver en un PCB de alta velocidad.

Si nunca ha diseñado un esquema de pines, o se pregunta por qué su placa de desarrollo favorita utilizó un esquema de pines particular, ayuda desglosar algunos casos específicos. Por ahora, veré qué sucede con diferentes frecuencias y tipos de señal, y podemos determinar algunas buenas prácticas de diseño para un esquema de pines de conector.

Conexiones de CC

Si solo estás conectando DC entre dos placas o a través de un cable, la principal consideración es la corriente total que necesitas transportar. Los conectores de cabecera de pines y conectores similares de baja exigencia pueden acomodar una pequeña corriente máxima por pin (~1 A es típico). Si necesitas transportar más corriente para un voltaje dado, entonces ese voltaje necesita distribuirse a través de múltiples pines. Otra cosa que puedes hacer es distribuir múltiples voltajes a través de un solo conector, que es el mismo enfoque utilizado en las fuentes de alimentación de computadoras de escritorio.

Los esquemas de pines de los conectores para sistemas de DC deberían llevar una señal de tierra a lo largo de la interconexión. Ten en cuenta esta señal de tierra ya que esta es el plano de referencia a bordo, y necesitará transportar una corriente de retorno, por lo que deberías dimensionar el cableado y el número de cables en consecuencia. Se recomienda que no intentes usar una conexión GND para unir dos tierras diferentes en dos placas diferentes, especialmente si están en diferentes circuitos de la red y separadas por cierta distancia. Corres el riesgo de crear un cortocircuito entre dos puntos que transporta tanta corriente que derretirá el cable. Esto ocurre debido al desplazamiento de tierra de DC que naturalmente existe entre diferentes puntos en una red eléctrica.

Baja Frecuencia/Baja Velocidad

Esperamos que para ahora, hayas comprendido que la baja frecuencia y la baja velocidad son conceptos relativos: lo que importa es la longitud de la conexión y si se requiere impedancia. Para un bus digital de baja velocidad, algo en el rango de 5-10 ns, es posible que no necesites preocuparte por cosas como el diafonía o las reflexiones siempre y cuando la conexión sea lo suficientemente corta e incluyas al menos 1 línea GND en el diseño de los pines del conector. Asegúrate de que si estás introduciendo energía en el diseño de los pines del conector, sigas las mismas reglas que para los conectores de CC.

En conectores de cabecera de pines con un alto número de pines u otros conectores con una larga línea de pines, algunas de las señales serán una fuente de EMI cuando estén a una larga distancia de un pin de tierra. De manera similar, esas señales pueden recibir más fácilmente diafonía, especialmente si estás utilizando un cable plano o cualquier otro tipo de cable plano. El ejemplo a continuación utiliza un conector de 14 pines que tiene tierra intercalada entre algunos IOs. Al colocar GND entre grupos de pines, el GND proporcionará blindaje contra el ruido y ayudará a bloquear el EMI. Este ejemplo podría utilizarse con un conector largo si fuera necesario. Para una conexión de placa a placa, definitivamente podrías eliminar algunos de los pines GND y aún así deberías estar bien desde una perspectiva de ruido simplemente porque la distancia es muy corta.

Alta Frecuencia/Alta Velocidad

Con señales de alta velocidad/alta frecuencia, algo similar al pinout mencionado anteriormente sigue siendo aceptable, pero típicamente estás trabajando con pares diferenciales. En este caso, es mejor proporcionar pares de pines de tierra para prevenir el diafonía entre pares diferenciales. En cualquier caso, más pines de tierra son tus amigos ya que proporcionan más blindaje y ayudan a minimizar cualquier desajuste de impedancia que pueda surgir. Para frecuencias altas, como en el rango de GHz, no deberías (o al menos no deberías) usar un simple conector de pines. Un conector coaxial (U.FL) sería la mejor elección para la señal RF, mientras que otras señales y la energía podrían ser enrutadas a través de su propio conector.

Elección de Conectores

Si necesita encontrar un conector que pueda manejar la corriente requerida, la frecuencia/ancho de banda, un estándar de señalización específico, o todo lo anterior, hay muchas opciones de conectores en el mercado. Asegúrese de revisar las hojas de datos para las especificaciones importantes; también puede leer una guía en Octopart desde este enlace. Si no está seguro de qué conector debería usar, visite el sitio web de un fabricante de conectores; etiquetarán sus productos por aplicación (alta corriente, RF/microondas, etc.) para que pueda reducir la búsqueda al mejor componente para su diseño.

Por último, pero no menos importante, ¡preste atención a cualquier cubierta y al pin 1 cuando organice el pinout del conector para sus componentes! Se sorprendería de cuán a menudo se invierte un pinout personalizado entre dos conectores con cubierta, y no hay forma de corregirlo en una placa terminada; tendrá que reconstruir el cable en su lugar. Esta es una de esas cosas en las que podría ayudar tener los conectores frente a usted para asegurarse de que está definiendo el pinout del conector correctamente.

Una vez que hayas seleccionado un conector para tu PCB y diseñado su disposición de pines, puedes comenzar a construir esquemáticos utilizando un programa de diseño de PCB como CircuitMaker. Los usuarios pueden crear símbolos esquemáticos personalizados para sus disposiciones de pines de conectores, o puedes encontrar conectores estándar en las bases de datos de partes integradas. Todos los usuarios de CircuitMaker también tienen acceso a un espacio de trabajo personal en la plataforma Altium 365, donde pueden subir y almacenar datos de diseño en la nube, y ver fácilmente los proyectos a través de un navegador web en una plataforma segura.

Empieza a usar CircuitMaker hoy y mantente atento al nuevo CircuitMaker Pro de Altium.