Hướng dẫn Toàn diện về Cách Chọn Kết nối Board-to-Board

Bất kỳ ai đã từng nhìn vào bên trong một máy tính để bàn cũ và rút một cáp ribbon chắc chắn sẽ quen thuộc với bộ kết nối pin header khiêm tốn. Bộ kết nối này là một cách đơn giản nhưng hiệu quả để kết nối hai bảng mạch với nhau theo cách xếp chồng. Thực tế, nó phổ biến đến mức đã được sử dụng để xây dựng các bảng mạch phụ trợ cho các nền tảng phổ biến như Arduino và Raspberry Pi, cả hai đều đã thành công ngoài không gian của người làm. Trong một lần tương tác gần đây với một khách hàng, tôi đã ngạc nhiên khi thấy họ đã xếp chồng nhiều bảng mạch Raspberry Pi để vận hành một số thiết bị quan trọng, điều này cho thấy tầm quan trọng của các bộ kết nối bảng mạch với nhau trong các hệ thống mô-đun như vậy.

Mặc dù pin header đơn giản, nhưng điều đó không có nghĩa là chúng không hữu ích. Tuy nhiên, chúng không phải là lựa chọn duy nhất, và có nhiều lựa chọn kết nối bảng mạch với nhau cho các hệ thống tốc độ cao/tần số cao, hoặc cho các hệ thống điện áp cao/công suất cao. Những bộ kết nối này tìm thấy ứng dụng của chúng trong các hệ thống đa dạng từ thiết bị quân sự đến thiết bị y tế. Nếu bạn đang áp dụng cách tiếp cận thiết kế mô-đun cho nền tảng phần cứng tiếp theo của mình và bạn cần kết nối nhiều bảng mạch với nhau một cách dễ dàng, hãy xem xét sử dụng kết nối bảng mạch với nhau thay vì cáp. Có nhiều lựa chọn tiết kiệm chi phí trên thị trường có thể đảm bảo tính toàn vẹn tín hiệu và thiết kế chắc chắn trong một loạt các hệ thống.

Các Loại Kết Nối Bảng Mạch với Nhau

Các bộ kết nối bảng mạch với nhau có nhiều hình dạng và kích cỡ khác nhau để tạo cảm giác mô-đun cho hệ thống PCB đa bảng mạch. Có nhiều loại kết nối bảng mạch phổ biến, và các nhà cung cấp khác nhau có các dòng sản phẩm riêng của họ thường rơi vào một trong các danh mục dưới đây:

• Pin headers: Hầu hết các nhà thiết kế đều quen thuộc với sắp xếp pin header 1 hàng hoặc 2 hàng với khoảng cách 1 mm. Có các biến thể của kiểu này, bao gồm cả pin header xếp chồng. Pin header có thể được bảo vệ và khóa (thậm chí là khóa đa điểm) để đảm bảo các chân kết nối khớp nhau khi các bảng mạch được kết nối.

• Mezzanine connectors: Loại kết nối bảng mạch với nhau này kết nối hai bảng mạch in song song trong một cấu hình xếp chồng. Có nhiều kiểu kết nối mezzanine. Lưu ý rằng một pin header có thể được sử dụng như một kết nối mezzanine.

• Edge card connectors: Kiểu kết nối này được biết đến nhiều nhất với ứng dụng của nó trong các thanh RAM và COMs/SoMs. Thực sự, nó có thể được sử dụng cho bất kỳ kết nối bảng mạch với nhau nào dọc theo cạnh bảng mạch, cho dù với bố cục chân kết nối tùy chỉnh hay tiêu chuẩn.

• Backplane connectors: Loại kết nối này xứng đáng có một danh mục riêng, cả vì nhu cầu của nó phải đáp ứng tốc độ dữ liệu cao và cấu trúc rất chắc chắn.

• Standardized connectors: Một số kết nối có thể được phát triển để đáp ứng các tiêu chuẩn ngành cụ thể ngoài các kiểu kết nối cạnh cho các thẻ bổ sung. Các tổ chức đặt ra tiêu chuẩn cụ thể cho các kiểu kết nối bao gồm VITA (cho backplanes), PCI-SIG (thẻ PCIe), IEEE (ví dụ, tiêu chuẩn 1386 cho mezzanine), JTAG, PC/104 (pin headers hình vuông), và các tổ chức khác.

Có nhiều kết nối khác không rơi vào một trong các danh mục trên. Hình ảnh dưới đây cho thấy một ví dụ về một số sản phẩm điển hình thuộc các danh mục này.

Hình ảnh trên chỉ là một phần nhỏ trong số tất cả các loại kết nối board-to-board khác nhau có trên thị trường. Rõ ràng, có nhiều biến thể của các kết nối này với số lượng chân/pad, kiểu khóa/vỏ bảo vệ, phong cách lắp đặt (SMD so với xuyên lỗ), và các thông số kỹ thuật khác nhau. Khi bạn đang xem qua trang web của một nhà cung cấp hoặc lọc qua một công cụ tìm kiếm linh kiện, có một số cách khác nhau mà nhà cung cấp sẽ phân loại các linh kiện của họ.

Ứng Dụng Điện

Trong những loại kết nối board-to-board khác nhau này, chúng có thể được phân loại là cứng cáp, tốc độ cao, tần số cao, dòng điện/điện năng cao, hoặc một số danh hiệu khác. Điều này chủ yếu là ngôn ngữ tiếp thị vì không có định nghĩa chung nào về kết nối tốc độ cao, kết nối điện năng cao, v.v. Một ngoại lệ quan trọng là kết nối backplane, được định nghĩa chặt chẽ trong các tiêu chuẩn ANSI/VITA, nơi các kiểu cụ thể kết hợp với các phương tiện khác nhau (đồng, sợi quang, hoặc cáp đồng trục). Một kiểu kết nối được chuẩn hóa cao khác là kết nối mezzanine IEEE 1386.

Ứng Dụng Cứng Cáp

Như trường hợp với nhiều thành phần khác, các nhà cung cấp sẽ nhắm đến các ngành cụ thể với sản phẩm của họ và sẽ cố gắng nhắm đến các ứng dụng cụ thể trong những ngành đó. Kết quả là, bạn sẽ thấy các kiểu kết nối board-to-board có thể được cứng cáp hóa với vỏ bảo vệ bằng nhựa cứng khi chúng nhắm đến các lĩnh vực như ô tô, hàng không vũ trụ, hệ thống công nghiệp, hoặc sản phẩm điện. Nói chung, bạn thường có thể tìm thấy một phiên bản cứng cáp của một kết nối tiêu chuẩn có cùng bố trí chân, phong cách lắp đặt, và khoảng cách giữa các chân như biến thể ít cứng cáp của nó.

Chọn Kết Nối Board-to-Board

Bây giờ chúng ta có thể xem xét một số điểm cần xem xét khi chọn kết nối board-to-board. Đầu tiên, hãy xem xét một số thông số kỹ thuật, sau đó chúng ta có thể suy nghĩ về lợi ích của các kiểu kết nối khác nhau.

Thông Số Kỹ Thuật Kết Nối Board-to-Board

Kết nối board-to-board có một số thông số kỹ thuật điện cần được xem xét ngoài chỉ kiểu kết nối:

• Khoảng cách và số lượng chân: Trừ khi bạn thiết kế cho một ứng dụng cụ thể, hoặc bạn cần tốc độ cao/tần số cao hoặc dòng điện cao, bạn có thể sẽ bắt đầu bằng cách xem xét khoảng cách/số lượng chân cần thiết trong bộ kết nối. Với tín hiệu tốc độ thấp và công suất thấp, hầu như mọi bộ kết nối đều có thể xử lý yêu cầu về công suất của bạn trong khi đảm bảo tính toàn vẹn của tín hiệu.

• Khả năng xử lý công suất: Thông thường được trích dẫn là dòng điện tại một điện áp cụ thể trên mỗi chân. Hầu hết các bộ kết nối có thể xử lý một vài Ampere tại các điện áp ứng dụng thông thường. Hãy chắc chắn kiểm tra điện áp vì thường thấy việc cung cấp cả điện và dữ liệu qua một cáp; bạn sẽ muốn đảm bảo rằng công suất của bạn không vượt quá mức đánh giá về điện áp.

• Tiêu chuẩn điều chỉnh: Bất kỳ tiêu chuẩn nào trong ngành về bộ kết nối có thể điều chỉnh hình dạng (một số ví dụ đã được thảo luận ở trên), hoặc chúng có thể bao gồm các quy định về kiểm tra và ứng dụng. Hãy chắc chắn kiểm tra những điều này để đảm bảo kiểu bộ kết nối của bạn sẽ tuân thủ.

• Đánh giá môi trường: Các thông số kỹ thuật bao gồm biến đổi công suất với chu kỳ độ ẩm, tiếp xúc với khí gas, và kiểm tra ở nhiệt độ cao. Điều này cho bạn một ý tưởng tốt về nơi có thể sử dụng bộ kết nối để đảm bảo độ tin cậy.

• Giới hạn tốc độ dữ liệu/tần số: Đối với các kênh dữ liệu tốc độ cao, bạn sẽ thấy một giới hạn tốc độ dữ liệu được khuyến nghị, mà nhà cung cấp sẽ xác định thông qua kiểm tra rộng rãi. Giới hạn tốc độ dữ liệu chỉ là một khuyến nghị, và bạn có thể vượt qua những giới hạn này trong hệ thống của mình. Hãy chắc chắn kiểm tra kỹ lưỡng hệ thống của bạn nếu bạn dự định vi phạm một thông số kỹ thuật về tốc độ dữ liệu/tần số.

• Thông số kỹ thuật cơ khí: Bảng dữ liệu bộ kết nối từ bo mạch này sang bo mạch khác chất lượng cao có thể bao gồm một số dữ liệu về sốc cơ học, rung động, lực kéo, hoặc các thông số khác giúp nhà thiết kế hiểu về độ bền. Lưu ý rằng những thông số này có thể được liệt kê như là kết quả kiểm tra nhằm tuân thủ một số tiêu chuẩn ngành nào đó.

• Hình dạng: Một số bộ kết nối từ bo mạch này sang bo mạch khác (như bộ kết nối cạnh) có thể khá cồng kềnh. Các bộ kết nối khác được thiết kế cụ thể để có hồ sơ thấp, như dòng BM20 của bộ kết nối mezzanine hồ sơ thấp từ Hirose. Hãy chú ý đến hình dạng và yêu cầu về vỏ bọc trong hệ thống của bạn.

Các kiểu khác nhau được trình bày trong phần trước có thể là một yếu tố hạn chế vì bạn có thể cần giao tiếp với một hệ thống hiện có, vì vậy bạn sẽ không có tự do lựa chọn bất kỳ bộ kết nối nào. Trong nhiều trường hợp, việc xem xét bắt đầu với một số hạn chế về điện hoặc cơ khí, tiếp theo là chọn hình dạng hoặc kiểu bộ kết nối bạn cần để đáp ứng yêu cầu về hồ sơ/vỏ bọc của mình.

Nếu bạn có tự do lựa chọn kiểu và hình dạng bộ kết nối, có một số ưu điểm của từng loại bộ kết nối cần được xem xét.

Ưu điểm của Một Số Kiểu Bộ Kết Nối Từ Bo Mạch này Sang Bo Mạch Khác

Với rất nhiều kiểu bộ kết nối từ bo mạch này sang bo mạch khác trên thị trường, không thể cung cấp một so sánh đầy đủ giữa mọi loại bộ kết nối. Tuy nhiên, có một số điểm cơ bản cần hiểu về các kiểu bộ kết nối khác nhau cho thấy ưu và nhược điểm của chúng trong các hệ thống khác nhau.

Kết nối cạnh

Kết nối cạnh sử dụng các tiếp xúc trượt để tạo ra một kết nối điện, và những tiếp xúc này có thể bị mòn sau khi thực hiện nhiều lần kết nối. Sự mòn có thể xảy ra ở phía thẻ hoặc phía ổ cắm. Nếu bo mạch cần được kết nối và tháo rời liên tục, các kiểu thay thế có thể là lựa chọn tốt hơn vì nhiều trong số chúng sẽ có tuổi thọ tiếp xúc lâu hơn.

Kiểu hoàn toàn bao bọc hoặc Coaxial

Một số kết nối có kiểu coaxial cho phép truyền tải công suất cao, cung cấp lớp chắn, và lợi ích cho các hệ thống RF (xem bên dưới). Các kết nối hoàn toàn bao bọc là lý tưởng cho các ứng dụng công suất cao và sẽ có xếp hạng dòng điện cao hơn nhiều mà không cần quá lớn trên bo mạch. Đây là một lựa chọn tốt hơn so với một tiêu đề pin, có thể có xếp hạng dòng điện thấp như 1 A và không có dữ liệu tốc độ cao/RF hữu ích.

Kiểu kết nối ngang có hồ sơ thấp

Hướng kết nối của bạn có thể cho phép các bo mạch song song, nhưng bo mạch có thể được tháo rời theo chiều ngang thay vì chiều dọc. Ví dụ, kết nối Hirose được hiển thị ở trên yêu cầu tháo rời theo chiều dọc, nhưng có các kết nối cạnh và kết nối mezzanine cho phép chèn/tháo theo chiều ngang trong khi vẫn duy trì hồ sơ thấp. Điều này có thể vô giá trong các ứng dụng có hồ sơ thấp nơi cần truy cập vào thẻ bổ sung.

Khối Tiêu Đề Pin

Nếu bạn không lo lắng về dòng điện cao, cách ly cao, hoặc tính chính xác tín hiệu cao, các tiêu đề pin có thể xếp chồng lên nhau là một cách tuyệt vời để thêm nhiều cấp độ tính mô-đun cho hệ thống của bạn. Các khối tiêu đề pin có thể được chọn sao cho chúng có thể xếp chồng lên nhau, cho phép nhiều thẻ được đặt trên một bus hoặc cho phép cung cấp điện cho nhiều bo mạch song song. Nếu bạn cần truy cập dữ liệu ở mỗi mô-đun, hãy đảm bảo rằng các chân kết nối phù hợp xuyên suốt chồng tiêu đề pin.

Về Tốc độ và Tần số Cao?

Ở tốc độ/tần số cao đạt đến cấp Gbps/GHz, tính chính xác tín hiệu trở thành một điểm quan trọng cần xem xét khi chọn kết nối bo mạch với bo mạch. Tìm kiếm một số chỉ số sau trong bảng dữ liệu hoặc từ các trang hỗ trợ của nhà sản xuất của bạn:

• Trở kháng: Các loại đầu nối RF với cấu trúc đồng trục sẽ có trở kháng được chỉ định vì chúng cần phải kết nối với trở kháng hệ thống cụ thể. Thông số trở kháng có giá trị đến tần số băng thông được nêu, có thể là tần số -3 dB.

• Dữ liệu tham số S: Nếu bạn muốn thực hiện bất kỳ loại mô phỏng nào với các đầu nối của mình, thì bạn sẽ cần dữ liệu tham số S. Điều này khá quan trọng với các công nghệ như PAM4, kênh SerDes, hoặc các tiêu chuẩn tín hiệu tốc độ cao mới (PCIe, GDDR6, v.v.) vì những mô phỏng này là một phần quan trọng của việc xác nhận hệ thống.

• Cách ly từ chân này sang chân khác: Các đầu nối từ bảng này sang bảng khác RF có thể có tất cả các chân được bảo vệ hoàn toàn, điều này không phải lúc nào cũng đúng với các kiểu đầu nối khác. Những đầu nối này sẽ có độ cách ly cao và số lượng chân thấp. Chúng cũng có xu hướng to hơn. Một số đầu nối từ bảng này sang bảng khác này sẽ có các biến thể đầu nối cáp có sẵn.

Khi bạn cần lọc qua nhiều nhà cung cấp và tìm kiếm các loại đầu nối từ bảng này sang bảng khác cụ thể, hãy sử dụng các tính năng tìm kiếm và lọc nâng cao trong Octopart. Các tính năng tìm kiếm linh kiện điện tử trong Octopart có thể giúp bạn chọn đầu nối theo ngành công nghiệp, thông số kỹ thuật, tiêu chuẩn tín hiệu và nhiều bộ lọc khác phù hợp với nhu cầu của bạn. Bạn cũng có thể truy cập dữ liệu giá của nhà phân phối, hàng tồn kho, thông số kỹ thuật của linh kiện, và dữ liệu CAD, và tất cả đều dễ dàng truy cập trong giao diện thân thiện với người dùng. Hãy xem trang đầu nối của chúng tôi để tìm các linh kiện bạn cần.

Hãy cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.