5. Leiterplatten-Steckverbinder - Zusammenfassung

Leiterplattensteckverbinder („Stecker“) als Übergänge zu anderen Leiterplatten oder Kabeln sind elektrische Stoßstellen, die die Qualität der Signalübertragung bzw. der Stromversorgung beeinträchtigen. Grund für Signalstörungen ist die geometrische Veränderung der Leiterbahn, was eine Änderung der Impedanz zur Folge hat. Für die Stromversorgung spielt die Induktivität der Zuleitungen die entscheidende Rolle. Die Belegung mit Signalen, Power- und GND-Anschlüssen sowie deren Anordnung zueinander ist entscheidend sowohl für die Leitungsimpedanzen und den Signalrückstromweg wie auch die niederinduktive Stromzufuhr.

In der Regel sind SMD-Stecker wegen geringerer Induktivität und geringerem Flächenverbrauch Steckern in Durchsteck­technik vorzuziehen - sofern auch die mechanischen Anforderungen mit der SMD-Variante erfüllt werden können.

Das Layout beginnt mit einer geeigneten Steckerplatzierung auf der Leiter­platte. Ggf. sind einzelne oder mehrere Stecker-Positionen durch die Peripherie zu anderen Baugruppen bereits vorgegeben. Für frei platzierbare Stecker sollte der Layouter darauf achten, diese, sofern möglich, an eine gemeinsame Kante der Leiterplatte zu setzen oder zumindest nahe bei­einander (z.B. alle Eingänge an der Front- oder der Rückseite eines Gerätes angeordnet). Dadurch können von außen einkoppelnde Störimpulse (ESD, Burst) über eine I/O-Masse leichter nach Masse abgeleitet werden und daran gehindert, durch die Baugruppe hindurch auf eine gegen­über­liegende Leitung auszukoppeln. Gleichzeitig können gegen­überliegende Kabel auch als Dipolantennen wirken, die ggf. impulsartige Potentialunterschiede im GND-Potential infolge von Schaltvorgängen als HF zur Abstrahlung bringen.

Bei jedem Stecker mit Spannungsversorgung sollte ein Stütz­kondensator im Bereich 1…100 µF (je nach Last) vorgesehen sein, damit bei den Strombelastungsspitzen die Versorgungsspannung hinter dem Stecker aufgrund seiner Induktivität nicht allzu sehr einbricht. Bei Steckern, die als externe Schnittstellen genutzt werden, ist die Kontaktierung geschirmter Kabel kritisch und von der Anwendung abhängig. Die Art der Verbindung von Shield/Chassis-GND und Logik-GND hat einen sehr großen Einfluss auf die Signal­qualität der Inter­faces und die ESD/EMV-Eigenschaften der Baugruppe (-> 5.2).

Regeln für die Stecker-Pinbelegung

• Für jeden Signalpin mindestens einen GND- oder einen PWR-Pin vorsehen, falls im Stecker möglich, ansonsten Signalpins gruppieren und jeweils pro Gruppe ein PWR/GND-Paar zuordnen.
   
• High-Speed-Signalpins sollten immer durch GND-Pins umgeben/abgeschirmt werden, damit weniger Störungen auftreten können; d.h. auch im Steckverbinder liegt der Rückstrompfad nahe am Signal­pfad (Impedanzsprung, Übersprechen). Differentielle Signalpaare liegen im Stecker immer dicht neben- oder übereinander. Je schneller (oder je empfindlicher) die Signalleitungen sind, umso mehr Power-/Ground-Anschlüsse sollten genutzt werden. Im Idealfall schirmen mehrere Ground-Pins einen Signalpin ab (Koaxialstruktur).
   
• PWR – GND dicht beieinander anordnen, d.h. Schleifen im Stecker mit kleinstmöglicher Schleifenfläche, um Ab- und Einstrahlung sowie die Leitungsinduktivität zu minimieren.