Kompletny przewodnik po wyborze złącz płytka-do-płytka

Każdy, kto kiedykolwiek zajrzał do wnętrza starego komputera stacjonarnego i odłączył taśmę kablową, zna skromne złącze pinowe. Ten konektor to prosta, ale skuteczna metoda połączenia dwóch płyt w układzie stosowym. W rzeczywistości jest on na tyle popularny, że został użyty do budowy dodatkowych płyt rozszerzeń dla popularnych platform takich jak Arduino i Raspberry Pi, które obie odniosły sukces poza przestrzenią majsterkowiczów. Podczas niedawnego spotkania z klientem byłem zaskoczony, widząc, jak ułożyli oni na stosie wiele płyt Raspberry Pi, aby uruchomić pewne krytyczne urządzenia, co pokazuje znaczenie złączy płyta-płyta w tego typu modułowych systemach.

Mimo że złącza pinowe są proste, nie oznacza to, że nie są przydatne. Jednakże, nie są one jedyną opcją i istnieje wiele opcji złączy płyta-płyta dla systemów o wysokiej prędkości/wysokiej częstotliwości lub dla systemów o wysokim napięciu/wysokiej mocy. Te złącza znajdują zastosowanie w systemach tak różnorodnych jak sprzęt wojskowy czy sprzęt medyczny. Jeśli przyjmujesz modularne podejście do projektowania swojej następnej platformy sprzętowej i musisz łatwo połączyć ze sobą wiele płyt, rozważ zamiast kabli złącza płyta-płyta. Na rynku dostępnych jest wiele opłacalnych opcji, które mogą zapewnić integralność sygnału i wytrzymałą konstrukcję w różnych systemach.

Różne typy złączy płyta-płyta

Złącza płyta-płyta występują w różnych kształtach i rozmiarach, nadając modułowy charakter systemowi PCB z wieloma płytami. Istnieje wiele typów powszechnych złączy płytowych, a różni dostawcy mają własne linie produktów, które generalnie wpisują się w jedną z poniższych kategorii:

• Złącza pinowe: Większość projektantów zna układ złącza pinowego z jednym lub dwoma rzędami o rozstawie 1 mm. Istnieją różne warianty tego stylu, w tym złącza pinowe ułożone na stos. Złącza pinowe mogą być osłonięte i kluczowane (nawet wielokrotnie kluczowane), aby gwarantować zgodność wyprowadzeń przy łączeniu płyt.

• Złącza mezzanine: Ten typ złącza płyta-płyta łączy ze sobą dwie równoległe płytki drukowane w konfiguracji stosowej. Istnieje wiele stylów złączy mezzanine. Należy zauważyć, że złącze pinowe może być używane jako złącze mezzanine.

• Złącza krawędziowe: Ten styl złącza jest najbardziej znany ze swojego zastosowania w modułach pamięci RAM i COMs/SoMs. Naprawdę może być używany do dowolnego połączenia płyta-płyta wzdłuż krawędzi płyty, zarówno z niestandardowym, jak i ustandaryzowanym układem pinów.

• Złącza backplane: Ten typ złącza zasługuje na własną kategorię, zarówno ze względu na potrzebę obsługi wysokich prędkości transmisji danych, jak i bardzo wytrzymałą konstrukcję.

• Złącza ustandaryzowane: Niektóre złącza mogą być opracowane tak, aby spełniać bardzo konkretne standardy branżowe, wykraczające poza styl złączy krawędziowych dla kart rozszerzeń. Organizacje standaryzacyjne, które zdefiniowały konkretne style złączy, obejmują VITA (dla backplane), PCI-SIG (karty PCIe), IEEE (np. standard 1386 dla mezzanine), JTAG, PC/104 (złącza pinowe kwadratowe) i inne.

Istnieje wiele innych złączy, które nie wpisują się w żadną z powyższych kategorii. Poniższy obraz przedstawia przykład niektórych typowych produktów z tych kategorii.

Obraz powyżej to tylko podzbiór wszystkich różnych złącz płytka-płytka dostępnych na rynku. Oczywiście, istnieje wiele wariantów tych złącz z różną liczbą pinów/padów, stylami klucza/osłony, sposobami montażu (SMD vs. przewlekane) oraz specyfikacjami. Kiedy przeglądasz stronę dostawcy lub filtrujesz wyniki w wyszukiwarce części, istnieje kilka różnych sposobów, w jakie dostawcy mogą kategoryzować swoje produkty.

Zastosowanie elektryczne

W ramach tych różnych typów złącz płytka-płytka, mogą one być klasyfikowane jako wzmocnione, wysokiej prędkości, wysokiej częstotliwości, wysokiego prądu/wysokiej mocy lub inne oznaczenia. Jest to w dużej mierze język marketingowy, ponieważ nie ma uniwersalnej definicji złącza wysokiej prędkości, wysokiej mocy itp. Ważnym wyjątkiem są złącza backplane, które są ściśle zdefiniowane w standardach ANSI/VITA, gdzie określone style pasują do różnych mediów (miedź, włókno optyczne lub kabel koncentryczny). Innym wysoko standaryzowanym stylem złącza jest złącze mezzanine IEEE 1386.

Zastosowanie w trudnych warunkach

Jak ma to miejsce w przypadku wielu innych komponentów, dostawcy kierują swoje produkty do konkretnych branż i starają się celować w konkretne zastosowania w tych branżach. W rezultacie zobaczysz style złącz płytka-płytka, które mogą być wysoce wzmocnione twardą osłoną plastikową, ponieważ celują one w obszary takie jak motoryzacja, lotnictwo, systemy przemysłowe lub produkty energetyczne. Ogólnie rzecz biorąc, zazwyczaj można znaleźć wzmocnioną wersję standardowego złącza, która ma ten sam układ pinów, styl montażu i rozstaw, co jej mniej wzmocniony wariant.

Wybór złącz płytka-płytka

Teraz możemy przyjrzeć się niektórym punktom, które należy rozważyć przy wybieraniu złącz płytka-płytka. Najpierw przyjrzyjmy się niektórym specyfikacjom, a następnie możemy pomyśleć o zaletach różnych stylów złącz.

Specyfikacje złącz płytka-płytka

Złącza płytka-płytka mają pewne specyfikacje elektryczne, które należy wziąć pod uwagę poza samym stylem złącza:

• Rozstaw i liczba pinów: Jeśli nie projektujesz pod konkretną aplikację, lub nie potrzebujesz wysokiej prędkości/wysokiej częstotliwości lub wysokiego prądu, prawdopodobnie zaczniesz od rozpatrzenia wymaganego rozstawu/liczby pinów w złączu. Przy niskiej mocy i niskiej prędkości sygnału, prawie każde złącze może obsłużyć Twoje wymagania dotyczące mocy, zapewniając jednocześnie integralność sygnału.

• Obsługa mocy: Zazwyczaj podawana jest jako prąd przy określonym napięciu na pin. Większość złączy może obsłużyć kilka amperów przy typowych napięciach aplikacji. Upewnij się, że sprawdziłeś napięcie, ponieważ często zdarza się, że przez kabel dostarczana jest zarówno moc, jak i dane; będziesz chciał upewnić się, że Twoja moc nie przekracza dopuszczalnego napięcia.

• Standard rządzący: Wszelkie branżowe standardy dotyczące złączy mogą regulować formę (niektóre przykłady omówiono powyżej) lub mogą obejmować specyfikacje testowania i aplikacji. Upewnij się, że sprawdziłeś te standardy, aby zapewnić zgodność stylu Twojego złącza.

• Oceny środowiskowe: Specyfikacje obejmują zmiany mocy przy cyklicznych zmianach wilgotności, ekspozycji na gazy i testach w wysokiej temperaturze. Daje Ci to dobry pomysł, gdzie złącze może być używane, aby zapewnić niezawodność.

• Ograniczenie prędkości danych/częstotliwości: Dla kanałów danych o wysokiej prędkości zobaczysz zalecaną granicę prędkości danych, którą dostawca określi po obszernych testach. Limity prędkości danych są tylko zaleceniem i być może uda Ci się je przekroczyć w swoim systemie. Upewnij się, że dokładnie przetestowałeś swój system, jeśli planujesz naruszyć specyfikację prędkości danych/częstotliwości.

• Specyfikacje mechaniczne: Arkusze danych złączy płyta-do-płyty wysokiej jakości mogą zawierać pewne dane na temat wstrząsów mechanicznych, wibracji, siły ciągnięcia lub innych specyfikacji, które pomagają projektantowi zrozumieć wytrzymałość. Należy zauważyć, że mogą być one wymienione jako wyniki testów mające na celu spełnienie pewnych standardów branżowych.

• Forma: Niektóre złącza płyta-do-płyty (jak złącza krawędziowe) mogą być dość masywne. Inne złącza są specjalnie zaprojektowane tak, aby miały niski profil, takie jak seria BM20 niskoprofilowych złączy mezzanine od Hirose. Zwróć uwagę na formę i wymagania dotyczące obudowy w swoim systemie.

Różne style pokazane w poprzedniej sekcji mogą być czynnikiem ograniczającym, ponieważ możesz potrzebować interfejsu z istniejącym systemem, więc nie będziesz miał wolności wyboru dowolnego złącza. W wielu przypadkach rozważania zaczynają się od pewnych ograniczeń elektrycznych lub mechanicznych, po czym wybiera się formę lub styl złącza, które musisz spełnić, aby sprostać wymaganiom dotyczącym profilu/obudowy.

Jeśli masz wolność wyboru stylu i formy złącza, istnieją pewne zalety każdego typu złącza, które należy wziąć pod uwagę.

Zalety niektórych stylów złączy płyta-do-płyty

Na rynku jest tak wiele stylów złączy płyta-do-płyty, że niemożliwe jest dostarczenie kompletnego porównania każdego typu złącza. Jednak istnieją pewne podstawowe punkty, które należy zrozumieć na temat różnych stylów złączy, które ujawniają ich zalety lub wady w różnych systemach.

Złącza krawędziowe

Złącza krawędziowe używają ślizgających się styków do tworzenia połączenia elektrycznego, które mogą z czasem zużywać się po wielokrotnym łączeniu i rozłączaniu. Zużycie może wystąpić zarówno po stronie karty, jak i po stronie gniazda. Jeśli płyta będzie musiała być wielokrotnie łączona i rozłączana, alternatywne style mogą być lepszym wyborem, ponieważ wiele z nich będzie miało dłuższą żywotność kontaktu.

Styl w pełni osłonięty lub koaksjalny

Niektóre złącza mają styl koaksjalny, który umożliwia wysokie przekazywanie mocy, zapewnia ekranowanie i przewagi dla systemów RF (patrz poniżej). Złącza w pełni osłonięte są idealne do aplikacji o wysokiej mocy i będą miały znacznie wyższe oceny prądowe bez bycia nadmiernie dużymi na płycie. Jest to lepsza opcja niż złącze pinowe, które może mieć ocenę prądową tak niską jak 1 A i nie posiadać użytecznych danych wysokiej prędkości/RF.

Styl złączy poziomych o niskim profilu

Orientacja twojego złącza może umożliwić równoległe ułożenie płyt, ale płyta może być usuwana poziomo zamiast pionowo. Na przykład, złącze Hirose pokazane powyżej wymaga pionowego usunięcia, ale istnieją złącza krawędziowe i złącza mezzanine, które umożliwiają poziome wkładanie/wyjmowanie przy zachowaniu bardzo niskiego profilu. Może to być nieocenione w aplikacjach o niskim profilu, gdzie karta dodatkowa musi być dostępna.

Bloki złączy pinowych

Jeśli nie martwisz się o wysoki prąd, wysoką izolację lub bardzo precyzyjną integralność sygnału, stosowalne złącza pinowe są świetnym sposobem na dodanie wielu poziomów modularności do twojego systemu. Bloki złączy pinowych mogą być dobrane tak, aby były stosowalne, co pozwala na umieszczenie wielu kart na magistrali lub umożliwia dostarczanie zasilania do wielu płyt równolegle. Jeśli potrzebujesz dostępu do danych na każdym module, upewnij się, że rozmieszczenie pinów jest zgodne w całym stosie złączy pinowych.

Co z wysoką prędkością i wysoką częstotliwością?

Przy wysokich prędkościach/wysokich częstotliwościach, dochodzących do poziomów Gbps/GHz, integralność sygnału staje się ważnym punktem do rozważenia przy wyborze złączy płyta-płyta. Szukaj niektórych z poniższych metryk w kartach katalogowych lub na stronach wsparcia producenta:

• Impedancja: Złącza RF o topologii koaksjalnej będą miały określoną impedancję, ponieważ muszą współpracować z określoną impedancją systemu. Specyfikacja impedancji jest ważna do podanej szerokości pasma, która może być częstotliwością -3 dB.

• Dane parametrów S: Jeśli chcesz przeprowadzić jakiekolwiek symulacje ze swoimi złączami, będziesz potrzebować danych parametrów S. Jest to dość ważne w technologiach takich jak PAM4, kanały SerDes czy nowsze standardy szybkiego sygnału (PCIe, GDDR6 itp.), ponieważ te symulacje są ważną częścią walidacji systemu.

• Izolacja pin-do-pin: Złącza płytka-do-płytka RF mogą mieć wszystkie piny całkowicie ekranowane, co nie zawsze ma miejsce w przypadku innych stylów złączy. Te złącza będą miały wysoką izolację i niską liczbę pinów. Zazwyczaj są też większe. Niektóre z tych złączy płytka-do-płytka będą miały dostępne warianty złączy kablowych.

Kiedy potrzebujesz przefiltrować oferty wielu dostawców i znaleźć określone typy złączy płytka-do-płytka, użyj zaawansowanych funkcji wyszukiwania i filtracji w Octopart. Funkcje wyszukiwarki elektroniki w Octopart mogą pomóc Ci wybrać złącza według branży, specyfikacji technicznych, standardu sygnalizacji i wielu innych filtrów, aby dopasować je do Twoich potrzeb. Możesz również uzyskać dostęp do danych cenowych dystrybutorów, zapasów części, specyfikacji części i danych CAD, a wszystko to jest swobodnie dostępne w przyjaznym interfejsie. Zobacz naszą stronę z złączami, aby znaleźć potrzebne komponenty.

Bądź na bieżąco z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się do naszego newslettera.