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Usar conectores de placa a placa para optimizar el empaquetado del sistema

Por Bill Schweber

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Las soluciones de placa única ahorran espacio al poner toda la electrónica de un sistema en una pequeña, presumiblemente más barata, placa de PC. En el caso de las computadoras monoplacas (SBC), los diseñadores deben trabajar duro para ajustar tanta potencia de procesamiento, funcionalidad y E/S como sea posible en esa placa de circuito. Sin embargo, la realidad es que hay muchos casos en aplicaciones industriales, de consumo y médicas en los que una sola placa no es la mejor solución, por lo que se necesitan múltiples placas de PC. Aquí es donde los conectores de tablero a tablero (BTB) se vuelven realmente importantes.

A pesar de todo el esfuerzo de diseño que puede suponer el diseño de las múltiples placas de un sistema, no prestar la debida atención al conector BTB adecuado puede socavar completamente el diseño. Esto puede ocurrir ya sea al principio debido a problemas de factor de forma o problemas de integridad de la señal, o más tarde en el campo debido a fallas en el uso (o abuso).

En este artículo se analizarán las cuestiones de diseño que impulsan la necesidad de los conectores BTB y los factores que los diseñadores deben tener en cuenta a la hora de seleccionar los conectores BTB entre la amplia gama de opciones disponibles. Estos incluyen el rendimiento de los circuitos, los requisitos de producción, el modelo de uso, la facilidad de reparación, los tipos de señales, el tamaño de los conectores y el número de posiciones de los contactos, la interferencia de radiofrecuencia (RFI) y la interferencia electromagnética (EMI), solo para mencionar algunos. A modo de ejemplo, presentará soluciones de conectores BTB de Phoenix Contact para mostrar cómo pueden resolver los problemas de conectividad de las placas de los diseñadores.

¿Por qué usar conectores BTB?

Hay al menos diez situaciones de diseño, producción y comercialización en las que tiene sentido utilizar dos o más placas de PC interconectadas en lugar de una sola:

  1. Cuando las limitaciones del factor de forma limitan el tamaño general de un enfoque de placa único y más grande, y se necesita una disposición tridimensional para aprovechar la profundidad del paquete disponible.
  2. Donde es inaceptable colocar circuitos analógicos de E/S o RF de bajo nivel y alta sensibilidad cerca de circuitos digitales de alta velocidad y ruido.
  3. Donde hay altos voltajes y las buenas prácticas de ingeniería, así como las normas reglamentarias, exigen la separación.
  4. Cuando las preocupaciones térmicas requieran colocar los componentes más calientes en un lugar separado para mejorar la disipación y la gestión térmica.
  5. Cuando una subsección de un circuito determinado puede utilizarse o reutilizarse en múltiples versiones de un producto, como una placa de procesamiento central que se empareja con una pantalla básica multilínea para el usuario y pulsadores, así como con una pantalla táctil gráfica más sofisticada para diferentes modelos de un sistema de alarma o de sensores.
  6. En los casos en que la producción requiere componentes especiales, como dispositivos de alimentación y disipadores térmicos que requieren un proceso especial de fabricación/montaje o inserción manual, mientras que el resto puede utilizar la inserción y la soldadura automatizadas.
  7. Cuando el proveedor espera mejorar una función de un sistema, como el procesador y la memoria, pero quiere dejar la función analógica sin cambios por motivos de confianza técnica y amortización de costos.
  8. Cuando la experiencia en el campo indica que es más probable que una parte del sistema, como la E/S orientada hacia el exterior, necesite ser reemplazada en el campo, mientras que las funciones básicas internas, como el procesador y la memoria, tendrán un tiempo medio de fallo más largo (MTTF).
  9. Donde algunos componentes necesitan un material de placa de PC más grueso y un revestimiento de cobre más pesado, como en el caso de los componentes de energía.
  10. Donde las consideraciones y preocupaciones de IEM/IRF ordenan la separación de funciones, y tal vez incluso el blindaje de RF de parte de los circuitos.

Está claro que hay muchas razones legítimas de diseño, producción y apoyo para elegir o insistir en el uso de múltiples tableros de PC. Entre las aplicaciones para las que esto ocurre se encuentran los sistemas de control industrial, los controles de motores, los controladores lógicos programables (PLC), las unidades de alarma y seguridad, los sistemas médicos como las máquinas portátiles de rayos X o ultrasonido, y los dispositivos con diferentes interfaces hombre-máquina (HMI) (Figura 1).

Imagen de diferentes interfaces hombre-máquina (HMI)Figura 1: Muchos productos se benefician de, o absolutamente necesitan, una o más placas de PC que hagan necesarios los conectores BTB, pero deben ser seleccionados cuidadosamente. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Cómo seleccionar un conector BTB

Una vez tomada la decisión de usar dos o más placas de PC conectadas, los diseñadores deben elegir los conectores BTB adecuados. En casi todos los casos, no es sólo una cuestión de encontrar un solo par de conectores con las especificaciones básicas correctas lo que impulsa esta decisión. En cambio, es prudente identificar primero una familia de conectores totalmente compatibles con diferentes opciones de BTB, de modo que la elección del diseño no esté limitada de antemano.

Un rápido vistazo a la variedad de conectores que ofrece incluso un solo proveedor de líneas aéreas puede hacer que el proceso de decisión parezca abrumador, pero en realidad no es así. A medida que los diseñadores se centran en sus prioridades, limitaciones y "debe tener", la elección de qué conectores específicos utilizar suele ser razonablemente pequeña. Además, la disponibilidad de tantos estilos de conectores significa que los diseñadores pueden encontrar un emparejamiento que equilibre óptimamente las inevitables compensaciones técnicas con un compromiso mínimo.

Los diseñadores pueden utilizar sofisticadas herramientas de diseño asistido por ordenador (CAD) para modelar las posibles configuraciones físicas y las posibles orientaciones de la BTB, incluyendo mezzanine, madre-hija y coplanar, así como sin restricciones a través de cables de cinta (Figura 2). Pero no es necesario "saltar a la CAD", ya que las técnicas menos sofisticadas también pueden ser muy eficaces para las evaluaciones iniciales y se han empleado con éxito, incluso utilizando maquetas de cartón de diversos tamaños y arreglos de tablas.

Imagen de las conexiones de tablero a tableroFigura 2: Las conexiones de tablero a tablero pueden tener una variedad de orientaciones y disposiciones, incluyendo cables de entrepiso, madre-hija, coplanares y de cinta sin restricciones. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Explorar los grados de libertad

Más allá de la orientación básica, la disponibilidad de tantas versiones de conectores da a los diseñadores opciones de diseño y colocación. Por ejemplo, el diseñador puede optar por usar dos conectores BTB más pequeños, cada uno con menos posiciones, en lugar de un conector con más posiciones. De esta manera se puede simplificar la disposición del tablero y eliminar la necesidad de que algunas señales atraviesen toda la longitud del tablero de la PC.

Por ejemplo, la serie Phoenix Contact FINEPITCH 1.27 (paso de 1,27 milímetros (mm)) está disponible con versiones de 12, 16, 20, 26, 32, 40, 50, 68, 80 posiciones. Nota: 1,27 mm es exactamente 0,05 pulgadas, o 50 mils, un tono común). Consideremos dos conectores hembra verticales de la serie: el 1714894 de 26 contactos, que tiene una anchura de 21,6 mm, y el 1714891 de 12 contactos, por lo demás idéntico, con una anchura de 12,71 mm, un poco más de la mitad de la versión de 26 contactos (Figura 3).

El uso de estos dos conectores más pequeños en diferentes lugares de la placa de circuito impreso supone una penalización insignificante de la huella, que a menudo se ve superada por la reducción del espacio necesario para los rastros de la placa de circuito impreso, así como por la mejora de la integridad de la señal. De forma similar, la serie 0.8 de Phoenix Contact FINEPITCH (paso de 0.8 mm) comprende una serie de conectores con paso de 0.8 mm que comienza con el receptáculo de conector 1043682 de 12 posiciones y 9.58 mm de longitud y se extiende hasta 80 posiciones (Figura 4).

Imagen de la serie FINEPITCH de Phoenix Contact de 1,27 mmFigura 3: El conector más pequeño de la serie FINEPITCH de 1,27 mm es esta versión de 12 posiciones de 1714891 con un ancho de eje largo de 12,71 mm. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Imagen de Phoenix Contact FINEPITCH serie 0.8Figura 4: La serie de conectores FINEPITCH 0.8 de Phoenix Contact tiene un paso de 0.8 mm, siendo el miembro más pequeño el 1043682 de 12 posiciones con una longitud de 9.58 mm. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Otro problema es la altura del conector, lo que permite a los diseñadores asegurarse de que dos tableros alineados y paralelos se acoplen y encajen dentro del recinto, con cada tablero en una ubicación óptima. Se podría fijar una placa de procesador en la parte posterior de la carcasa del producto, mientras que una segunda placa con la pantalla del usuario y los botones podría estar a ras del panel frontal.

Por esta razón, los conectores están disponibles con idéntica cantidad de posiciones, longitud y anchura, pero con una diferencia clave: sus alturas. Mezclando diferentes alturas, se puede soportar una amplia gama de espaciamientos entre las tablas, llamados altura de la pila. Por ejemplo, los conectores hembra verticales de la familia FINEPITCH 1.27 de Phoenix Contact están disponibles con dos alturas de 6,25 y 9,05 mm, mientras que los conectores macho verticales de acoplamiento se ofrecen con alturas de 1,75 y 3,25 mm.

Además, y esto es crítico, el par acoplado tiene una "longitud de borrado" de 1,5 mm, mientras que mantiene una longitud de borrado de contacto de superficie fiable de 0,9 mm. Como resultado, hay un rango continuo y no escalonado de espacio disponible entre las tablas de 8,0 a 13,8 mm (Figura 5). Utilizando un esquema similar, la familia de conectores FINEPITCH 0.8 de Phoenix Contact, con alturas y longitudes de borrado diferentes a las de la familia FINEPITCH 1.27, soporta un rango continuo de 6 a 12 mm. Como beneficio adicional, la flexibilidad inherente en la distancia de acoplamiento del BTB también afloja las tolerancias de montaje en la producción.

Diagrama de las alturas discretas de Phoenix Contact FINEPITCH serie 1.27 masculina y femeninaFigura 5: Debido a las alturas discretas disponibles de los conectores macho y hembra de la serie FINEPITCH 1.27 y su larga longitud de barrido, la altura real de la pila de BTB puede ser de 8,0 a 13,8 mm. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact

Apoyando las necesidades de EMC y RF

Se espera que los conectores BTB de alta densidad y múltiples contactos soporten anchos de banda que van mucho más allá de la energía y las señales de baja frecuencia, minimizando así la necesidad de múltiples ensamblajes de cables discretos donde cada cable soporta una sola señal. El rendimiento de los conectores en el rango de los gigahercios, junto con la capacidad de mantener la integridad de la señal en estas frecuencias, son parámetros críticos. Al mismo tiempo, hay consideraciones de compatibilidad electromagnética (EMC) para asegurar que las señales de alta velocidad en el conector no se vean afectadas, ni se vean afectadas por las señales cercanas.

Algunas familias de conectores están diseñadas exclusivamente para cumplir con las consideraciones de ancho de banda y EMC. Por ejemplo, la serie FINEPITCH 0.8 de Phoenix Contact soporta velocidades de datos de hasta 16 gigabits/segundo (Gbits/s) e incluye múltiples rutas de apantallamiento conector a conector cuando se acopla (Figura 6), lo que resulta en excelentes propiedades EMC (Figura 7).

Imagen de las rutas de blindaje de conector a conector de la serie 0.8 de FINEPITCH de Phoenix ContactFigura 6: La serie FINEPITCH 0.8 incluye múltiples rutas de blindaje conector a conector cuando se acoplan para mejorar el blindaje. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Imagen del campo eléctrico alrededor de un conector FINEPITCH serie 0.8 de Phoenix ContactFigura 7: Esta imagen del campo eléctrico alrededor de un conector FINEPITCH de la serie 0.8 muestra el rendimiento de su blindaje; el azul oscuro indica una intensidad de campo eléctrico de 0 a 0,1 voltios/metro (V/m) mientras que el rojo oscuro es de 1,0 V/m. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Se dispone de parámetros S para estos conectores a fin de apoyar el modelado de la trayectoria de la señal de RF de alta fidelidad, junto con datos sobre la pérdida de inserción, la diafonía de extremo lejano (FEXT) que se mide en el lado del receptor, y la diafonía de extremo cercano (NEXT) que se mide en el lado del transmisor (Figura 8).

Gráficos de pérdida de inserción y de la diafonía cercana al final a 10 GHzFigura 8: Los conectores para altas velocidades de datos como los de la serie FINEPITCH 0.8 incluyen gráficos de (izquierda) pérdida de inserción y (derecha) diafonía cercana a 10 GHz. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Ir más allá de lo obvio

A pesar de la aparente simplicidad de la función del conector, la selección de una familia de conectores adecuada también requiere otras consideraciones. Entre ellas están:

  • Compatibilidad con los procesos de producción estándar de gran volumen (carga y soldadura), que también exige un alto grado de coplanaridad de los conectores en todo el cuerpo, típicamente mejor que 0,1 mm.
  • Número de ciclos de inserción para los que se garantiza el rendimiento, incluso cuando el revestimiento de la superficie de contacto se desgasta después de ciclos repetidos; 500 ciclos se considera el nivel más alto de rendimiento. La familia FINEPITCH 0.8 de Phoenix Contact mantiene una resistencia de contacto de menos de 20 miliohms (mΩ), mientras que su familia FINEPITCH 1.27 sigue estando por debajo de 25 mΩ después de 500 ciclos (según IEC 60512-2-1:2002-02).
  • También está la realidad de la desalineación radial y angular cuando dos tablas y sus conectores se acoplan.

El último punto, la desalineación, es simplemente una realidad que los diseñadores deben tener en cuenta. En un mundo perfecto, las líneas centrales de los conectores masculinos y femeninos estarían perfectamente centradas y no tendrían ninguna inclinación entre ellas. Dada la diminuta dimensión de estos conectores de paso fino, puede parecer que no se permiten tales desajustes, pero un buen diseño de conector acomoda algunos desajustes para ambos parámetros.

La tecnología ScaleX de las series FINEPITCH 0.8 y FINEPITCH 1.27 hace un buen trabajo de factorización de esta realidad al proporcionar una geometría de carcasa que hace algo más que proteger los contactos contra los daños en caso de desajuste. También ofrece la correspondiente compensación de tolerancia con un desplazamiento del centro de ±0,7 mm y una tolerancia de inclinación de ±2°/±4° a lo largo de los ejes oblicuos y longitudinales, respectivamente (Figura 9).

Imagen de Phoenix Contact Los conectores FINEPITCH 0.8 mm y FINEPITCH 1.27 toleran el desalineamiento angularFigura 9: Las alineaciones en el mundo real nunca son perfectas, por lo que los conectores FINEPITCH 0,8 mm y FINEPITCH 1,27 toleran una desalineación angular oblicua y longitudinal de hasta ±2°/±4°, respectivamente, y una desalineación radial descentrada de hasta 0,7 mm. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Lo que no puedes ver es también importante

Mientras que los conectores no tienen las dimensiones de proceso nanométricas de los circuitos integrados, sus contactos son estructuras mecánicas con elementos minúsculos, tolerancias ajustadas y chapas ultrafinas de metales preciosos y no preciosos, mientras que sus cuerpos son también moldeados con precisión. Dado el tamaño del área de contacto de metal y la forma en que estos contactos están "enterrados" en las carcasas, no es posible ver lo que se necesita para crear una zona de contacto altamente fiable.

En estas dimensiones, se requiere un diseño sofisticado combinado con la capacidad de implementarlo en la fabricación de gran volumen a escala de microelementos. Por eso la serie FINEPITCH 0.8 con tecnología ScaleX tiene un único doble contacto. Cuando se aparean, sus contactos -un elemento masculino y un elemento femenino- permiten una conexión a prueba de vibraciones en un espacio muy reducido. Los contactos también tienen clavijas de soldadura de ala de gaviota, que son óptimas para los procesos de soldadura automática.

Cuando los tableros no pueden conectarse directamente

Aunque la colocación y conexión directa de BTB es una opción atractiva, hay situaciones en las que no es posible que dos o más placas de PC se emparejen y aparezcan directamente a través de los conectores de BTB. Esto puede deberse al factor de forma del conjunto del producto, a la forma de las placas, a consideraciones eléctricas y electrónicas al colocar una placa o a cuestiones térmicas.

Para adaptarse a estas situaciones, la serie FINEPITCH 1.27 de Phoenix Contact también ofrece conectores hembra de desplazamiento de aislamiento (IDC) que pueden utilizarse con cables planos. El uso de estas conexiones de cable de cinta plana flexible entre dos tableros de PC permite que estén físicamente pero no eléctricamente separados, y los tableros no tienen que estar paralelos o en ángulo recto entre sí. Al igual que con los conectores BTB, estos se ofrecen en la gama completa de 12 a 80 posiciones; el Phoenix Contact 1714902 es la versión de 12 posiciones que se puede colgar libremente (Figura 10). También hay disponible una versión de montaje en panel.

Imagen de Phoenix Contact 12-posiciones 1714902 conector colgante IDCFigura 10: Los IDC, como el conector de 12 posiciones 1714902 de la serie FINEPITCH 1.27, permiten el uso de cable flexible en configuraciones en las que el contacto directo con el BTB no es posible o deseable. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

El cable plano para el arreglo IDC BTB es también un producto de alta ingeniería con conductores de hilo Litz AWG 30 (0,06 mm²) y una elección de tres tipos de aislamiento: PVC básico (-10°C a +105°C), alta temperatura (-40°C a +125°C), y una versión libre de halógenos. Este último es requerido por el código para algunas instalaciones para suprimir el fuego, y también formar un revestimiento "char" que reduce la emisión de gases venenosos de carbono y el humo y las partículas de carbono que reducen la visibilidad.

Dado que hay cinco orientaciones de cable y disposiciones de conector distintas (Figura 11), nueve tamaños de conector que soportan entre 12 y 80 posiciones, longitudes de cable flexibles desde unos 5 cm (~2 pulgadas) bastante cortos hasta 95 cm (~37,5 pulgadas) mucho más largos, y tres tipos de aislamiento disponibles, hay más de 10.000 permutaciones posibles que abarcan estas opciones. No es práctico almacenar todo esto, así que estos ensamblajes de cable IDC se fabrican según sea necesario usando el emparejamiento y configuración de conector/cable deseado.

Imagen de la disposición y orientación de los conectores de un cable IDCFigura 11: Se muestran tres de las cinco disposiciones y orientaciones disponibles para los conectores de un cable IDC, que ofrecen a los diseñadores la máxima flexibilidad de colocación de cables y las mínimas restricciones, simplificando los recorridos y las colocaciones de los cables. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Conclusión

Los conectores e interconexiones son elementos críticos de un diseño completo que necesitan la debida consideración desde el principio. Cuando se utilizan varias tarjetas de PC, los conectores BTB ofrecen una técnica conveniente, fiable y de alto rendimiento para la conexión entre dos o más tarjetas en una variedad de disposiciones.

A menudo se subestiman los matices y la complejidad de estos conectores, pero como se muestra, los conectores BTB de ingeniería de precisión como las series FINEPITCH 0.8 y FINEPITCH 1.27 de Phoenix Contact ofrecen una alta densidad de interconexión, un rendimiento mecánico superior, compatibilidad con los procesos y el flujo de producción, y un rendimiento eléctrico que cumple con los requisitos de velocidad de datos y EMC de los sofisticados diseños de productos actuales.

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Información sobre el autor

Bill Schweber

Bill Schweber es un ingeniero electrónico que ha escrito tres libros sobre sistemas de comunicaciones electrónicas, así como cientos de artículos técnicos, columnas de opinión y características del producto. Anteriormente, se desempeñó como administrador técnico de sitios web para diferentes sitios de temas específicos de EE Times, así como editor ejecutivo y editor analógico en EDN.

En Analog Devices, Inc. (un proveedor líder de circuitos integrados analógicos y de señales mixtas), Bill trabajó en comunicaciones de mercadeo (relaciones públicas); como consecuencia, ha estado en ambos lados de la función técnica de relaciones públicas, ha presentado productos, historias y mensajes de la compañía a los medios y también ha sido destinatario de estos.

Antes de ocupar el puesto de MarCom en Analog, Bill fue editor asociado de su respetada revista técnica y también trabajó en sus grupos de mercadeo de productos e ingeniería de aplicaciones. Antes de dichas funciones, Bill trabajó en Instron Corp., donde realizaba prácticas de diseño analógico y de circuitos de alimentación e integración de sistemas para los controles de máquinas de prueba de materiales.

Tiene una maestría en Ciencias en Ingeniería Eléctrica (MSEE) (Universidad de Massachusetts) y una licenciatura en Ingeniería Eléctrica (BSEE) (Universidad de Columbia), es un ingeniero profesional registrado y posee una licencia de radio para aficionados de clase avanzada. Además, Bill planificó, escribió y presentó cursos en línea sobre una variedad de temas de ingeniería, incluidos los conceptos básicos de MOSFET, la selección de ADC y los LED de conducción.

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