Guide complet pour choisir des connecteurs de carte à carte

Toute personne ayant déjà ouvert un vieil ordinateur de bureau et débranché un câble ruban connaît le modeste connecteur à broches. Ce connecteur est un moyen simple mais efficace de connecter deux cartes ensemble dans un arrangement empilé. En fait, il est si populaire qu'il a été utilisé pour construire des cartes d'extension pour des plateformes populaires comme Arduino et Raspberry Pi, qui ont toutes deux connu un succès en dehors de l'espace des makers. Lors d'un récent engagement avec un client, j'ai été surpris de voir comment ils avaient empilé plusieurs cartes Raspberry Pi pour faire fonctionner certains équipements critiques, ce qui montre l'importance des connecteurs carte-à-carte dans ce type de systèmes modulaires.

Même si les connecteurs à broches sont simples, cela ne signifie pas qu'ils ne sont pas utiles. Cependant, ce ne sont pas la seule option, et il existe de nombreuses options de connecteurs carte-à-carte pour les systèmes à haute vitesse/haute fréquence, ou pour les systèmes à haute tension/haute puissance. Ces connecteurs se retrouvent dans des systèmes aussi divers que l'équipement militaire et l'équipement médical. Si vous adoptez une approche de conception modulaire pour votre prochaine plateforme matérielle et que vous avez besoin de lier facilement plusieurs cartes ensemble, envisagez les connecteurs carte-à-carte au lieu des câbles. Il existe de nombreuses options rentables sur le marché qui peuvent garantir l'intégrité du signal et une conception robuste dans une gamme de systèmes.

Les nombreux types de connecteurs carte-à-carte

Les connecteurs carte-à-carte se déclinent en une variété de formes et de tailles pour donner une sensation modulaire à un système PCB multi-cartes. Il existe de nombreux types de connecteurs de carte courants, et différents fournisseurs ont leurs propres gammes de produits qui se classent généralement dans l'une des catégories ci-dessous :

• Connecteurs à broches : La plupart des concepteurs connaissent l'arrangement de connecteurs à broches à 1 rangée ou 2 rangées avec un pas de 1 mm. Il existe des variations sur ce style, y compris des connecteurs à broches empilés. Les connecteurs à broches peuvent être protégés et clavetés (même multi-clavetés) pour garantir que les brochages correspondent lorsque les cartes sont connectées.

• Connecteurs mezzanine : Ce type de connecteur carte-à-carte joint deux cartes de circuit imprimé parallèles dans une configuration empilée. Il existe de nombreux styles de connecteurs mezzanine. Notez qu'un connecteur à broches peut être utilisé comme connecteur mezzanine.

• Connecteurs pour cartes à bord : Ce style de connecteur est le plus connu pour son utilisation dans les barrettes de RAM et les COMs/SoMs. En réalité, il peut être utilisé pour toute connexion carte-à-carte le long d'un bord de carte, que ce soit avec un brochage personnalisé ou standardisé.

• Connecteurs de fond de panier : Ce type de connecteur mérite sa propre catégorie, à la fois en raison de son besoin d'accommoder des taux de données élevés et une construction très robuste.

• Connecteurs standardisés : Certains connecteurs peuvent être développés pour répondre à des normes industrielles très spécifiques au-delà des styles de connecteurs de bord pour les cartes d'extension. Les organisations de normes qui ont défini des styles de connecteurs spécifiques incluent VITA (pour les fonds de panier), PCI-SIG (cartes PCIe), IEEE (par exemple, la norme 1386 pour les mezzanines), JTAG, PC/104 (connecteurs à broches carrées), et d'autres.

Il existe de nombreux autres connecteurs qui ne rentrent dans aucune des catégories ci-dessus. L'image ci-dessous montre un exemple de certains produits typiques qui entrent dans ces catégories.

L'image ci-dessus n'est qu'un sous-ensemble de tous les différents connecteurs de carte à carte disponibles sur le marché. De toute évidence, il existe de nombreuses variations de ces connecteurs avec différents nombres de broches/pads, styles de clé/enveloppe, styles de montage (SMD vs. traversant) et spécifications. Lorsque vous consultez le site Web d'un fournisseur ou que vous filtrez à travers un moteur de recherche de pièces, il y a quelques différentes manières dont les fournisseurs catégoriseront leurs pièces.

Application Électrique

Par rapport à ces différents types de connecteurs de carte à carte, ils peuvent être classés comme renforcés, à haute vitesse, à haute fréquence, à courant/à puissance élevés, ou sous une autre désignation. Cela relève largement du jargon marketing car il n'existe pas de définition universelle d'un connecteur à haute vitesse, à haute puissance, etc. Une exception importante est les connecteurs de fond de panier, qui sont strictement définis dans les normes ANSI/VITA, où des styles spécifiques s'associent à différents médias (cuivre, fibre ou câble coaxial). Un autre style de connecteur hautement standardisé est le connecteur mezzanine IEEE 1386.

Application Robuste

Comme c'est le cas pour de nombreux autres composants, les fournisseurs cibleront des industries spécifiques avec leurs produits et essaieront de cibler des applications spécifiques dans ces industries. En conséquence, vous verrez des styles de connecteurs de carte à carte qui peuvent être fortement renforcés avec un blindage en plastique dur car ils ciblent des domaines comme l'automobile, l'aérospatiale, les systèmes industriels ou les produits énergétiques. En général, vous pouvez généralement trouver une version renforcée d'un connecteur standard qui a le même agencement de broches, style de montage et pas que sa variante moins robuste.

Sélectionner des Connecteurs de Carte à Carte

Maintenant, nous pouvons examiner certains points à considérer lors de la sélection de connecteurs de carte à carte. Tout d'abord, examinons certaines spécifications, puis nous pouvons réfléchir aux avantages de différents styles de connecteurs.

Spécifications des Connecteurs de Carte à Carte

Les connecteurs de carte à carte ont certaines spécifications électriques qui devraient être considérées au-delà du style du connecteur :

• Nombre de broches et pas : À moins que vous ne conceviez pour une application spécifique, ou que vous ayez besoin de haute vitesse/haute fréquence ou de haute intensité, vous commencerez probablement par examiner le nombre de broches et le pas requis pour le connecteur. Avec des signaux de faible puissance et de faible vitesse, presque tous les connecteurs peuvent gérer vos besoins en énergie tout en assurant l'intégrité du signal.

• Gestion de la puissance : Elle est normalement indiquée comme le courant à une tension spécifique par broche. La plupart des connecteurs peuvent gérer quelques ampères à des tensions d'application typiques. Assurez-vous de vérifier la tension car il est courant de fournir à la fois l'alimentation et les données à travers un câble ; vous voudrez vous assurer que votre puissance ne dépasse pas la note de tension.

• Norme régissant : Toutes les normes industrielles sur les connecteurs peuvent régir le facteur de forme (certains exemples sont discutés ci-dessus), ou elles peuvent couvrir les spécifications de test et d'application. Assurez-vous de vérifier ces normes pour garantir que votre style de connecteur sera conforme.

• Notations environnementales : Les spécifications incluent les variations de puissance avec le cyclage de l'humidité, l'exposition aux gaz et les tests à haute température. Cela vous donne une bonne idée des endroits où le connecteur peut être utilisé pour garantir la fiabilité.

• Limite de taux de données/fréquence : Pour les canaux de données à haute vitesse, vous verrez une limite de taux de données recommandée, que le vendeur déterminera à travers des tests approfondis. Les limites de taux de données ne sont qu'une recommandation, et vous pourriez être en mesure de les dépasser dans votre système. Assurez-vous de tester soigneusement votre système si vous prévoyez de violer une spécification de taux de données/fréquence.

• Spécifications mécaniques : Les fiches techniques de connecteurs de carte à carte de haute qualité peuvent inclure des données sur les chocs mécaniques, les vibrations, la force de traction ou d'autres spécifications qui aident un concepteur à comprendre la robustesse. Notez que celles-ci peuvent être répertoriées comme des résultats de tests destinés à se conformer à une norme industrielle.

• Facteur de forme : Certains connecteurs de carte à carte (comme les connecteurs en bordure) peuvent être assez volumineux. D'autres connecteurs sont spécifiquement conçus pour avoir un profil bas, comme la série BM20 de connecteurs mezzanine à profil bas de Hirose. Faites attention au facteur de forme et aux exigences de l'enceinte dans votre système.

Les différents styles présentés dans la section précédente pourraient être un facteur limitant car vous pourriez avoir besoin d'interfacer avec un système existant, donc vous n'aurez pas la liberté de choisir n'importe quel connecteur. Dans de nombreux cas, la considération commence par une contrainte électrique ou mécanique, suivie par le choix du facteur de forme ou du style de connecteur dont vous avez besoin pour répondre à vos exigences de profil/enceinte.

Si vous avez la liberté de choisir votre style et facteur de forme de connecteur, il existe certains avantages à chaque type de connecteur qui doivent être considérés.

Avantages de certains styles de connecteurs de carte à carte

Avec autant de styles de connecteurs de carte à carte sur le marché, il est impossible de fournir une comparaison complète entre chaque type de connecteur. Cependant, il y a quelques points de base à comprendre sur les différents styles de connecteurs qui révèlent leurs avantages ou inconvénients dans différents systèmes.

Connecteurs à bord

Les connecteurs à bord utilisent des contacts coulissants pour établir une connexion électrique, et ceux-ci peuvent finir par s'user après de multiples connexions. L'usure peut se produire du côté de la carte ou du côté du réceptacle. Si la carte doit être connectée et retirée à plusieurs reprises, d'autres styles pourraient être un meilleur choix car beaucoup d'entre eux auront une durée de vie des contacts plus longue.

Style entièrement blindé ou coaxial

Certains connecteurs ont un style coaxial qui permet un transfert de puissance élevé, offre un blindage et des avantages pour les systèmes RF (voir ci-dessous). Les connecteurs entièrement blindés sont idéaux pour les applications de haute puissance et auront des courants nominaux beaucoup plus élevés sans être excessivement grands sur la carte. C'est une meilleure option qu'un connecteur à broches, qui peut avoir un courant nominal aussi bas que 1 A et aucune donnée utile à haute vitesse/RF.

Styles de connecteurs horizontaux à profil bas

L'orientation de votre connecteur peut permettre des cartes parallèles, mais la carte pourrait être retirée horizontalement plutôt que verticalement. Par exemple, le connecteur Hirose montré ci-dessus nécessite un retrait vertical, mais il existe des connecteurs à bord et des connecteurs mezzanine qui permettent une insertion/retrait horizontal tout en maintenant un profil très bas. Cela peut être inestimable dans les applications à profil bas où une carte d'extension doit être accessible.

Blocs de broches

Si vous ne vous préoccupez pas du courant élevé, de l'isolation élevée, ou de l'intégrité du signal très précise, les en-têtes de broches empilables sont un excellent moyen d'ajouter plusieurs niveaux de modularité à votre système. Les blocs d'en-têtes de broches peuvent être sélectionnés de manière à être empilables, ce qui permet de placer plusieurs cartes sur un bus ou de fournir de l'énergie à plusieurs cartes en parallèle. Si vous avez besoin d'accéder aux données à chaque module, assurez-vous que les brochages correspondent dans toute la pile d'en-têtes.

Et qu'en est-il de la haute vitesse et de la haute fréquence ?

À des vitesses/fréquences élevées atteignant des niveaux de Gbps/GHz, l'intégrité du signal devient un point important à considérer lors de la sélection de connecteurs de carte à carte. Recherchez certains des indicateurs suivants dans les fiches techniques ou sur les pages de support de votre fabricant :

• Impédance : Les connecteurs RF avec une topologie coaxiale auront une impédance spécifiée car ils devront s'interfacer avec une impédance de système spécifique. La spécification d'impédance est valide jusqu'à la bande passante indiquée, qui pourrait être une fréquence de -3 dB.

• Données de paramètre S : Si vous souhaitez faire une sorte de simulation avec vos connecteurs, alors vous aurez besoin de données de paramètre S. C'est assez important avec des technologies comme PAM4, les canaux SerDes, ou les nouveaux standards de signalisation à haute vitesse (PCIe, GDDR6, etc.) car ces simulations sont une partie importante de la validation du système.

• Isolation pin-à-pin : Les connecteurs RF de carte à carte peuvent avoir tous les pins entièrement blindés, ce qui n'est pas toujours le cas pour d'autres styles de connecteurs. Ces connecteurs auront une haute isolation et un faible nombre de pins. Ils ont également tendance à être plus volumineux. Certains de ces connecteurs de carte à carte auront des variantes de connecteurs pour câbles disponibles.

Lorsque vous avez besoin de filtrer à travers plusieurs fournisseurs et de trouver des types spécifiques de connecteurs de carte à carte, utilisez les fonctionnalités de recherche avancée et de filtration sur Octopart. Les fonctionnalités du moteur de recherche électronique sur Octopart peuvent vous aider à choisir des connecteurs par industrie, spécifications techniques, standard de signalisation, et de nombreux autres filtres pour répondre à vos besoins. Vous pouvez également accéder aux données de tarification des distributeurs, inventaire des pièces, spécifications des pièces, et données CAO, et tout est librement accessible dans une interface conviviale. Jetez un œil à notre page de connecteurs pour trouver les composants dont vous avez besoin.

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