Utilice conectores de placa a placa de alta velocidad para aumentar la densidad de los circuitos a la vez que mejora el rendimiento

Los dispositivos electrónicos son cada vez más pequeños, mientras que las velocidades de transmisión de datos aumentan. Para los diseñadores, estas tendencias exigen incorporar más circuitos en espacios más reducidos, manteniendo al mismo tiempo la velocidad de transmisión de datos, la fiabilidad y la integridad de la señal. Los diseñadores también deben tener en cuenta el flujo de aire para la refrigeración y la separación física para minimizar las interferencias electromagnéticas (EMI).

Una solución habitual para aumentar la densidad de los circuitos es el apilamiento de placas de circuito impreso (placa CI). El uso de placas dependientes y subplacas mezzanine permite disponer de más espacio en la placa de circuitos, a la vez que proporciona vías para la refrigeración y el aislamiento de señales.

Este artículo repasa brevemente los desafíos a los que se enfrentan los diseñadores de circuitos de alta velocidad. A continuación, presenta los conectores de placa a placa de Würth Elektronik y muestra cómo pueden utilizarse para proporcionar conexiones de señal fiables manteniendo la integridad de la señal.

Placas mezzanine

La disposición de una placa mezzanine consiste en dos placas de circuito impreso paralelas apiladas una sobre otra y conectadas mediante conectores de placa a placa (figura 1, izquierda).

Figura 1: Se muestran ejemplos de una gama de placas de circuito impreso de montaje mezzanine (izquierda); las placas secundarias pueden montarse sobre conectores o con espaciadores de montaje en superficie o roscados (derecha). (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

Esta disposición de dos placas de circuito impreso proporciona espacio físico adicional para los circuitos. Puede utilizarse para aumentar la eficiencia volumétrica, permitir la intercambiabilidad o proporcionar una separación física para mejorar el flujo de aire y reducir la EMI. Los conectores de placa a placa interconectan las placas; no se utilizan cables. Los conectores de placas mezzanine ofrecen una gama de alturas de apilado que determinan la separación entre placas. Las placas superiores pueden apoyarse y retenerse en el conector o fijarse con espaciadores de montaje superficial o roscados para una mayor resistencia a las vibraciones y los golpes (figura 1, derecha).

Consideraciones sobre la integridad de la señal

La integridad de la señal describe cómo se distorsiona o atenúa una señal cuando se transmite de una placa a otra a través de un conector. Algunos de estos efectos, como la resistencia de contacto, no dependen de la frecuencia y pueden tenerse en cuenta y corregirse fácilmente.

Sin embargo, dos parámetros clave de la integridad de la señal que dependen de la frecuencia son el coeficiente de reflexión (ρ) y el coeficiente de transmisión (t) (figura 2). El coeficiente de transmisión suele expresarse como pérdida de inserción en decibelios (dB). El coeficiente de reflexión (pérdida de retorno) se debe a que las señales de datos se reflejan hacia la fuente cuando se produce un escalón en el valor de la impedancia. La pérdida de inserción cuantifica la atenuación a través del trayecto de transmisión. Ambos dependen de la impedancia del conector (Z_CAB) con respecto a la impedancia de la línea de la placa de circuito impreso (Z_s).

Figura 2: La pérdida de retorno y la pérdida de inserción dependen de la impedancia del conector con respecto a la impedancia de la línea de la placa de circuito impreso. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

La pérdida de transmisión reduce la amplitud de la señal a su paso por el conector y es proporcional a la longitud del trayecto y a la geometría del conector. También puede perderse algo de energía debido a la diafonía cercana (NEXT) o a la diafonía lejana (FEXT). La pérdida de retorno y el coeficiente de transmisión son parámetros dependientes de la frecuencia que dependen de la diferencia entre la impedancia del conector (modelada como un cable) y la impedancia de la línea de transmisión de la placa de circuito impreso, que en este ejemplo se supone de 50 Ω. Los coeficientes de reflexión y transmisión se definen mediante las ecuaciones indicadas.

El gráfico de la figura 2 muestra la variación de esos parámetros en función de la impedancia del conector (cable). Si la impedancia del conector es de 50 Ω, la pérdida de retorno teórica es cero y el coeficiente de transmisión es de 100%, lo que indica que no hay pérdidas. Si la impedancia del conector difiere de 50 Ω, los parámetros varían proporcionalmente a la diferencia respecto a 50 Ω y con la frecuencia. En un conector, la impedancia depende del material aislante utilizado y de la geometría de las clavijas de contacto, incluida su ancho, longitud y separación (paso). También se ve afectado por el cableado de las clavijas adyacentes.

Existen dos configuraciones de cableado habituales para transmitir datos a alta velocidad (figura 3): monopolar, con la señal de datos referenciada a tierra, y diferencial, con dos líneas de señal complementarias; la amplitud de la señal de datos es la diferencia de sus tensiones. La señalización diferencial se utiliza para reducir el ruido y las interferencias en sus líneas de señalización dobles. En general, la señalización diferencial se utiliza en las velocidades de datos más altas. Las señales de datos suelen ir emparejadas con una o más señales de tierra para reducir la captación de ruido.

Figura 3: Se muestran tres configuraciones comunes de cableado de señales que ilustran el uso de conductores de tierra intermedios para reducir la captación de ruidos e interferencias. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik, modificado por el autor)

El cableado de un solo extremo suele diseñarse para una impedancia característica de 50 Ω, mientras que el cableado diferencial se diseña para 100 Ω. La selección de pines del conector a la placa puede afectar al rendimiento de los conductores de tierra.

Desde el punto de vista de la integridad de la señal, los conectores de placa a placa deben estar diseñados para soportar las impedancias y velocidades de datos especificadas.

Ejemplos de conectores de placa a placa

Una buena opción para conectores de señal en aplicaciones de datos de alta velocidad es la serie WR-BTB de Würth Elektronik. Se trata de conectores de montaje superficial de placa a placa disponibles con 40, 80 ó 100 pines y un paso de 0.80 mm, así como con 64 pines y un paso de 1.00 mm. Los conectores de 64 pines y paso de 1.00 mm son compatibles con los requisitos de los conectores mezzanine IEEE 1386. Los conectores de 0.80 mm de paso están polarizados para evitar el acoplamiento inverso. Hay disponibles varias alturas de apilamiento para cada número de pines.

Todos los conectores WR-BTB presentan contactos de aleación de cobre, chapados en oro de forma selectiva, con una resistencia de contacto de 50 mΩ o menos, en función del número de patillas. Los cuerpos de los conectores están fabricados con plástico garantizado libre de halógenos, lo que los hace más respetuosos con el medio ambiente sin sacrificar su solidez, resistencia eléctrica, resistencia a la temperatura de soldadura durante el montaje de la placa de circuito impreso o grado de protección contra incendios. Funcionan en un rango de temperaturas de -55 a 85 °C. Además, cumplen la normativa RoHS 3.

A diferencia de los conectores RF, los conectores WR-BTB no tienen una impedancia característica fija; esta depende, entre otras cosas, de las dimensiones de los contactos, de la constante dieléctrica de la placa subyacente y de la disposición del cableado de la placa de circuito impreso. Los diseños de los conectores WR-BTB minimizan las reflexiones de señal en sistemas de placas de circuito impreso de alta velocidad para líneas de transmisión de 50 Ω de terminación simple o 100 Ω de par diferencial. Por ejemplo, los conectores de 0.8 y 1 mm de paso son compatibles con la señalización PCIe 2.0 o la señalización diferencial USB 2.0 a 480 megabits por segundo (Mbits/s).

Un ejemplo de par conector/receptor WR-BTB específico es el conector 658158303064 de 64 pines (figura 4, izquierda) y su receptáculo de acoplamiento 658101003064 (figura 4, derecha). Se trata de conectores blindados de 64 pines con un paso de 1.00 mm y un ancho de contacto de 0.30 mm. Los conectores están clasificados para una tensión de trabajo de 100 V_CA y una corriente de 1000 miliamperios (mA). La resistencia de contacto máxima de estos conectores es de 30 mΩ. Ambos conectores cuentan con guías de placa de montaje en superficie integradas e incluyen clips "pick-and-place" (PnP). Proporcionan una superficie plana para que las boquillas de aspiración de las máquinas PnP recojan los conectores sin dañar los contactos.

Figura 4: Se muestra un par conector/receptor de 64 pines, paso de 1.0 mm, con clips PnP. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

El mayor número de pines disponible en esta familia de productos es de 100 pines, como la clavija de 100 pines con paso de 0.80 mm 658855603100 que se acopla al receptáculo 658807713100. Estos conectores tienen una tensión nominal de 50 VCA y pueden soportar corrientes de hasta 500 mA. La resistencia máxima de contacto es de 50 mΩ.

Las alturas de apilamiento se seleccionan eligiendo combinaciones específicas de pares de clavijas y receptáculos. Las alturas de apilamiento disponibles dependen del número de pines y del paso (figura 5).

Figura 5: Las alturas de apilamiento se pueden seleccionar en función del paso del conector y del número de conductores. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik, modificado por el autor)

Para ver cómo funciona, la altura de apilamiento de la clavija 658158303064 y el receptáculo 658101003064 (resaltados en azul) es de 14.75 mm cuando están acoplados. Si el receptáculo se cambia por un 658105303064 (resaltado en verde), la altura de apilamiento es de 9.75 mm. Con dos componentes enchufables y tres receptáculos, se dispone de seis alturas de apilamiento, de 7.75 a 14.75 mm, para conectores de 64 pines de 1.0 mm. El conector con paso de 0.80 mm ofrece una gama más amplia de alturas de apilamiento.

Por el contrario, el enchufe 658855603100 de 100 pines con paso de 0.80 mm acoplado al receptáculo 658807713100 ofrece una única altura de apilamiento de 10 mm.

Aplicaciones

Los conectores de placa a placa se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, como la electrónica de consumo, los sistemas para vehículos, la automatización industrial, los dispositivos médicos y muchas más.

Las placas mezzanine, que utilizan conectores de placa a placa, pueden utilizarse en las siguientes circunstancias:

• Para subconjuntos que requieren un mejor flujo de aire y espacio físico para la refrigeración
• Para permitir el uso de un subconjunto común en varios modelos de producto para reducir costos
• Para simplificar el montaje permitiendo ensamblar las dos placas por separado antes de conectarlas
• Para permitir que las placas de circuito impreso se desconecten y se vuelvan a conectar, lo que permite flexibilidad en el diseño
• Para circuitos especializados, como fuentes de alimentación de radiofrecuencia (RF) o alta tensión (AT), que pueden aislarse como subconjuntos mezzanine.
• Para actualizar fácilmente las placas

Estas son solo algunas de las funciones que permite una placa mezzanine con conectores de placa a placa.

Certificados de seguridad ambiental

Los conectores WR-BTB están certificados o cumplen las normas medioambientales y de seguridad comunes aplicables a los conectores (figura 6).

Certificación:

Figura 6: Se muestran las certificaciones medioambientales y de seguridad del WR-BTB. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

Conclusión

Los conectores de placa a placa de Würth Elektronik utilizados en configuraciones mezzanine mejoran la eficiencia volumétrica, la integridad de la señal y la fiabilidad de los dispositivos electrónicos. También proporcionan un flujo de aire más eficaz para la refrigeración, mejoran el aislamiento electromagnético y simplifican el montaje.