Leiterplattensteckverbinder Steckverbinder in platzbeschränkten Systemen implementieren

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Mouser Electronics Inc.

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Bei der Entwicklung schneller, hochintegrierter Industriesteuerungen für Schaltschränke gibt es einige Herausforderungen. Die kreative Nutzung des vorhandenen Platzes mit Mezzanine-Technik erfordert spezielle Leiterplattensteckverbinder. Die Herausforderungen werden am Beispiel des Steckverbinders FP 0,8 erläutert.

Neben den technischen Parametern sind bei industriellen Steuerungen die Gehäusegrößen elementar. Da der Platz in Produktionsanlagen oder Schaltschränken oft begrenzt ist, muss immer mehr Funktionalität auf kleinerem Raum bereitgestellt werden. Eine gängige Methode, um die Schaltungsdichte zu erhöhen, ist das vertikale und horizontale Stapeln von Leiterplatten, wobei eine Applikation in Mother- und Tochter-Boards aufgeteilt wird. Das verbessert nicht nur die Flächennutzung, sondern erlaubt auch Aufrüstungen der verwendeten Tochterkarten sowie bequemere Instandhaltungsmaßnahmen.

Dieser Ansatz birgt jedoch zahlreiche Herausforderungen, insbesondere bei der Highspeed-Datenübertragung zwischen Hostprozessoren und Subsystemen. Dieser Artikel widmet sich den Problemen, die mit der Aufrechterhaltung der Signalintegrität, der Maximierung der Platzeffizienz und der Kompensation von Herstellungstoleranzen verbunden sind.

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Um mehr elektronische Systeme in einen Schaltschrank zu integrieren und gleichzeitig die Wartungsfreundlichkeit zu gewährleisten, wurde die DIN-Schienen-Montage eingeführt. DIN-Schienengehäuse sind in verschiedenen Größen erhältlich und sorgen für das rasche, bequeme und standardisierte Montieren einer breiten Palette an Steuersystemen. Trotz der vielen Vorteile der DIN-Schienen sind für individuelle Gehäuse nach wie vor Minimalabstände notwendig, um eine angemessene Wärmeableitung und Luftzirkulation zu gewährleisten.

Um noch mehr Elektronikkomponenten in bestehende DIN-Schienengeäuse unterzubringen, wurde das Konzept der Motherboards (Backplane-Leiterplatte) entwickelt, das die Tochterkarten des Subsystems enthält. Dieser Ansatz erhöht die Dichte elektronischer Systeme, vorbehaltlich potenzieller Anforderungen an das Wärmemanagement, und ermöglicht eine höhere Systemfunktionalität.

Verbindungstechnik zwischen Leiterplatten

Das Aufteilen komplexer Steuersysteme auf separate Leiterplatten stellt eine ideale Lösung zur Erhöhung der allgemeinen Systemdichte dar. Ingenieure, die diesen Ansatz verfolgen, müssen jedoch gleich mehrere technische Erwägungen beachten. Viele der heutigen industriellen Steuersysteme basieren auf rechenintensiven SoCs und Prozessoren wie GPUs und NPUs (Neural Processing Unit, Neuralprozessor). Diese Chips sind mit Hochgeschwindigkeitsspeichern, optischen Transceivern und Vision-Sensoren gekoppelt.

Diese leistungsstarken Prozessoren erfordern ein sorgfältiges Leiterplatten-Design. Das Layout der Stromversorgungsschienen, Hochgeschwindigkeits-Datenleitungen, analogen Sensoreingänge und Datenwandler-ICs setzt viel Erfahrung voraus. Die Trennung von analogen Kleinstspannungsleitungen von Datenleitungen und die Platzierung von Entkoppelkondensatoren in der Nähe von Lasten sind für Leiterplattenentwickler ein vertrautes Thema.

Das Einbinden separater Leiterplatten und der dazugehörigen Steckverbinder in ein Layout erhöht die Komplexität von Boards wesentlich. Bei der Auswahl der passenden Steckverbinder zwischen den Leiterplatten müssen verschiedene Aspekte beachtet werden.

EMV/EMI von Steckverbindern: Hochgeschwindigkeits-Datenleitungen können beträchliche hochfrequente Störungen sowie elektromagnetische Interferenzen hervorrufen, die von Leiterbahnen und Steckverbinderanschlüssen ausstrahlen. Derartige Störsignale beeinflussen benachbarte Kontakte elektrisch, was zu fehlerhaftem Systemverhalten führen kann. Die Störstrahlung kann man vermindern, indem man abgeschirmter Steckverbinder verwendet und das internen Stecker-Layout aufteilt, um Massekontake miteinzubeziehen.

Empfindliche Analogsignale und digitale Datenleitungen von hoher Bandbreite sind ebenso anfällig für Störungen, weshalb Schutzmaßnahmen für die Aufrechterhaltung der Signalintegrität unerlässlich sind.

Leitkongress zu Trends und Einsatz moderner Steckverbinder

Anwenderkongress Steckverbinder in Würzburg

Der Anwenderkongress Steckverbinder beleuchtet praxisorientiert technische Aspekte beim Design und Einsatz moderner Steckverbinder. In Praxis-Workshops vermitteln hochkarätige Experten elektrotechnische Grundlagen, spezifisches Knowhow und helfen bei der Auswahl des richtigen Steckverbinders.

Der Kongress ist eine in Europa einzigartige Veranstaltung, die sich den Themen rund um das Steckverbinder-Design, Design-in, Werkstoffe, Qualifizierung und Einsatz von Steckverbindern widmet.

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Einfügedämpfung von Steckverbindern: Eine weitere Eigenschaft von Steckverbindern, die insbesondere für hochfrequente Datenübertragungen von Bedeutung ist, ist die Einfügedämpfung. Dieser Wert beschreibt die Dämpfung von Signalen, die Steckverbinder durchlaufen. Die Geometrie, Materialien und das Kontakt-Layout der Steckverbinder wirken sich auf die Verluste aus und nehmen für gewöhnlich mit der Frequenz zu. Einfügeverluste werden in der Einheit [dB] angegeben, wobei ein Verlust von –3 dB einer Signaldämpfung von 70 % entspricht.

Übersprechen (Crosstalk) zwischen Steckverbinderkontakten: Das Phänomen des Übersprechens bei Steckverbindern weist auf einen Signaltransfer von einem induzierten Kontakt auf andere Kontakte hin. Der Crosstalk wird in [dB] gemessen und tritt an beiden Enden des Verbindungsstücks auf, als Nahübersprechen (NEXT, übertragendes Ende) und als Fernübersprechen (FEXT, empfangendes Ende). Das Übersprechen lässt sich verringern, indem Kontakte mit ausreichend Abstand platziert und zwischen ihnen Massekontakte verwendet werden.

Impedanz eines Steckverbinders: Der Impedanzabgleich einer Highspeed-Datenverbindung ist unerlässlich für Signalintegrität und Servicequalität. Kabelgebundene Datennetzwerke wie Ethernet verwenden zwei unterschiedliche Signalpaare und erfordern eine Leitungsimpedanz von 100 Ohm. Die Impedanz hängt von der Frequenz ab; wenn sie von den Spezifikationen abweicht, sind Signalreflexionen die Folge, die zu einer Verringerung der Verbindungsintegrität führen.

Zukunftssichere Highspeed-Leiterplattensteckverbinder

Bild 1 zeigt eine Konfiguration mit den Steckverbindern der Reihe FinePitch (FP) 0,8 von Phoenix Contact. Dieses Steckverbinder-Portfolio verwendet mit ScaleX eine rubuste Kontakttechnik, die tolerant gegenüber Ausrichtungsfehlern ist. Die Produktfamilie bietet mehrere Verbindungskonfigurationen, Stapelhöhen von 6 mm bis 21 mm sowie geschirmte und ungeschirmte Varianten für die Verbindung von Leiterplatten in Highspeed-Applikationen.

Bild 2 zeigt die typischen Einfügedämpfung der FP 0,8-Reihe, mit einer –3 dB-Grenzfrequenz von 26 Hz, der ihre Eignung für Datenanwendungen mit großen Bandbreiten belegt.

Die Doppelkontakt-Technik von ScaleX garantiert äußerst robuste, flexible und vibrationsfeste Verbindungen. Die Kombination aus Steckern und Buchsen sorgt für eine Überstecklänge von 1,5 mm und das Produktsortiment besteht aus Steckverbindern mit minimalen Stapelhöhen von 6 mm, die in 1,5-mm-Schritten bis auf 21,0 mm gesteigert werden können.

Die ScaleX-Kontakte bieten Toleranzausgleich von +/-0,7 mm und einen Neigungsausgleich bis zu 5°, wodurch eine robuste und zuverlässige Verbindung gewährleistet wird, selbst wenn bei der Montage eine leichte Fehlpassung auftritt.

Die geschirmten FP 0,8-Steckverbinder offerieren ausgezeichnete EMV-Eigenschaften aufgrund von mehreren Schirmanschlusspunkten für Buchsen und Stecker.

Bild 3 veranschaulicht die Wirksamkeit der Abschirmung beim Schutz innenliegender Kontakte von einem an die Schirmung angelegten externen Störsignal. Ein optimales Abschirmungsmuster wird erreicht, wenn sowohl die Buchsen- als auch die Steckerschirmung mit Masse verbunden sind.

Bild 4 zeigt das Übersprechen eines FP-0,8-Steckverbinders. Das Übersprechen ist über den größten Teil des Frequenzbereichs bis 20 GHz besser als –30 dB. Eine größerer Kontaktabstand und die Zuweisung benachbarter Kontakte als Massekontakte verringern das Übersprechen. (kr)

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* Mark Patrick ist Technical Marketing Manager bei Mouser Electronics EMEA.

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