I connettori scheda-scheda ad alta velocità consentono di aumentare la densità dei circuiti e migliorare le prestazioni

Le dimensioni dei dispositivi elettronici si riducono, mentre le velocità dati aumentano. Per i progettisti, queste tendenze comportano la necessità di incorporare un maggior numero di circuiti in spazi più piccoli, mantenendo al contempo la velocità dati, l'affidabilità e l'integrità di segnale. I progettisti devono prendere in considerazione anche fattori quali il passaggio dell'aria per il raffreddamento dei componenti e la separazione fisica per ridurre al minimo le interferenze elettromagnetiche (EMI).

Una soluzione comune per aumentare la densità dei circuiti è l'impilamento delle schede a circuiti stampati (PCB). L'uso di schede figlie e sottoschede mezzanine aumenta lo spazio utilizzabile per i circuiti, fornendo al contempo percorsi per il raffreddamento dei componenti e l'isolamento dei segnali.

Questo articolo passa brevemente in rassegna le sfide che i progettisti di circuiti ad alta velocità devono affrontare. Presenta quindi i connettori scheda-scheda di Würth Elektronik e mostra come possono essere utilizzati per fornire connessioni di segnale affidabili, assicurando al contempo l'integrità di segnale.

Schede mezzanine

Il layout di una scheda mezzanine consiste in due PCB parallele impilate una sull'altra e collegate tramite connettori scheda-scheda (Figura 1, a sinistra).

Figura 1: Esempi di una serie di PCB montate su mezzanine (a sinistra); le schede secondarie possono essere montate su connettori o con distanziali filettati o a montaggio superficiale (a destra). (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

Questa disposizione scheda-scheda di due PCB offre spazio fisico aggiuntivo per i circuiti. Può essere utilizzata per aumentare l'efficienza volumetrica, per consentire l'intercambiabilità o per fornire una separazione fisica per migliorare la circolazione dell'aria e ridurre le EMI. Le schede sono collegate tramite connettori scheda-scheda; non vengono utilizzati cavi. I connettori per schede mezzanine offrono una gamma di altezze di impilamento che determinano la spaziatura tra le schede. Le schede superiori possono essere sostenute e trattenute dal connettore o fissate con distanziali filettati o a montaggio superficiale per una maggiore resistenza alle vibrazioni e agli urti (Figura 1, a destra).

Considerazioni sull'integrità di segnale

L'integrità di segnale descrive in che modo un segnale viene distorto o attenuato quando viene trasmesso da una scheda all'altra attraverso un connettore. Alcuni di questi effetti, come la resistenza di contatto, non dipendono dalla frequenza e possono essere facilmente calcolati e corretti.

Tuttavia, due parametri fondamentali per l'integrità di segnale dipendenti dalla frequenza sono il coefficiente di riflessione (ρ) e il coefficiente di trasmissione (t) (Figura 2). Il coefficiente di trasmissione è tipicamente espresso come perdita di inserzione in decibel (dB). Il coefficiente di riflessione (attenuazione di riflessione) è dovuto al fatto che i segnali di dati vengono riflessi verso la sorgente quando si incontra una variazione del valore dell'impedenza. La perdita di inserzione quantifica l'attenuazione attraverso il percorso di trasmissione. Entrambi i valori dipendono dall'impedenza del connettore (Z_CAB) in funzione dell'impedenza di linea della PCB (Z_s).

Figura 2: L'attenuazione di riflessione e la perdita di inserzione dipendono dall'impedenza del connettore in funzione dell'impedenza di linea della PCB. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

La perdita di trasmissione riduce l'ampiezza del segnale durante il passaggio attraverso il connettore ed è proporzionale alla lunghezza del percorso e alla geometria del connettore. Una parte dell'energia può essere persa anche a causa della paradiafonia (near-end crosstalk, o NEXT) o della telediafonia (far-end crosstalk, o FEXT). L'attenuazione di riflessione e il coefficiente di trasmissione sono parametri dipendenti dalla frequenza che dipendono dalla differenza tra l'impedenza del connettore (modellato come un cavo) e l'impedenza della linea di trasmissione della PCB, che in questo esempio si suppone pari a 50 Ω. I coefficienti di riflessione e di trasmissione sono definiti dalle equazioni sotto riportate.

Il grafico nella Figura 2 mostra la variazione di questi parametri in funzione dell'impedenza del connettore (cavo). Se l'impedenza del connettore è di 50 Ω, l'attenuazione di riflessione teorica è pari a zero e il coefficiente di trasmissione è 100%, il che indica l'assenza di perdite. Se l'impedenza del connettore differisce da 50 Ω, i parametri variano proporzionalmente alla differenza rispetto al valore di 50 Ω e rispetto alla frequenza. In un connettore, l'impedenza dipende dal materiale isolante utilizzato e dalla geometria dei pin di contatto, ovvero la loro larghezza, la lunghezza e la spaziatura (passo). È inoltre influenzata dal cablaggio dei pin adiacenti.

Esistono due configurazioni di cablaggio comuni per la trasmissione dati ad alta velocità (Figura 3): a terminazione singola, con il segnale dati riferito a massa, e differenziale, con due linee di segnale complementari; l'ampiezza del segnale dati è la differenza tra le relative tensioni. La segnalazione differenziale viene utilizzata per ridurre il rumore e le interferenze sulle due linee di segnale. In generale, la segnalazione differenziale viene utilizzata alle velocità dati più elevate. I segnali di dati sono tipicamente accoppiati con uno o più segnali di messa a terra per ridurre la captazione del rumore.

Figura 3: Tre configurazioni comuni di cablaggio del segnale che illustrano l'uso di conduttori di terra intermedi per ridurre la captazione di rumore e interferenze. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik, modificata dall'autore)

Il cablaggio a terminazione singola è generalmente progettato per un'impedenza caratteristica di 50 Ω, mentre il cablaggio differenziale è progettato per 100 Ω. Le selezioni dei pin dal connettore alla scheda possono influire sulle prestazioni dei conduttori di messa a terra.

Dal punto di vista dell'integrità di segnale, i connettori scheda-scheda devono essere progettati per supportare le impedenze e le velocità dati specificate.

Esempi di connettori scheda-scheda

Una buona opzione per i connettori di segnale nelle applicazioni dati ad alta velocità è rappresentata dalla serie WR-BTB di Würth Elektronik. Si tratta di connettori scheda-scheda a montaggio superficiale disponibili con 40, 80 o 100 pin e un passo di 0,80 mm, nonché 64 pin con un passo di 1,00 mm. I connettori a 64 pin con passo di 1,00 mm sono compatibili con i requisiti dei connettori mezzanine IEEE 1386. I connettori con passo di 0,80 mm sono polarizzati per evitare l'accoppiamento inverso. Per ogni piedinatura sono disponibili più altezze di impilamento.

Tutti i connettori WR-BTB sono dotati di contatti in lega di rame, con placcatura selettiva in oro e una resistenza di contatto di 50 mΩ o inferiore, a seconda del numero di pin. I corpi dei connettori sono realizzati in plastica garantita priva di alogeni, il che li rende più ecocompatibili senza sacrificare la robustezza, la resistenza elettrica, la resistenza alla temperatura di saldatura durante l'assemblaggio della PCB o il grado di protezione antincendio. Funzionano in un intervallo di temperatura compreso tra -55 e 85 °C. Inoltre, sono a norma RoHS 3.

A differenza dei connettori RF, i connettori WR-BTB non hanno un'impedenza caratteristica fissa; questo valore dipende, tra le altre cose, dalle dimensioni dei contatti, dalla costante dielettrica della scheda sottostante e dal layout del cablaggio della PCB. I connettori WR-BTB riducono al minimo le riflessioni del segnale nei sistemi PCB ad alta velocità per linee di trasmissione a terminazione singola da 50 Ω o differenziali da 100 Ω. Ad esempio, i connettori con passo di 0,8 e 1 mm sono compatibili con la segnalazione PCIe 2.0 o la segnalazione differenziale USB 2.0 a 480 Mbit/s.

Un esempio di coppia spina/presa WR-BTB specifica è rappresentato dalla spina a 64 pin 658158303064 (Figura 4, a sinistra) e dalla presa di accoppiamento corrispondente 658101003064 (Figura 4, a destra). Si tratta di connettori a 64 pin rivestiti con un passo di 1,00 mm e una larghezza di contatto di 0,30 mm. I connettori sono classificati per una tensione di lavoro di 100 V_c.a. e una corrente di 1000 mA. La resistenza di contatto massima di questi connettori è di 30 mΩ. Entrambi i connettori sono dotati di guide scheda a montaggio superficiale integrate e includono clip pick-and-place (PnP). Queste ultime forniscono una superficie piana che consente agli ugelli di aspirazione della macchina PnP di prelevare i connettori senza danneggiare i contatti.

Figura 4: Una coppia spina/presa a 64 pin con passo 1,0 mm, con clip PnP. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

La piedinatura massima disponibile in questa famiglia di prodotti è di 100 pin, come la spina a 100 pin con passo di 0,80 mm 658855603100 che si accoppia con la presa 658807713100. Questi connettori hanno una tensione nominale di 50 V c.a. e possono gestire correnti fino a 500 mA. La resistenza di contatto massima è di 50 mΩ.

Le altezze di impilamento vengono selezionate scegliendo combinazioni specifiche di coppie spina/presa. Le altezze di impilamento disponibili dipendono dal numero di pin e dal passo (Figura 5).

Figura 5: Le altezze di impilamento sono selezionabili in base al passo del connettore e al numero di conduttori. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik, modificata dall'autore)

Per capire come questo funzioni, l'altezza di impilamento della spina 658158303064 e della presa 658101003064 (in blu) è di 14,75 mm quando sono accoppiate. Se invece si utilizza la presa 658105303064 (in verde), l'altezza di impilamento è di 9,75 mm. Con due spine e tre prese, sono disponibili sei altezze di impilamento, da 7,75 a 14,75 mm, per i connettori a 64 pin da 1,0 mm. Il connettore con passo di 0,80 mm offre una gamma più ampia di altezze di impilamento.

Per contro, la spina a 100 pin con passo di 0,80 mm 658855603100 accoppiata con la presa 658807713100 offre un'unica altezza di impilamento di 10 mm.

Applicazioni

I connettori scheda-scheda vengono utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni, quali l'elettronica consumer, i sistemi veicolari, l'automazione industriale, i dispositivi medicali e molte altre.

Le schede mezzanine, che utilizzano connettori scheda-scheda, possono essere utilizzate nelle seguenti circostanze:

• Per i sottoassiemi che richiedono una migliore circolazione dell'aria e più spazio fisico per il raffreddamento
• Per consentire l'utilizzo di un sottoassieme comune a più modelli di prodotto per ridurre i costi
• Per semplificare le operazioni, consentendo l'assemblaggio separato delle due schede prima di collegarle
• Per consentire lo scollegamento e il ricollegamento delle PCB, offrendo flessibilità di progettazione
• Per i circuiti specializzati, come gli alimentatori a radiofrequenza (RF) o ad alta tensione (HV), che possono essere isolati come sottoassiemi mezzanine
• Per agevolare l'aggiornamento delle schede

Queste sono solo alcune delle funzioni offerte da una scheda mezzanine con connettori scheda-scheda.

Certificazioni ambientali e di sicurezza

I connettori WR-BTB sono certificati o conformi ai comuni standard ambientali e di sicurezza applicabili ai connettori (Figura 6).

Certificazione:

Figura 6: Le certificazioni ambientali e di sicurezza dei connettori WR-BTB. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

Conclusione

I connettori scheda-scheda di Würth Elektronik utilizzati nelle configurazioni mezzanine migliorano l'efficienza volumetrica, l'integrità di segnale e l'affidabilità dei dispositivi elettronici. Inoltre, consentono una circolazione dell'aria più efficiente per il raffreddamento, migliorano l'isolamento elettromagnetico e semplificano l'assemblaggio.