PCB用コネクタピン配置の設計方法

上に示されたDVIコネクタは、PCB上でこのインターフェースを使用したい場合に実装しなければならない非常に特定のピン配置を持っています。電源、グラウンド、および標準化されたインターフェースを介して信号を提供するために使用される他の任意のコネクタにも同じことが当てはまります。Ethernet、USB、HDMI、および他の多くのプロトコルには、異なるデバイス間の相互運用性を確保するために使用すべき特定のピン配置があります。

一般的なプロトコルのピン配置は標準化されていますが、カスタムピン配置を設計する自由がたくさんある場合もあります。例えば、ボード間接続や他のボードへのカスタムインターフェースを設計している場合、接続を自由に設計することができます。では、具体的にどのようにこれを行い、コネクタのピン配置設計で何に注意すべきか？この記事では、コネクタに関する重要な設計ポイントをいくつか紹介します。

コネクタのピン配置設計を始める

コネクタのピン配置設計において考慮すべきいくつかの重要なポイントがあります。例えば：

• 必要な接続の長さはどのくらいですか？短いボード間接続ですか、それとも長いケーブルを介して信号を送信していますか？
• アナログ信号の場合、どのような周波数を扱っていますか？または、デジタル信号の場合、信号の立ち上がり時間はどのくらいですか？
• 差動ペアをルーティングしていますか、それとも単端信号ですか？
• 特定のインピーダンス目標を達成する必要がありますか、それとも接続が十分に短いためインピーダンスは問題にならないのでしょうか？

興味深いことに、コネクタ上でのルーティングはPCB上でのルーティングとそれほど変わりません。高速PCBで見られるかもしれない同じ信号整合性の問題、インピーダンス不一致の問題、および信号損失の問題が発生する可能性があります。

ピン配置を設計したことがない場合や、お気に入りの開発ボードが特定のピン配置を使用した理由が気になる場合は、特定のケースをいくつか分析することが役立ちます。今のところ、異なる周波数や信号タイプで何が起こるかを見て、コネクタのピン配置に対する良い設計慣行をいくつか決定できます。

DC接続

DCを2枚の基板間やケーブルを介して配線する場合、主な考慮事項は、運ぶ必要がある総電流です。ピンヘッダーや類似の軽負荷コネクタは、1ピンあたりの小さな最大電流（典型的には約1A）を受け入れることができます。特定の電圧でより多くの電流を運ぶ必要がある場合、その電圧は複数のピンにわたって橋渡しする必要があります。もう一つの方法は、デスクトップコンピュータの電源で使用されているのと同じアプローチで、単一のコネクタを介して複数の電圧を配線することです。

DCシステムのコネクタピン配置は、相互接続に沿ってグラウンド信号を運ぶべきです。このグラウンド信号はオンボードの基準平面であり、復帰電流を運ぶ必要があるため、配線のサイズと配線数をそれに応じて選定することが重要です。異なるグリッド回路上にあり、ある程度の距離で分離された2枚の基板上の異なるアースグラウンドをGND接続で橋渡ししようとすることはお勧めしません。これは、電気グリッド内の異なる点間に自然に存在するDCグラウンドオフセットにより、2点間で短絡が発生し、それが多大な電流を運び、ケーブルが溶けるリスクがあります。

低周波数/低速

今頃には、低周波数と低速度がすべて相対的であることがわかっているはずです。重要なのは接続の長さと、インピーダンスが必要かどうかです。低速デジタルバスについては、5-10 nsの範囲であれば、接続が十分に短く、コネクタのピン配置に少なくとも1つのGNDラインを含めていれば、クロストークや反射のようなことを心配する必要はないかもしれません。コネクタのピン配置に電力を引き込む場合は、DCコネクターに対する同じルールに従うことを確認してください。

ピン数が多いピンヘッダーや、長い列のピンを持つ他のコネクタでは、グラウンドピンから遠い距離にある信号がEMI（電磁干渉）の源となることがあります。同様に、リボンケーブルやその他のフラットケーブルを使用している場合、これらの信号はクロストークを受けやすくなります。以下の例では、いくつかのIOの間にグラウンドが交互に配置された14ピンのコネクタを使用しています。ピンのグループ間にGNDを配置することで、GNDはノイズに対するシールドとして機能し、EMIを遮断するのに役立ちます。この例は、必要に応じて長いコネクタにも使用できます。基板間接続の場合、GNDピンのいくつかを取り除くことができ、距離が非常に短いため、ノイズの観点からは問題ないはずです。

高周波/高速

高速/高周波信号の場合、上記のピン配置と同様のものでもまだ問題ありませんが、通常は差動ペアを扱っています。この場合、差動ペア間のクロストークを防ぐために、グラウンドピンのペアを提供することが最善です。いずれにせよ、より多くのグラウンドピンは、より多くのシールドを提供し、発生する可能性のある任意のインピーダンスの不一致を最小限に抑えるのに役立ちます。GHz範囲のような高周波数では、単純なピンヘッダーを使用することはありません（少なくとも使用すべきではありません）。RF信号には同軸（U.FL）コネクタが最適な選択肢であり、他の信号や電力はそれぞれのコネクタを介してルーティングできます。

コネクタの選択

必要な電流、周波数/帯域幅、特定のシグナリング標準、またはそれらすべてを処理できるコネクタを探している場合、市場には多くのコネクタオプションがあります。重要な仕様については、データシートを確認してください。また、このリンクからOctopartのガイドを読むこともできます。どのコネクタを使用すべきかわからない場合は、コネクタメーカーのウェブサイトにアクセスしてください。彼らは製品を用途別（高電流、RF/マイクロ波など）にラベル付けしているので、設計に最適なコンポーネントを絞り込むことができます。

最後に、コンポーネントのコネクタピン配置を決めるときは、シュラウドとピン1に注意してください！シュラウド付きコネクタ間でカスタムピン配置が逆になることがよくあり、完成したボード上でこれを修正する方法はありません。その場合、ケーブルを再構築する必要があります。コネクタのピン配置を正しく定義していることを確認するために、コネクタを目の前に置いておくと役立つかもしれません。

PCB用のコネクタを選択し、コネクタのピン配置を設計したら、CircuitMakerのようなPCB設計プログラムを使用して回路図の構築を開始できます。ユーザーは、コネクタのピン配置用のカスタム回路図シンボルを作成することも、組み込みの部品データベースから標準コネクタを見つけることもできます。すべてのCircuitMakerユーザーは、Altium 365プラットフォーム上の個人ワークスペースにもアクセスでき、そこで設計データをクラウドにアップロードして保存し、安全なプラットフォームでウェブブラウザを介してプロジェクトを簡単に閲覧できます。

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