Come progettare un layout dei pin di connessione per il tuo PCB

Il connettore DVI mostrato sopra ha uno schema di pin molto specifico che deve essere implementato quando si instrada un connettore se si vuole utilizzare questa interfaccia sulla propria PCB. Lo stesso vale per qualsiasi altro connettore utilizzato per fornire alimentazione, terra e segnali attraverso un'interfaccia standardizzata. Ethernet, USB, HDMI e molti altri protocolli hanno uno schema di pin specifico che dovrebbe essere utilizzato per garantire l'interoperabilità tra dispositivi diversi.

Sebbene gli schemi di pin per i protocolli comuni siano standardizzati, ci sono momenti in cui si ha molta libertà di progettare uno schema di pin personalizzato. Supponiamo che tu stia progettando una connessione da scheda a scheda o un'interfaccia personalizzata per un'altra scheda; hai la libertà di progettare la connessione come ritieni più opportuno. Quindi, come dovresti fare esattamente, e cosa dovresti osservare in un design dello schema di pin di un connettore? Esamineremo alcuni dei punti di design importanti riguardanti i connettori in questo articolo.

Iniziare il Tuo Design dello Schema di Pin del Connettore

Ci sono diversi punti importanti da considerare nel tuo design dello schema di pin del connettore, come:

• Qual è la lunghezza della connessione che devi realizzare? Si tratta di una connessione breve da scheda a scheda, o stai trasmettendo segnali attraverso un cavo lungo?
• Con quali frequenze stai lavorando (per segnali analogici), o qual è il tempo di salita del segnale (per segnali digitali)?
• Stai instradando coppie differenziali o segnali a terminazione singola?
• Hai bisogno di raggiungere un obiettivo di impedenza specifico, o la connessione è abbastanza breve che l'impedenza non importa?

Quello che è interessante è che instradare attraverso un connettore non è molto diverso dall'instradare su un PCB. Puoi avere gli stessi problemi di integrità del segnale, problemi di disadattamento di impedenza e problemi di perdita di segnale che potresti vedere in un PCB ad alta velocità.

Se non hai mai progettato un pinout, o ti stai chiedendo perché la tua scheda di sviluppo preferita ha utilizzato un particolare pinout, aiuta analizzare alcuni casi specifici. Per ora, esaminerò cosa succede con diverse frequenze e tipi di segnale, e possiamo determinare alcune buone pratiche di progettazione per un pinout di connettore.

Connessioni DC

Se stai semplicemente instradando corrente continua tra due schede o tramite un cavo, la principale considerazione è la corrente totale che devi trasportare. I connettori a pin e simili connettori di piccola portata possono accomodare una piccola corrente massima per pin (~1 A è tipico). Se hai bisogno di trasportare più corrente per una data tensione, allora quella tensione deve essere distribuita su più pin. Un'altra cosa che puoi fare è instradare più tensioni attraverso un singolo connettore, che è lo stesso approccio utilizzato negli alimentatori per computer desktop.

I layout dei pin dei connettori per sistemi in corrente continua dovrebbero trasportare un segnale di terra lungo l'interconnessione. Fai attenzione a questo segnale di terra poiché questo è il piano di riferimento a bordo, e dovrà trasportare una corrente di ritorno, quindi dovresti dimensionare il cablaggio e il numero di fili di conseguenza. Si raccomanda di non provare ad usare una connessione GND per collegare due diverse terre su due schede diverse, specialmente se sono su circuiti di rete differenti e separati su una certa distanza. Si rischia di creare un cortocircuito tra due punti che trasporta così tanta corrente da fondere il cavo. Questo si verifica a causa dello sfasamento di terra in corrente continua che esiste naturalmente tra diversi punti in una rete elettrica.

Bassa Frequenza/Bassa Velocità

Spero che ormai tu abbia capito che bassa frequenza e bassa velocità sono tutte relative: ciò che conta è la lunghezza della connessione e se è necessaria l'impedenza. Per un bus digitale a bassa velocità, qualcosa nell'intervallo di 5-10 ns, potresti non doverti preoccupare di cose come il diafonia o le riflessioni a patto che la connessione sia abbastanza corta e che includi almeno 1 linea GND nel pinout del connettore. Assicurati, se stai portando alimentazione nel pinout del connettore, di seguire le stesse regole previste per i connettori DC.

Su connettori con un elevato numero di pin o altri connettori con una lunga fila di pin, alcuni dei segnali saranno una fonte di EMI quando si trovano a grande distanza da un pin di terra. Allo stesso modo, quei segnali possono ricevere più facilmente diafonia, specialmente se si utilizza un cavo a nastro o altro cavo piatto. L'esempio sottostante utilizza un connettore a 14 pin che ha la terra intercalata tra alcuni IO. Posizionando GND tra gruppi di pin, il GND fornirà schermatura contro il rumore e aiuterà a bloccare l'EMI. Questo esempio potrebbe essere utilizzato con un connettore lungo se necessario. Per una connessione da scheda a scheda, potresti sicuramente rimuovere alcuni dei pin GND e dovresti comunque essere a posto dal punto di vista del rumore semplicemente perché la distanza è così breve.

Alta Frequenza/Alta Velocità

Con segnali ad alta velocità/alta frequenza, una disposizione dei pin simile a quella descritta sopra è ancora accettabile, ma tipicamente si lavora con coppie differenziali. In questo caso, è meglio fornire coppie di pin di terra per prevenire il crosstalk tra le coppie differenziali. In ogni caso, avere più pin di terra è vantaggioso poiché offrono maggiore schermatura e aiutano a minimizzare eventuali disadattamenti di impedenza che potrebbero sorgere. Per frequenze elevate, come nel range dei GHz, non si dovrebbe (o almeno non si dovrebbe) utilizzare un semplice connettore a pin. Un connettore coassiale (U.FL) sarebbe la scelta migliore per il segnale RF, mentre altri segnali e l'alimentazione potrebbero essere instradati tramite il proprio connettore.

Scelta dei Connettori

Se hai bisogno di trovare un connettore che possa gestire la corrente richiesta, la larghezza di banda/frequenza, uno specifico standard di segnalazione, o tutto quanto sopra, ci sono molte opzioni di connettori sul mercato. Assicurati di controllare i datasheet per le specifiche importanti; puoi anche leggere una guida su Octopart da questo link. Se non sei sicuro di quale connettore dovresti usare, visita il sito web di un produttore di connettori; etichetteranno i loro prodotti per applicazione (alta corrente, RF/microonde, ecc.) in modo che tu possa restringere la ricerca al miglior componente per il tuo progetto.

Infine, ma non meno importante, presta attenzione a qualsiasi schermatura e al pin 1 quando organizzi il pinout del connettore per i tuoi componenti! Rimarresti sorpreso di quanto spesso un pinout personalizzato venga invertito tra due connettori schermati, e non c'è modo di correggerlo su una scheda finita; dovrai ricostruire il cavo invece. Questa è una di quelle cose per cui potrebbe essere utile avere i connettori davanti a te per assicurarti di definire correttamente il pinout del connettore.

Una volta selezionato un connettore per il tuo PCB e progettato il tuo schema dei pin del connettore, puoi iniziare a costruire schemi utilizzando un programma di progettazione PCB come CircuitMaker. Gli utenti possono creare simboli schematici personalizzati per i loro schemi dei pin dei connettori, oppure è possibile trovare connettori standard nelle database di parti integrate. Tutti gli utenti di CircuitMaker hanno anche accesso a uno spazio personale sulla piattaforma Altium 365, dove possono caricare e memorizzare i dati di progettazione nel cloud, e visualizzare facilmente i progetti tramite un browser web in una piattaforma sicura.

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