Nutzung von Highspeed-Platinensteckverbindern für höhere Schaltungsdichte und Performance

Elektronische Geräte werden immer kleiner, während die Datenraten steigen. Für Entwickler bedeuten diese Trends, dass sie mehr Schaltkreise auf kleinerem Raum unterbringen müssen, ohne dass Datenraten, Zuverlässigkeit und Signalintegrität beeinträchtigt werden. Entwickler müssen auch den Luftstrom für die Kühlung und die räumliche Trennung berücksichtigen, um elektromagnetische Störungen (EMI) zu minimieren.

Eine verbreitete Lösung zur Erhöhung der Schaltungsdichte ist die Stapelung von Platinen. Durch die Verwendung von Tochter- und Mezzanine-Karten wird mehr Platz auf der Platine gewonnen, während gleichzeitig Pfade für die Kühlung und Signalisolierung bereitgestellt werden.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über die Herausforderungen, denen sich Entwickler von Highspeed-Schaltungen gegenübersehen. Anschließend werden Platinensteckverbinder von Würth Elektronik vorgestellt und gezeigt, wie sie für zuverlässige Signalverbindungen unter Wahrung der Signalintegrität eingesetzt werden können.

Mezzanine-Karten

Ein Mezzanine-Kartenlayout besteht aus zwei parallelen, übereinander gestapelten Platinen, die über Platinensteckverbinder miteinander verbunden sind (Abbildung 1, links).

Abbildung 1: Beispiele für eine Reihe von Mezzanine-Platinen (links); Sekundärplatinen können über Steckverbinder oder mit oberflächenmontierbaren oder per Gewinde montierbaren Abstandshaltern (rechts) montiert werden. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Diese Anordnung von zwei Zusatzplatinen auf einem Board bietet zusätzlichen Platz für Schaltungen. Er kann verwendet werden, um den volumetrischen Wirkungsgrad zu erhöhen, die Austauschbarkeit zu ermöglichen oder eine physische Trennung vorzunehmen, um den Luftstrom zu verbessern und EMI zu reduzieren. Platinensteckverbinder verbinden die Boards miteinander; es werden keine Kabel verwendet. Mezzanine-Platinensteckverbinder bieten eine Reihe von Stapelhöhen, die den Abstand zwischen den Boards bestimmen. Die oberen Platinen können durch den Steckverbinder gestützt und gehalten oder mit oberflächenmontierten oder mit Gewinde versehenen Abstandshaltern befestigt werden, um eine höhere Vibrations- und Stoßfestigkeit zu erreichen (Abbildung 1, rechts).

Überlegungen zur Signalintegrität

Die Signalintegrität beschreibt, wie ein Signal verzerrt oder abgeschwächt wird, wenn es über einen Steckverbinder von einer Platine zu einer anderen übertragen wird. Einige dieser Effekte, wie z. B. der Kontaktwiderstand, sind nicht frequenzabhängig und können leicht berücksichtigt und korrigiert werden.

Zwei wichtige frequenzabhängige Parameter für die Signalintegrität sind jedoch der Reflexionskoeffizient (ρ) und der Übertragungskoeffizient (t) (Abbildung 2). Der Übertragungskoeffizient wird in der Regel als Einfügedämpfung in Dezibel (dB) angegeben. Der Reflexionskoeffizient (Rückflussdämpfung) ist darauf zurückzuführen, dass Datensignale zur Quelle reflektiert werden, wenn ein Impedanzsprung auftritt. Die Einfügungsdämpfung quantifiziert die Dämpfung auf dem Übertragungsweg. Beide sind abhängig von der Impedanz des Steckers (Z_CAB) im Verhältnis zur Leitungsimpedanz der Leiterplatte (Z_s).

Abbildung 2: Die Rückflussdämpfung und die Einfügedämpfung sind abhängig von der Impedanz des Steckers im Verhältnis zur Leitungsimpedanz der Platine. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Der Übertragungsverlust verringert die Signalamplitude beim Durchgang durch den Steckverbinder und ist proportional zur Weglänge und der Geometrie des Steckverbinders. Ein Teil der Energie kann auch durch Nahnebensprechen (NEXT) oder Fernnebensprechen (FEXT) verloren gehen. Die Rückflussdämpfung und der Übertragungskoeffizient sind frequenzabhängige Parameter, die von der Differenz zwischen der Impedanz des Steckers (modelliert als Kabel) und der Impedanz der Übertragungsleitung auf der Platine abhängen, die in diesem Beispiel mit 50 Ω angenommen wird. Die Reflexions- und Übertragungskoeffizienten werden durch die dargestellten Gleichungen definiert.

Die Grafik in Abbildung 2 zeigt die Veränderung dieser Parameter in Abhängigkeit von der Impedanz des Steckverbinders (Kabels). Wenn die Impedanz des Steckverbinders 50 Ω beträgt, ist die theoretische Rückflussdämpfung gleich Null, und der Übertragungskoeffizient beträgt 100%, was bedeutet, dass keine Verluste auftreten. Wenn die Impedanz des Steckers von 50 Ω abweicht, variieren die Parameter proportional zur Abweichung von 50 Ω und zur Frequenz. In einem Steckverbinder hängt die Impedanz von dem verwendeten Isoliermaterial und der Geometrie der Kontaktstifte ab, einschließlich ihrer Breite, Länge und ihres Abstands (Rastermaß). Sie wird auch durch die Verdrahtung der benachbarten Stifte beeinflusst.

Es gibt zwei gängige Verdrahtungskonfigurationen für die Highspeed-Datenübertragung (Abbildung 3): referenzbezogen, wobei das Datensignal auf Masse bezogen ist, und differenziell, mit zwei komplementären Signalleitungen; die Amplitude des Datensignals ist die Differenz ihrer Spannungen. Die Konfiguration für Differenzsignale wird verwendet, um Rauschen und Interferenzen auf den beiden Signalleitungen zu reduzieren. Im Allgemeinen werden Differenzsignale bei den höchsten Datenraten verwendet. Datensignale werden in der Regel mit einem oder mehreren Massesignalen gepaart, um die Aufnahme von Rauschen zu reduzieren.

Abbildung 3: Die Abbildung zeigt drei gängige Signalverdrahtungskonfigurationen, die die Verwendung von Zwischenerdungsleitern zur Verringerung von Rauschen und Störeinstreuungen veranschaulichen. (Bildquelle: Würth Elektronik, modifiziert vom Autor)

Die referenzbezogene Verkabelung ist in der Regel für einen Wellenwiderstand von 50 Ω ausgelegt, während die Verkabelung für Differenzsignale für 100 Ω ausgelegt ist. Die Pinbelegung des Steckverbinders auf der Platine kann die Performance der Erdungsleiter beeinflussen.

Unter dem Gesichtspunkt der Signalintegrität müssen Platinensteckverbinder so ausgelegt sein, dass sie bestimmte Impedanzen und Datenraten unterstützen.

Beispiele für Platinensteckverbinder

Eine gute Option für Signalsteckverbinder in Highspeed-Datenanwendungen ist die Serie WR-BTB von Würth Elektronik. Es handelt sich um oberflächenmontierbare Platinensteckverbinder, die mit 40, 80 oder 100 Pins und einem Raster von 0,80 mm sowie mit 64 Pins und einem Raster von 1,00 mm erhältlich sind. Die 64-poligen Steckverbinder mit einem Raster von 1,00 mm sind mit den Anforderungen der IEEE 1386 für Mezzanine-Steckverbinder kompatibel. Die Steckverbinder im 0,80-mm-Raster sind polarisiert, um ein verkehrtes Stecken zu verhindern. Für jede Pinanzahl sind mehrere Stapelhöhen verfügbar.

Alle Steckverbinder der Serie WR-BTB verfügen über selektiv vergoldete Kontakte aus Kupferlegierung mit einem Übergangswiderstand von 50 mΩ oder weniger, je nach Anzahl der Pins. Die Gehäuse der Steckverbinder bestehen aus garantiert halogenfreiem Kunststoff, was sie umweltfreundlicher macht, ohne Abstriche bei der Festigkeit, dem elektrischen Widerstand, der Löttemperaturbeständigkeit bei der Platinenbestückung oder der Brandschutzklasse zu machen. Sie sind für einen Temperaturbereich von -55°C bis 85°C ausgelegt. Außerdem sind sie RoHS-3-konform.

Im Gegensatz zu HF-Steckverbindern haben WR-BTB-Steckverbinder keine feste charakteristische Impedanz; sie hängt unter anderem von den Kontaktabmessungen, der Dielektrizitätskonstante der darunter liegenden Platine und dem Verdrahtungslayout der Leiterplatte ab. Die WR-BTB-Steckverbinder minimieren Signalreflexionen in Highspeed-Platinensystemen für referenzbezogene Übertragungsleitungen bei 50 Ω oder Übertragungsleitungen für Differenzsignale bei 100 Ω. Die Steckverbinder mit 0,8 und 1 mm Rasterabstand sind beispielsweise mit PCIe-2.0-Signalen oder USB-2.0-Differenzsignalen mit 480 Megabit pro Sekunde (Mbit/s) kompatibel.

Ein Beispiel für ein spezifisches Stecker/Buchsen-Paar der Serie WR-BTB ist der 64-polige Stecker 658158303064 (Abbildung 4, links) und die zugehörige Buchse 658101003064 (Abbildung 4, rechts). Es handelt sich um verkleidete 64-polige Steckverbinder mit einem Raster von 1,00 mm und einer Kontaktbreite von 0,30 mm. Die Steckverbinder sind für eine Betriebsspannung von 100 V_AC und einen Strom von 1000 Milliampere (mA) ausgelegt. Der maximale Kontaktwiderstand dieser Steckverbinder beträgt 30 mΩ. Beide Steckverbinder verfügen über integrierte Leiterplattenführungen für die Oberflächenmontage und enthalten PnP-Clips (PnP = Pick-and-Place, Bestückung). Diese bieten eine flache Oberfläche für die Vakuumdüsen der PnP-Maschinen, um die Stecker aufzunehmen, ohne die Kontakte zu beschädigen.

Abbildung 4: Abgebildet ist ein 64-poliges Stecker/Buchsen-Paar im Raster 1,0 mm mit PnP-Clips. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Die höchste verfügbare Pinanzahl in dieser Produktfamilie beträgt 100 Pins, wie z. B. beim 100-Pin-Stecker 658855603100 im 0,80-mm-Raster, der mit der Buchse 658807713100 zusammenpasst. Diese Steckverbinder sind für eine Nennspannung von 50 VAC und Ströme bis zu 500 mA ausgelegt. Der maximale Kontaktwiderstand beträgt 50 mΩ.

Die Stapelhöhen werden durch die Wahl bestimmter Kombinationen von Stecker- und Buchsenpaaren gewählt. Die verfügbaren Stapelhöhen hängen von der Anzahl der Stifte und dem Raster ab (Abbildung 5).

Abbildung 5: Die Stapelhöhen sind je nach Steckerabstand und Anzahl der Anschlüsse wählbar. (Bildquelle: Würth Elektronik, modifiziert vom Autor)

Beispiel: Die Stapelhöhe des Steckers 658158303064 und der Buchse 658101003064 (blau hervorgehoben) beträgt im zusammengesteckten Zustand 14,75 mm. Wird die Steckbuchse in eine 658105303064 (grün hervorgehoben) geändert, beträgt die Stapelhöhe 9,75 mm. Mit zwei Steckerkomponenten und drei Buchsen stehen sechs Stapelhöhen von 7,75 bis 14,75 mm für 64-polige 1,0-mm-Steckverbinder zur Verfügung. Der Steckverbinder im Raster 0,80 mm bietet eine größere Auswahl an Stapelhöhen.

Im Gegensatz dazu bietet der 100-polige Stecker 658855603100 im Raster 0,80 mm, der mit der Buchse 658807713100 verbunden ist, nur eine einzige Stapelhöhe von 10 mm.

Anwendungen

Platinensteckverbinder werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, z. B. in der Unterhaltungselektronik, in Fahrzeugsystemen, in der Industrieautomation, in medizinischen Geräten und in vielen anderen Bereichen.

Mezzanine-Boards mit Platinensteckverbindern können unter den folgenden Umständen verwendet werden:

• Für Unterbaugruppen, die einen verbesserten Luftstrom und Platz für die Kühlung benötigen
• Um die Verwendung einer gemeinsamen Unterbaugruppe für mehrere Produktmodelle zur Kostensenkung zu nutzen
• Um die Montage zu vereinfachen, indem die beiden Platinen separat montiert werden können, bevor sie miteinander verbunden werden
• Um das Trennen und erneute Verbinden von Platinen zu ermöglichen und damit Flexibilität beim Design zu gewährleisten
• Für spezielle Schaltungen, wie Hochfrequenz- (HF) oder Hochspannungsstromversorgungen (HV), die als Mezzanine-Baugruppen isoliert werden können
• Zum einfachen Aufrüsten von Boards

Dies sind nur einige der Funktionen, die ein Mezzanine-Board mit Platinensteckverbindern ermöglicht.

Umwelt- und Sicherheitszertifizierungen

WR-BTB-Steckverbinder sind nach den gängigen Umwelt- und Sicherheitsnormen für Steckverbinder zertifiziert oder entsprechen diesen (Abbildung 6).

Zertifizierungen:

Abbildung 6: Abgebildet sind die Umwelt- und Sicherheitszertifikate für den Steckverbinder WR-BTB. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Fazit

Die Platinensteckverbinder von Würth Elektronik werden in Mezzanine-Konfigurationen eingesetzt und verbessern die Volumeneffizienz, Signalintegrität und Zuverlässigkeit von elektronischen Geräten. Außerdem sorgen sie für einen effizienteren Luftstrom zur Kühlung, verbessern die elektromagnetische Isolierung und vereinfachen die Montage.