Jak zaprojektować rozmieszczenie pinów złącza dla Twojej PCB

Złącze DVI przedstawione powyżej ma bardzo specyficzne rozmieszczenie pinów, które musi być zaimplementowane podczas projektowania złącza, jeśli chcesz użyć tego interfejsu na swojej płytce PCB. To samo dotyczy każdego innego złącza, które służy do dostarczania zasilania, masy i sygnałów przez znormalizowany interfejs. Ethernet, USB, HDMI i wiele innych protokołów ma określone rozmieszczenie pinów, które powinno być stosowane, aby zapewnić interoperacyjność między różnymi urządzeniami.

Chociaż rozmieszczenie pinów dla powszechnych protokołów jest ustandaryzowane, są momenty, kiedy masz dużą swobodę w projektowaniu własnego rozmieszczenia pinów. Załóżmy, że projektujesz połączenie płyta-do-płyty lub niestandardowy interfejs do innej płyty; masz wolność projektowania połączenia według własnego uznania. Jak więc dokładnie powinieneś to zrobić i na co zwracać uwagę przy projektowaniu rozmieszczenia pinów złącza? Przejdziemy przez kilka ważnych punktów projektowych dotyczących złącz w tym artykule.

Rozpoczynanie pracy nad projektem rozmieszczenia pinów złącza

Istnieje kilka ważnych punktów, które należy wziąć pod uwagę w projekcie rozmieszczenia pinów złącza, takie jak:

• Jaka jest długość połączenia, które musisz wykonać? Czy to krótkie połączenie płyta-do-płyty, czy przesyłasz sygnały przez długi kabel?
• Z jakimi częstotliwościami pracujesz (dla sygnałów analogowych) lub jaki jest czas narastania sygnału (dla sygnałów cyfrowych)?
• Czy realizujesz połączenia par różnicowych czy sygnałów jednostronnych?
• Czy musisz osiągnąć konkretny cel impedancji, czy połączenie jest na tyle krótkie, że impedancja nie ma znaczenia?

Co ciekawe, prowadzenie sygnału przez złącze nie różni się wiele od prowadzenia go przez PCB. Możesz napotkać te same problemy z integralnością sygnału, problemami niedopasowania impedancji i problemami z utratą sygnału, jakie mogą wystąpić w szybkich PCB.

Jeśli nigdy nie projektowałeś rozmieszczenia pinów, lub zastanawiasz się, dlaczego twoja ulubiona płyta rozwojowa użyła określonego rozmieszczenia pinów, pomocne jest przeanalizowanie niektórych konkretnych przypadków. Na razie przyjrzymy się, co dzieje się przy różnych częstotliwościach i typach sygnałów, i możemy określić kilka dobrych praktyk projektowych dla rozmieszczenia pinów złącza.

Połączenia stałoprądowe

Jeśli chodzi tylko o przesyłanie prądu stałego (DC) między dwiema płytami lub przez kabel, głównym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę, jest całkowity prąd, który musisz przesłać. Złącza typu pin header i podobne złącza lekkiego obciążenia mogą pomieścić mały maksymalny prąd na pin (~1 A jest typowe). Jeśli musisz przesłać większy prąd dla danej napięcia, wówczas to napięcie musi być rozłożone na wiele pinów. Inną rzeczą, którą możesz zrobić, jest przesyłanie wielu napięć przez pojedyncze złącze, co jest podejściem stosowanym w zasilaczach komputerów stacjonarnych.

Rozmieszczenie pinów złącza dla systemów DC powinno zapewniać sygnał masy wzdłuż połączenia. Bądź świadomy tego sygnału masy, ponieważ jest to płaszczyzna odniesienia na pokładzie, i będzie musiała przewodzić prąd zwrotny, więc powinieneś odpowiednio dobrać wielkość okablowania i liczbę przewodów. Zaleca się, aby nie próbować używać połączenia GND do łączenia dwóch różnych mas ziemnych na dwóch różnych płytach, szczególnie jeśli są one na różnych obwodach sieciowych i oddzielone na pewną odległość. Ryzykujesz stworzenie zwarcia między dwoma punktami, które przewodzi tak duży prąd, że stopi kabel. Dzieje się tak z powodu naturalnie występującego przesunięcia masy DC między różnymi punktami w sieci elektrycznej.

Niska częstotliwość/Niska prędkość

Mam nadzieję, że do tej pory zrozumiałeś, że niska częstotliwość i niska prędkość to wszystko względne: to, co ma znaczenie, to długość połączenia i czy wymagana jest impedancja. Dla cyfrowej magistrali niskiej prędkości, coś w zakresie 5-10 ns, możesz nie musieć martwić się o takie rzeczy jak przeploty czy odbicia, pod warunkiem, że połączenie jest wystarczająco krótkie i zawierasz przynajmniej 1 linię GND w rozkładzie pinów złącza. Upewnij się, że jeśli wprowadzasz zasilanie do rozkładu pinów złącza, postępujesz zgodnie z tymi samymi zasadami, co dla złącz DC.

W przypadku złącz z dużą liczbą pinów lub innych konektorów z długą linią pinów, niektóre sygnały będą źródłem EMI, gdy znajdują się daleko od pinu uziemienia. Podobnie, te sygnały mogą łatwiej odbierać przeplot, szczególnie jeśli używasz taśmy kablowej lub innego płaskiego kabla. Poniższy przykład wykorzystuje 14-pinowe złącze, które ma uziemienie przeplecione między niektórymi IO. Umieszczając GND między grupami pinów, GND zapewni ekranowanie przed zakłóceniami i pomoże blokować EMI. Ten przykład może być użyty z długim konektorem, jeśli jest to potrzebne. W przypadku połączenia płyta-płyta, zdecydowanie można usunąć niektóre z pinów GND i nadal powinno być w porządku z perspektywy szumów, po prostu dlatego, że odległość jest tak krótka.

Wysoka Częstotliwość/Wysoka Prędkość

Przy sygnałach o wysokiej prędkości/częstotliwości, coś podobnego do powyższego rozmieszczenia pinów jest nadal w porządku, ale zazwyczaj pracuje się z parami różnicowymi. W takim przypadku najlepiej jest zapewnić pary pinów masowych, aby zapobiec przeplotowi między parami różnicowymi. W każdym przypadku, więcej pinów masowych to twoi przyjaciele, ponieważ zapewniają one lepsze ekranowanie i pomagają zminimalizować wszelkie niezgodności impedancji, które mogą się pojawić. Dla wysokich częstotliwości, takich jak w zakresie GHz, nie powinno się (a przynajmniej nie powinno) używać prostego nagłówka pinowego. Złącze koaksjalne (U.FL) byłoby najlepszym wyborem dla sygnału RF, podczas gdy inne sygnały i zasilanie mogłyby być przekierowane przez własne złącze.

Wybór złączy

Jeśli potrzebujesz znaleźć złącze, które będzie w stanie obsłużyć wymagany przez Ciebie prąd, pasmo częstotliwości/szerokość pasma, konkretny standard sygnalizacji lub wszystkie te wymagania, na rynku dostępnych jest wiele opcji złączy. Upewnij się, że sprawdzasz karty katalogowe pod kątem ważnych specyfikacji; możesz również przeczytać przewodnik na Octopart z tego linku. Jeśli nie jesteś pewien, które złącze powinieneś użyć, przejdź na stronę producenta złączy; będą oni oznaczać swoje produkty według zastosowania (wysoki prąd, RF/mikrofale itp.), dzięki czemu będziesz mógł zawęzić wybór do najlepszego komponentu dla swojego projektu.

Ostatnia, ale nie mniej ważna kwestia, zwróć uwagę na wszelkie osłony i pin 1, kiedy układasz rozmieszczenie pinów złącza dla swoich komponentów! Zdziwiłbyś się, jak często niestandardowe rozmieszczenie pinów zostaje odwrócone między dwoma złączami z osłonami, i nie ma sposobu, aby to poprawić na gotowej płytce; zamiast tego będziesz musiał zbudować kabel od nowa. To jedna z tych rzeczy, przy których może pomóc posiadanie złączy przed sobą, aby upewnić się, że poprawnie definiujesz rozmieszczenie pinów złącza.

Po wybraniu złącza do swojej płytki PCB i zaprojektowaniu rozmieszczenia pinów złącza, możesz rozpocząć budowanie schematów przy użyciu programu do projektowania PCB, takiego jak CircuitMaker. Użytkownicy mogą tworzyć własne symbole schematyczne dla swoich rozmieszczeń pinów złącza, lub można znaleźć standardowe złącza w wbudowanych bazach części. Wszyscy użytkownicy CircuitMaker mają również dostęp do osobistej przestrzeni roboczej na platformie Altium 365, gdzie mogą przesyłać i przechowywać dane projektowe w chmurze oraz łatwo przeglądać projekty za pomocą przeglądarki internetowej na bezpiecznej platformie.

Zacznij używać CircuitMaker już dziś i bądź na bieżąco z nowym CircuitMaker Pro od Altium.