Alles, was Entwickler über Speicherkarten-Steckverbinder wissen müssen

Halbleiter-Speicherkarten dienen als modulare, nichtflüchtige Speicherlösungen in einer Vielzahl von elektronischen Systemen und ermöglichen so erweiterte Funktionen, Leistungsmerkmale und Benutzerfreundlichkeit. Um diese Speicherkarten mit Host-Geräten zu verbinden, sind kompatible Anschlüsse erforderlich, die eine zuverlässige mechanische und elektrische Kopplung gewährleisten. Diese Steckverbinder müssen unter immer kompakteren Gerätebedingungen, bei denen die physische Grundfläche und die Signalintegrität entscheidende Konstruktionsfaktoren sind, eine gleichbleibende Performance gewährleisten. Bevor wir uns mit Speicherkarten-Steckverbindern befassen, ist es wichtig, zunächst ein grundlegendes Verständnis der Speicherkartenarchitekturen und ihrer Rolle in eingebetteten Geräten und Unterhaltungselektronik zu erlangen.

Übersicht über Speicherkarten

Speicherkarten sind kompakte Halbleiterspeicher, auf denen digitale Daten wie Fotos, Videos, Musik und Dokumente gespeichert werden können. Sie basieren auf Flash-Speicher, der in den 1980er Jahren entwickelt wurde und Floating-Gate-Transistoren verwendet, um Daten ohne Stromversorgung zu speichern. Da Flash-Speicher keine beweglichen Teile enthalten, bieten sie schnellen Zugriff, hohe Lebensdauer und die Möglichkeit, elektrisch gelöscht und neu beschrieben zu werden.

Im Laufe der Zeit haben sich Speicherkarten erheblich weiterentwickelt, wobei der Trend zu geringeren Abmessungen und größerer Kapazität geht. Zu den gängigsten Formaten gehören heute:

• SIM-Karten (Subscriber Identity Module): SIM-Karten speichern Benutzerdaten und Mobilfunknetzdaten und ermöglichen so Funktionen wie Sprachanrufe, SMS und mobiles Internet. Jede SIM-Karte enthält eine IMSI (International Mobile Subscriber Identity), die zur Authentifizierung bei Mobilfunknetzen verwendet wird. SIM-Karten sind von ihrem veralteten Vollformat (Kreditkartengröße) auf Mini-SIM (25 x 15 mm), Micro-SIM (15 x 12 mm) und Nano-SIM (12,3 × 8,8 mm) geschrumpft. In Mobilgeräten dominiert die Nano-SIM aufgrund ihrer Platzersparnis. Es ist auch wichtig zu beachten, dass Mini-SIMs heute allgemein als SIM oder Standard-SIM bezeichnet werden.
• SD-Karten (Secure Digital): SD-Karten werden häufig für die Speicherung und Übertragung von Daten in der Unterhaltungselektronik verwendet. Sie erweitern den integrierten Speicher von Smartphones, Digitalkameras, Spielkonsolen und Tablet-PCs. Aktuelle Varianten – wie SDHC, SDXC und SDUC – bieten eine höhere Kapazität und schnellere Geschwindigkeiten. Ihre mechanischen Formfaktoren (standardSD, miniSD und microSD) und standardisierten Pinbelegungen machen sie zum bevorzugten Format für Wechselspeicher.
• SmartCards: SmartCards ähneln in ihrer Größe Kreditkarten, verfügen jedoch über einen integrierten Chip, der zusätzliche Funktionen wie Authentifizierung, Verschlüsselung, sichere Identifizierung und Zahlungsabwicklung ermöglicht. Sie können über physische Kontakte verbunden sein oder kontaktlos über RFID- oder NFC-Standards funktionieren. Diese Karten werden häufig in Finanz-, Gesundheits- und Zugangskontrollsystemen verwendet und erfordern kompatible Lesegeräte in den Host-Geräten.

Abbildung 1: Die Entwicklung der Speicherkartengrößen im Laufe der Jahre. (Bildquelle: Same Sky)

Einsteckarten für Speicherkarten-Steckverbinder

Wie bereits erwähnt, sind sowohl SIM- als auch SD-Speicherkarten auf ein mechanisches Verbindungssystem angewiesen, um eine stabile elektrische Schnittstelle mit dem Hostgerät herzustellen. Diese Schnittstelle muss einen konsistenten Signalfluss gewährleisten und gleichzeitig ein reibungsloses Einstecken und Herausziehen der Karte ermöglichen, auch bei häufiger Verwendung oder mechanischer Beanspruchung. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, verfügen moderne Steckverbinder über verschiedene Steckmechanismen, die für unterschiedliche Anwendungsfälle und mechanische Einschränkungen optimiert sind:

• Einstecken/Herausziehen: Einfaches Design – zum Einstecken drücken, zum Herausziehen ziehen. Keine Verriegelung oder Feder. Am besten geeignet für vibrationsarme oder semipermanente Installationen.
• Druck-Druck (automatischer Auswurf): Federmechanismus – einmal drücken zum Einlegen, erneut drücken zum Auswerfen. Bietet taktiles Feedback und ist ideal für den häufigen Einsatz in Verbrauchergeräten.
• Mit Scharnierabdeckung: Die Karte wird durch einen Verschlussdeckel gesichert. Entwickelt für Umgebungen mit starken Vibrationen wie Automobil- oder Industriesysteme, in denen eine sichere Halterung entscheidend ist.

Jeder Stil bietet Kompromisse hinsichtlich Haltbarkeit, Platzbedarf und Benutzerfreundlichkeit, wobei die Wahl letztlich von den mechanischen und umgebungsbedingten Anforderungen der Anwendung abhängt.

Untersuchung der Kontakte des Speicherkartenanschlusses

Sowohl SD- als auch SIM-Karten stellen die Kommunikation mit einem Hostgerät über eine Reihe von leitfähigen Kontaktflächen oder Pins auf der Kartenoberfläche her. Diese Kontaktflächen oder Pins passen in die entsprechenden Buchsenkontakte in der Steckbuchse, um elektrische Schaltkreise zu schließen. Jeder Kontakt hat eine bestimmte Funktion in einem standardisierten Layout, das als Pinbelegung bezeichnet wird.

Die physische Verbindung wird über einen speziellen Sockel hergestellt, der auf der Leiterplatte des Hostgeräts montiert ist. Die Steckverbinder sind auf das jeweilige Kartenformat, wie microSD oder Nano-SIM, zugeschnitten, um eine zuverlässige Ausrichtung und Signalübertragung zu gewährleisten.

SD-Karten-Kontaktkonfigurationen

SD-Karten wurden weiterentwickelt, um durch mehrere Schnittstellenstandards höhere Datenraten zu unterstützen. Eine typische SD-Karte in voller Größe verfügt über 9 Kontakte, während microSD-Versionen in der Regel 8 Kontakte haben. Schnellere Varianten wie UHS-II oder SD Express können zusätzliche Kontakte oder sogar eine zweite Reihe an Kontakten enthalten, um die erhöhte Signalbandbreite zu bewältigen. Moderne SD-Karten unterstützen die folgenden Kommunikationsprotokolle:

• SPI (Serial Peripheral Interface): Eine einfache Schnittstelle mit niedriger Geschwindigkeit, die häufig in eingebetteten Systemen oder Hobbyanwendungen verwendet wird.
• SD-Bus-Schnittstellen: Von Standardgeschwindigkeit und hoher Geschwindigkeit bis hin zu UHS-I, UHS-II und UHS-III, wobei jeder Schritt zunehmend höhere Übertragungsraten ermöglicht.
• PCIe/NVMe: Diese Schnittstelle wird in SD-Express-Karten verwendet und unterstützt ultraschnellen Datenzugriff – ideal für professionelle Videos, große Dateiübertragungen und SSD-ähnliche Leistung.

Das Design des Steckverbinders muss mit der Pin-Konfiguration der Karte und dem unterstützten Protokoll übereinstimmen, um die volle Funktionalität und Datenintegrität zu gewährleisten.

SIM-Karten-Kontaktkonfigurationen

SIM-Karten verfügen in der Regel über 6 bis 8 Kontakte, wobei die genaue Anzahl vom Kartenformat und den Anwendungsanforderungen abhängt. Hier sind die Kontaktfunktionen für eine 8-polige SIM-Karte:

• VCC: Stromversorgungseingang
• GND: Erdungsreferenz
• CLK: Taktsignal für die Datensynchronisation
• I/O: Bidirektionale serielle Datenleitung
• VPP: Programmierspannung
• RST: Signal-Reset
• RFU: Für zukünftige Verwendung reserviert (in der Regel zwei Kontakte, in Standardanwendungen nicht aktiv)

6-polige SIM-Karten verzichten einfach auf die beiden RFU-Kontakte und behalten nur die wesentlichen Leitungen bei: VCC, GND, I/O, CLK, RST und VPP.

Einige SIM-Steckverbinder verfügen über einen oder mehrere zusätzliche Pins zur Erkennung des Vorhandenseins einer Karte. Diese Pins sind Teil des Steckverbinders – nicht der SIM-Karte – und werden beim Einlegen einer Karte mechanisch mit Masse kurzgeschlossen. Sie ermöglichen es dem Host-System, das Einstecken/Entfernen von Karten zu erkennen und entsprechend zu reagieren, ohne die Signalkontakte zu beeinträchtigen.

Abbildung 2: Vergleich verschiedener Pinbelegungen von SD- und SIM-Karten. (Bildquelle: Same Sky)

SmartCard-Kontaktkonfigurationen

Wie bereits erwähnt, sind SmartCards kreditkartengroße Karten mit einem eingebauten Prozessor und Speicher (RAM, EEPROM, ROM). Sie werden entweder über Kontaktflächen oder kontaktlose RF-Kommunikation mit den Host-Systemen verbunden. SmartCard-Steckplätze bieten eine sichere, trennbare Schnittstelle für einen zuverlässigen Datenaustausch und häufige Nutzung. Die Kontaktkonfiguration für SmartCards entspricht der oben beschriebenen 8-poligen SIM-Karte.

Die Anzahl der Anwendungen für Speicherkarten nimmt zu

Die Einführung von SIM-Karten revolutionierte die Vernetzung mobiler Geräte, indem sie eine sichere Benutzeridentifizierung und einen sicheren Netzwerkzugang ermöglichte. Ebenso hat die Entwicklung von SD-Karten die Leistungsfähigkeit von Geräten erheblich gesteigert, indem sie sicheren, austauschbaren Speicher für die Datenübertragung und Erweiterung bietet. Ursprünglich für Mobiltelefone und tragbare Elektronikgeräte entwickelt, haben sich Speicherkartenanwendungen seitdem auf eine Vielzahl fortschrittlicher Technologien ausgeweitet, darunter Haussicherheit, IoT-Geräte, Wearables, Drohnen, Spielekonsolen und vieles mehr.

Fazit

Moderne Speicherkartentechnologie unterstützt leistungsstarke Datenspeicherung und Vernetzung für eine Vielzahl von Geräten. Um verschiedene SD-, SIM- und SmartCard-Formate zu unterstützen, steht eine breite Auswahl an Verbindungslösungen zur Verfügung, darunter Steckverbinder, Auswerfer, Verlängerungen und Adapter. Diese Komponenten sind als ober- und unterseitig montierbare Ausführungen sowie in ultraflachen Designs erhältlich und eignen sich daher ideal für kompakte und platzbeschränkte Anwendungen. Die Verbindungslösungen und Speicherkarten-Steckverbinder von Same Sky werden in einer Vielzahl von Konfigurationen angeboten, um nahezu alle Designanforderungen zu erfüllen.