Как спроектировать распиновку разъема для вашей печатной платы

Показанный выше разъем DVI имеет очень конкретный распиновку, которую необходимо реализовать при маршрутизации разъема, если вы хотите использовать этот интерфейс на вашей печатной плате. То же самое относится к любому другому разъему, который используется для подачи питания, земли и сигналов через стандартизированный интерфейс. Ethernet, USB, HDMI и многие другие протоколы имеют определенную распиновку, которую следует использовать для обеспечения взаимодействия между различными устройствами.

Хотя распиновки для общих протоколов стандартизированы, бывают случаи, когда у вас есть много свободы для разработки собственной распиновки. Предположим, вы разрабатываете соединение плата-к-плате или собственный интерфейс для другой платы; у вас есть свобода проектировать соединение так, как вы считаете нужным. Так как же это сделать и на что следует обратить внимание при проектировании распиновки разъема? Мы рассмотрим некоторые важные моменты, связанные с разъемами, в этой статье.

Начало работы над проектированием распиновки разъема

При проектировании распиновки разъема следует учитывать несколько важных моментов, таких как:

• Какова длина соединения, которое вам нужно сделать? Это короткое соединение плата-к-плате или вы передаете сигналы по длинному кабелю?
• С какими частотами вы работаете (для аналоговых сигналов) или каково время нарастания сигнала (для цифровых сигналов)?
• Вы прокладываете дифференциальные пары или однополярные сигналы?
• Вам нужно достичь определенного импеданса, или соединение настолько короткое, что импеданс не имеет значения?

Что интересно, так это то, что маршрутизация через разъем не сильно отличается от маршрутизации по печатной плате. Вы можете столкнуться с теми же проблемами целостности сигнала, проблемами несоответствия импеданса и проблемами потери сигнала, какие могут возникнуть на высокоскоростной печатной плате.

Если вы никогда не проектировали распиновку или вам интересно, почему ваша любимая разработческая плата использовала определенную распиновку, полезно разобрать некоторые конкретные случаи. На данный момент я рассмотрю, что происходит с различными частотами и типами сигналов, и мы сможем определить некоторые хорошие практики проектирования для распиновки разъема.

Подключения постоянного тока

Если вам просто нужно соединить постоянный ток между двумя платами или через кабель, основным критерием является общий ток, который вам нужно передать. Штыревые разъемы и аналогичные разъемы для легких нагрузок могут обеспечить небольшой максимальный ток на контакт (типично ~1 А). Если вам нужно передать больший ток для данного напряжения, то это напряжение должно распределяться по нескольким контактам. Еще одно, что вы можете сделать, это передавать несколько напряжений через один разъем, что является тем же подходом, который используется в блоках питания настольных компьютеров.

Распиновка разъемов для систем постоянного тока должна обеспечивать сигнал заземления вдоль соединения. Будьте внимательны к этому сигналу заземления, поскольку это плоскость отсчета на плате, и она должна будет передавать возвратный ток, поэтому вам следует подобрать размер проводки и количество проводов соответственно. Рекомендуется не пытаться использовать соединение GND для соединения двух разных земляных контуров на двух разных платах, особенно если они находятся в разных сетевых цепях и разделены на некоторое расстояние. Вы рискуете создать короткое замыкание между двумя точками, которое пропустит столько тока, что кабель расплавится. Это происходит из-за смещения постоянного тока земли, которое естественно существует между разными точками в электрической сети.

Низкая частота/Низкая скорость

Надеюсь, к этому моменту вы уже поняли, что понятия низкой частоты и низкой скорости являются относительными: важна длина соединения и необходимость согласования импеданса. Для цифровой шины низкой скорости, находящейся в диапазоне 5-10 нс, возможно, вам не придется беспокоиться о таких вещах, как перекрестные помехи или отражения, если соединение достаточно короткое и вы включили хотя бы одну линию GND в распиновку разъема. Убедитесь, что если вы подключаете питание к распиновке разъема, вы следуете тем же правилам, что и для разъемов постоянного тока.

На разъемах с большим количеством контактов или других соединителях с длинным рядом контактов некоторые сигналы будут источником ЭМИ, когда они находятся на большом расстоянии от контакта заземления. Аналогично, эти сигналы могут легче принимать перекрестные помехи, особенно если вы используете ленточный кабель или другой плоский кабель. В приведенном ниже примере используется 14-контактный разъем, в котором земля чередуется с некоторыми вводами/выводами. Размещая GND между группами контактов, заземление будет обеспечивать защиту от помех и помогать блокировать ЭМИ. Этот пример может быть использован с длинным разъемом, если это необходимо. Для соединения платы с платой вы определенно можете удалить некоторые контакты GND, и с точки зрения шума у вас все равно должно быть все в порядке, просто потому что расстояние такое короткое.

Высокая частота/Высокая скорость

При работе с высокоскоростными/высокочастотными сигналами, конфигурация, подобная вышеописанной, все еще приемлема, но обычно вы работаете с дифференциальными парами. В этом случае лучше всего предусмотреть пары заземляющих контактов для предотвращения перекрестных помех между дифференциальными парами. В любом случае, большее количество контактов заземления будет вашим союзником, поскольку они обеспечивают дополнительное экранирование и помогают минимизировать любые несоответствия импеданса, которые могут возникнуть. Для высоких частот, например, в диапазоне ГГц, вы не должны (или по крайней мере не следует) использовать простой штыревой разъем. Коаксиальный (U.FL) разъем будет лучшим выбором для РЧ-сигнала, в то время как другие сигналы и питание могут быть подключены через свой собственный разъем.

Выбор разъемов

Если вам нужно найти разъем, который сможет обеспечить необходимый вам ток, частоту/ширину полосы, конкретный стандарт сигнализации или все вышеперечисленное, на рынке существует множество вариантов разъемов. Обязательно проверьте технические описания на важные характеристики; вы также можете прочитать руководство на Octopart по этой ссылке. Если вы не уверены, какой разъем вам следует использовать, зайдите на веб-сайт производителя разъемов; они маркируют свои продукты по применению (высокий ток, РЧ/микроволновые и т.д.), чтобы вы могли сузить поиск до лучшего компонента для вашего проекта.

Наконец, обратите внимание на любой кожух и контакт 1, когда вы располагаете разъемы для ваших компонентов! Вы бы удивились, как часто пользовательская распиновка оказывается перепутанной между двумя разъемами с кожухом, и исправить это на готовой плате невозможно; вам придется пересобрать кабель. Это одна из тех вещей, когда наличие разъемов перед собой может помочь убедиться, что вы правильно определяете распиновку разъема.

После того, как вы выбрали разъем для вашей печатной платы и спроектировали распиновку разъема, вы можете начать создание схем с использованием программы для проектирования печатных плат, такой как CircuitMaker. Пользователи могут создавать собственные символы схем для своих распиновок разъемов, или вы можете найти стандартные разъемы во встроенных базах данных компонентов. Все пользователи CircuitMaker также имеют доступ к личному рабочему пространству на платформе Altium 365, где они могут загружать и хранить данные проектов в облаке, а также легко просматривать проекты через веб-браузер на защищенной платформе.

Начните использовать CircuitMaker сегодня и оставайтесь на связи, чтобы узнать о новом CircuitMaker Pro от Altium.