Guida completa alla selezione di connettori da scheda a scheda

Chiunque abbia mai guardato all'interno di un vecchio computer desktop e scollegato un cavo a nastro è familiare con l'umile pin header. Questo connettore è un modo semplice ma efficace per collegare due schede insieme in un arrangiamento sovrapposto. Infatti, è così popolare che è stato utilizzato per costruire schede di espansione per piattaforme popolari come Arduino e Raspberry Pi, entrambe le quali hanno avuto successo al di fuori dello spazio maker. In un recente impegno con un cliente, sono rimasto sorpreso nel vedere come avevano impilato più schede Raspberry Pi per far funzionare alcune attrezzature critiche, il che mostra l'importanza dei connettori da scheda a scheda in questi tipi di sistemi modulari.

Anche se i pin header sono semplici, ciò non significa che non siano utili. Tuttavia, non sono l'unica opzione, e ci sono molte opzioni di connettori da scheda a scheda per sistemi ad alta velocità/alta frequenza, o per sistemi ad alta tensione/alta potenza. Questi connettori trovano la loro applicazione in sistemi diversi come attrezzature militari e attrezzature mediche. Se stai adottando un approccio di progettazione modulare per la tua prossima piattaforma hardware e hai bisogno di collegare facilmente più schede insieme, considera i connettori da scheda a scheda invece dei cavi. Ci sono molte opzioni economicamente vantaggiose sul mercato che possono garantire l'integrità del segnale e un design robusto in una gamma di sistemi.

I Molti Tipi di Connettori da Scheda a Scheda

I connettori da scheda a scheda si presentano in una varietà di forme e dimensioni per dare una sensazione modulare a un sistema PCB multi-scheda. Ci sono molti tipi di connettori da scheda comuni, e diversi fornitori hanno le proprie linee di prodotti che rientrano generalmente in una delle categorie elencate di seguito:

• Pin header: La maggior parte dei progettisti è familiare con l'arrangiamento di pin header a 1 fila o 2 file con passo di 1 mm. Ci sono variazioni su questo stile, inclusi i pin header impilati. I pin header possono essere incapsulati e chiavistati (anche multi-chiavistati) per garantire che i pinout corrispondano quando le schede sono collegate.

• Connettori mezzanine: Questo tipo di connettore da scheda a scheda unisce due schede a circuito stampato parallele in una configurazione impilata. Ci sono molti stili di connettori mezzanine. Da notare che un pin header può essere utilizzato come connettore mezzanine.

• Connettori per bordo scheda: Questo stile di connettore è più comunemente noto per il suo uso in stick di RAM e COMs/SoMs. In realtà, può essere utilizzato per qualsiasi connessione da scheda a scheda lungo un bordo della scheda, sia con un pinout personalizzato che standardizzato.

• Connettori backplane: Questo tipo di connettore merita una propria categoria, sia per la necessità di accomodare alte velocità di trasmissione dati sia per la costruzione molto robusta.

• Connettori standardizzati: Alcuni connettori possono essere sviluppati per soddisfare standard industriali molto specifici oltre agli stili di connettori per bordo per schede aggiuntive. Le organizzazioni di standardizzazione che hanno definito stili di connettori specifici includono VITA (per backplane), PCI-SIG (schede PCIe), IEEE (ad es., lo standard 1386 per mezzanine), JTAG, PC/104 (pin header a post quadrato) e altri.

Ci sono molti altri connettori che non rientrano in una delle categorie sopra elencate. L'immagine qui sotto mostra un esempio di alcuni prodotti tipici che rientrano in queste categorie.

L'immagine sopra è solo un sottoinsieme di tutti i diversi connettori da scheda a scheda disponibili sul mercato. Ovviamente, ci sono molte variazioni su questi connettori con diversi conteggi di pin/pad, stili di chiave/guaina, stili di montaggio (SMD vs. attraverso il foro) e specifiche. Quando stai guardando il sito web di un fornitore o filtrando attraverso un motore di ricerca di parti, ci sono alcuni modi diversi in cui i fornitori categorizzeranno le loro parti.

Applicazione Elettrica

All'interno di questi diversi tipi di connettori da scheda a scheda, possono essere classificati come ruggedizzati, ad alta velocità, ad alta frequenza, ad alta corrente/alta potenza, o qualche altra designazione. Questo è in gran parte un linguaggio di marketing poiché non esiste una definizione universale di un connettore ad alta velocità, ad alta potenza, ecc. Un'importante eccezione sono i connettori backplane, che sono rigorosamente definiti negli standard ANSI/VITA, dove stili specifici si abbinano a diversi media (rame, fibra o cavo coassiale). Un altro stile di connettore altamente standardizzato è il connettore mezzanino IEEE 1386.

Applicazione Rugged

Come nel caso di molti altri componenti, i fornitori mireranno a specifiche industrie con i loro prodotti e cercheranno di indirizzare applicazioni specifiche in quelle industrie. Di conseguenza, vedrai stili di connettori da scheda a scheda che potrebbero essere altamente ruggedizzati con protezioni in plastica dura poiché si rivolgono a settori come l'automotive, l'aerospaziale, i sistemi industriali o i prodotti per l'energia. In generale, puoi di solito trovare una versione ruggedizzata di un connettore standard che ha lo stesso schema di pin, stile di montaggio e passo della sua variante meno rugged.

Selezione dei Connettori da Scheda a Scheda

Ora possiamo guardare ad alcuni dei punti da considerare quando si selezionano connettori da scheda a scheda. Prima, diamo un'occhiata ad alcune specifiche, poi possiamo pensare ai vantaggi di diversi stili di connettori.

Specifiche dei Connettori da Scheda a Scheda

I connettori da scheda a scheda hanno alcune specifiche elettriche che dovrebbero essere considerate oltre allo stile del connettore:

• Passo e numero di pin: A meno che non si stia progettando per una specifica applicazione, o ci sia la necessità di alta velocità/alta frequenza o alta corrente, probabilmente si inizierà considerando il passo/il numero di pin richiesto nel connettore. Con segnali a bassa potenza e bassa velocità, quasi ogni connettore può gestire i requisiti di potenza garantendo al contempo l'integrità del segnale.

• Gestione della potenza: Questo è normalmente indicato come corrente a una specifica tensione per pin. La maggior parte dei connettori può gestire alcuni Ampere a tensioni tipiche di applicazione. Assicurati di controllare anche la tensione poiché è comune fornire sia alimentazione che dati attraverso un cavo; vorrai assicurarti che la tua potenza non superi la valutazione di tensione.

• Standard di riferimento: Qualsiasi standard industriale sui connettori può governare il fattore di forma (alcuni esempi sono discussi sopra), o possono coprire specifiche di test e applicazione. Assicurati di controllare questi per garantire che il tuo stile di connettore sia conforme.

• Valutazioni ambientali: Le specifiche includono variazioni di potenza con cicli di umidità, esposizione a gas e test ad alta temperatura. Questo ti dà una buona idea di dove il connettore può essere utilizzato per garantire l'affidabilità.

• Limite di velocità dati/frequenza: Per i canali dati ad alta velocità, vedrai un limite di velocità dati raccomandato, che il fornitore determinerà attraverso test estensivi. I limiti di velocità dati sono solo una raccomandazione, e potresti essere in grado di superarli nel tuo sistema. Assicurati di testare approfonditamente il tuo sistema se prevedi di violare una specifica di velocità dati/frequenza.

• Specifiche meccaniche: I datasheet dei connettori da scheda a scheda di alta qualità possono includere alcuni dati su shock meccanico, vibrazione, forza di trazione o altre specifiche che aiutano un progettista a comprendere la robustezza. Nota che questi possono essere elencati come risultati di test destinati a rispettare qualche standard industriale.

• Fattore di forma: Alcuni connettori da scheda a scheda (come i connettori a bordo) possono essere piuttosto ingombranti. Altri connettori sono specificamente progettati per avere un profilo basso, come la serie BM20 di connettori mezzanine a basso profilo di Hirose. Fai attenzione al fattore di forma e ai requisiti del contenitore nel tuo sistema.

Le varie tipologie mostrate nella sezione precedente potrebbero essere un fattore limitante poiché potresti dover interfacciarti con un sistema esistente, quindi non avrai la libertà di scegliere qualsiasi connettore. In molti casi, la considerazione inizia con qualche vincolo elettrico o meccanico, seguito dalla scelta del fattore di forma o dello stile di connettore necessario per soddisfare i tuoi requisiti di profilo/contenitore.

Se hai la libertà di scegliere lo stile e il fattore di forma del tuo connettore, ci sono alcuni vantaggi per ogni tipo di connettore che dovrebbero essere considerati.

Vantaggi di alcuni stili di connettori da scheda a scheda

Con così tanti stili di connettori da scheda a scheda sul mercato, è impossibile fornire un confronto completo tra ogni tipo di connettore. Tuttavia, ci sono alcuni punti fondamentali da comprendere riguardo ai diversi stili di connettori che rivelano i loro vantaggi o svantaggi in sistemi diversi.

Connettori a bordo

I connettori a bordo utilizzano contatti scorrevoli per realizzare una connessione elettrica, e questi possono consumarsi dopo ripetute connessioni. L'usura può verificarsi sul lato della scheda o sul lato del ricevitore. Se la scheda dovrà essere collegata e rimossa ripetutamente, stili alternativi potrebbero essere una scelta migliore poiché molti di questi avranno una durata di contatto più lunga.

Stile completamente schermato o coassiale

Alcuni connettori hanno uno stile coassiale che consente un trasferimento di potenza elevato, fornisce schermatura e vantaggi per i sistemi RF (vedi sotto). I connettori completamente schermati sono ideali per applicazioni ad alta potenza e avranno valutazioni di corrente molto più elevate senza essere eccessivamente grandi sulla scheda. Questa è un'opzione migliore rispetto a un header a pin, che potrebbe avere una valutazione di corrente bassa come 1 A e nessun dato utile ad alta velocità/RF.

Stili di connettori orizzontali a basso profilo

L'orientamento del tuo connettore può consentire schede parallele, ma la scheda potrebbe essere rimossa orizzontalmente piuttosto che verticalmente. Ad esempio, il connettore Hirose mostrato sopra richiede la rimozione verticale, ma ci sono connettori a bordo e connettori a mezzanino che consentono l'inserimento/rimozione orizzontale mantenendo un profilo molto basso. Questo può essere inestimabile in applicazioni a basso profilo dove è necessario accedere a una scheda aggiuntiva.

Blocchi di header a pin

Se non sei preoccupato per l'alta corrente, l'alta isolazione o l'integrità del segnale altamente precisa, gli header a pin impilabili sono un ottimo modo per aggiungere più livelli di modularità al tuo sistema. I blocchi di header a pin possono essere selezionati in modo che siano impilabili, il che consente di posizionare più schede su un bus o di fornire alimentazione a più schede in parallelo. Se hai bisogno di accesso ai dati in ogni modulo, assicurati che i pinout corrispondano in tutto lo stack di header a pin.

Che dire di alta velocità e alta frequenza?

A velocità/frequenze elevate che raggiungono livelli di Gbps/GHz, l'integrità del segnale diventa un punto importante da considerare quando si selezionano connettori da scheda a scheda. Cerca alcune delle seguenti metriche nei datasheet o nelle pagine di supporto del tuo produttore:

• Impedenza: I connettori RF con topologia coassiale avranno un'impedenza specificata poiché dovranno interfacciarsi con un'impedenza di sistema specifica. La specifica dell'impedenza è valida fino alla larghezza di banda dichiarata, che potrebbe essere una frequenza a -3 dB.

• Dati sui parametri S: Se vuoi fare qualsiasi tipo di simulazione con i tuoi connettori, allora avrai bisogno dei dati sui parametri S. Questo è piuttosto importante con tecnologie come PAM4, canali SerDes o nuovi standard di segnalazione ad alta velocità (PCIe, GDDR6, ecc.) poiché queste simulazioni sono una parte importante della validazione del sistema.

• Isolamento pin-a-pin: I connettori RF da scheda a scheda possono avere tutti i pin completamente schermati, il che non è sempre il caso per altri stili di connettori. Questi connettori avranno un'alta isolazione e un basso numero di pin. Tendono anche ad essere più ingombranti. Alcuni di questi connettori da scheda a scheda avranno varianti di connettori per cavi disponibili.

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