Tutto ciò che i progettisti devono sapere sui connettori per schede di memoria

Le schede di memoria a stato solido sono soluzioni di storage modulari e non volatili per un'ampia gamma di sistemi elettronici e rendono possibili funzionalità estese, set di funzioni e sono di grande comodità per l'utente. Per interfacciare queste schede di memoria con i dispositivi host, sono necessari connettori compatibili che garantiscano un accoppiamento meccanico ed elettrico affidabile. Questi connettori devono garantire prestazioni costanti in dispositivi sempre più compatti, dove l'ingombro fisico e l'integrità del segnale sono fattori di progettazione cruciali. Prima di esaminare i connettori per schede di memoria, è importante acquisire una conoscenza di base delle architetture delle schede di memoria e del loro ruolo nei dispositivi elettronici embedded e per il mercato consumer.

Panoramica sulle schede di memoria

Le schede di memoria sono dispositivi di storage compatti e solidi che contengono dati digitali come foto, video, musica e documenti. Si basano sulla memoria flash, sviluppata negli anni Ottanta, che utilizza transistor a gate flottante per conservare i dati senza richiedere alimentazione. Senza parti mobili, la memoria flash offre accesso rapido, elevata durata e la possibilità di essere cancellata e riscritta elettricamente.

Nel corso del tempo, le schede di memoria hanno subito un'evoluzione significativa, con una tendenza verso la riduzione delle dimensioni e l'aumento della capacità. I formati più comuni oggi includono:

• Schede SIM (Subscriber Identity Module): le schede SIM memorizzano le credenziali dell'utente e i dati della rete mobile per funzioni quali chiamate vocali, SMS e Internet mobile. Ogni SIM contiene un IMSI (International Mobile Subscriber Identity) utilizzato per l'autenticazione con le reti cellulari. Le SIM sono passate dal formato full-size ormai obsoleto (dimensioni di una carta di credito) al formato mini-SIM (25 x 15 mm), micro-SIM (15 x 12 mm) e nano-SIM (12,3 × 8,8 mm). Nei dispositivi mobili, il formato nano-SIM domina grazie alla sua dimensione miniaturizzata. Si noti che la mini-SIM è ora comunemente denominata SIM o SIM standard.
• Schede SD (Secure Digital): le schede SD sono ampiamente utilizzate sia per lo storage, sia per il trasferimento di dati nei prodotti elettronici consumer. Ampliano la memoria integrata di smartphone, fotocamere digitali, console per videogiochi e tablet. Le varianti attuali, come SDHC, SDXC e SDUC, offrono una maggiore capacità e velocità superiori. I loro fattori di forma meccanici (standardSD, miniSD e microSD) e le piedinature standardizzate li rendono il formato di riferimento per le memorie rimovibili.
• Smart card: le smart card hanno dimensioni simili alle carte di credito, ma incorporano un chip in CI che offre funzionalità aggiuntive quali autenticazione, crittografia, identificazione sicura ed elaborazione dei pagamenti. Possono interagire tramite contatti fisici o funzionare senza contatto utilizzando gli standard RFID o NFC. Queste schede sono spesso utilizzate nei sistemi finanziari, sanitari e di controllo degli accessi, che richiedono lettori compatibili nei dispositivi host.

Figura 1: L'evoluzione dei formati delle schede di memoria nel corso degli anni. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Tipi di inserimento dei connettori per schede di memoria

Come già illustrato in precedenza, sia le schede SIM che le schede di memoria SD dipendono da un sistema di interconnessione meccanica per stabilire un'interfaccia elettrica stabile con il dispositivo host. Questa interfaccia deve garantire un contatto costante del segnale e agevolare l'inserimento e l'estrazione della scheda, anche in caso di uso frequente o sollecitazioni meccaniche. Per soddisfare questi requisiti, i moderni connettori sono dotati di vari meccanismi di innesto ottimizzati per diversi casi d'uso e vincoli meccanici:

• Inserimento/estrazione: un design semplice—spingere per inserire, tirare per rimuovere. Privo di chiusura o molla. Ideale per installazioni a basse vibrazioni o semi-permanenti.
• Push-Push (espulsione automatica): meccanismo a molla—premere una volta per inserire, premere nuovamente per espellere. Offre un riscontro tattile ed è ideale per l'uso frequente nei dispositivi consumer.
• Incernierato: utilizza un coperchietto di bloccaggio per fissare la scheda in posizione. Progettato per ambienti soggetti a forti vibrazioni, come i sistemi automotive o industriali, dove è fondamentale garantire una tenuta sicura.

Ogni modello offre compromessi in termini di durata, spazio e usabilità, e la scelta dipende dalle esigenze meccaniche e ambientali dell'applicazione.

Disamina dei contatti dei connettori per schede di memoria

Sia le schede SD che le schede SIM stabiliscono la comunicazione con un dispositivo host attraverso una serie di punti conduttivi, noti come pin o contatti, presenti sulla superficie della scheda. Questi pin si allineano con i contatti corrispondenti nella presa del connettore per completare i circuiti elettrici, dove ogni pin è assegnato a una funzione specifica in una disposizione standardizzata chiamata piedinatura.

Il collegamento fisico avviene tramite una presa dedicata montata sulla PCB del dispositivo host. I connettori sono realizzati su misura per adattarsi al formato specifico della scheda, come microSD o nano-SIM, per garantire un allineamento affidabile e una trasmissione ottimale del segnale.

Configurazioni dei contatti di schede SD

Le schede SD sono state migliorate per supportare velocità di trasferimento dati più elevate su diversi standard di interfaccia. Una scheda SD full-size tipica è dotata di 9 pin di contatto, mentre le versioni microSD ne hanno solitamente 8. Le varianti più veloci, come UHS-II o SD Express, possono includere pin aggiuntivi o persino una seconda fila per gestire una maggiore larghezza di banda del segnale. Le moderne schede SD supportano i seguenti protocolli di comunicazione:

• SPI (Serial Peripheral Interface): un'interfaccia semplice e a bassa velocità comunemente utilizzata nei sistemi embedded o amatoriali.
• Interfacce bus SD: da velocità predefinita e alta velocità a UHS-I, UHS-II e UHS-III, ogni passaggio offre velocità di trasferimento progressivamente più elevate.
• PCIe/NVMe: utilizzata nelle schede SD Express, questa interfaccia supporta l'accesso ai dati ad altissima velocità, ideale per video di livello professionale, trasferimenti di file di grandi dimensioni e prestazioni di classe SSD.

Il connettore deve allinearsi alla configurazione dei pin della scheda e al protocollo supportato per garantire la piena funzionalità e l'integrità dei dati.

Configurazioni dei contatti di schede SIM

Le schede SIM sono dotate in genere di 6-8 pin di contatto, il numero esatto dipende dal formato della scheda e dai requisiti dell'applicazione. Ecco le funzioni di contatto per una scheda SIM a 8 pin:

• VCC: ingresso alimentazione
• GND: riferimento di massa
• CLK: segnale di clock per la sincronizzazione dei dati
• I/O: linea dati seriale bidirezionale
• VPP: tensione di programmazione
• RST: reset del segnale
• RFU: riservato per uso futuro (di solito due pin, non attivi nelle applicazioni standard)

Le schede SIM a 6 pin omettono semplicemente i due contatti RFU e mantengono solo le linee essenziali: VCC, GND, I/O, CLK, RST e VPP.

Alcuni connettori SIM includono uno o più pin aggiuntivi per rilevare la presenza della scheda. Questi pin fanno parte del connettore, non della scheda SIM, e hanno un cortocircuito meccanico verso terra quando viene inserita una scheda. Consentono al sistema host di rilevare gli eventi di inserimento/estrazione della scheda e di rispondere di conseguenza, senza interferire con i contatti del segnale.

Figura 2: Confronto tra le varie piedinature delle schede SD e SIM. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Configurazioni dei contatti delle smart card

Come già osservato, le smart card sono dispositivi dalle dimensioni pari a una carta di credito, dotati di un processore e di una memoria (RAM, EEPROM, ROM) embedded. Si collegano ai sistemi host tramite punti di contatto o comunicazione RF senza contatto. Gli slot per smart card offrono un'interfaccia sicura e rimovibile per uno scambio dati affidabile e un uso frequente. La configurazione dei contatti per le smart card corrisponde a quella di una scheda SIM a 8 pin descritta in precedenza.

Le applicazioni delle schede di memoria continuano a crescere

L'avvento delle schede SIM ha rivoluzionato la connettività dei dispositivi mobili consentendo l'identificazione sicura degli utenti e l'accesso alla rete. Di pari passo, l'evoluzione delle schede SD ha notevolmente potenziato le capacità dei dispositivi, offrendo una memoria sicura e rimovibile per il trasferimento e l'espansione dei dati. Sviluppate originariamente per telefoni cellulari e dispositivi elettronici portatili, le applicazioni delle schede di memoria si sono poi diffuse in una vasta gamma di tecnologie avanzate, tra cui la sicurezza domestica, dispositivi IoT, dispositivi indossabili, droni, console per videogiochi e molto altro ancora.

Conclusione

La moderna tecnologia delle schede di memoria supporta lo storage di dati ad alte prestazioni e la connettività su un'ampia gamma di dispositivi. Per supportare vari formati SD, SIM e smart card, è disponibile una vasta selezione di soluzioni di interconnessione, tra cui connettori, espulsori, prolunghe e adattatori. Questi componenti sono disponibili con montaggio dall'alto e dal basso e con profili ultraribassati, rendendoli ideali per applicazioni compatte e con vincoli di spazio. Le soluzioni di interconnessione e i connettori per schede di memoria di Same Sky sono disponibili in una vasta gamma di configurazioni per soddisfare pressoché qualsiasi esigenza di progettazione.