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文章正文
PCB安装连接器如何应对逐渐增长的苛刻技术需求?
作者:    发布于:2021-04-10 08:29:58    文字:【】【】【

有电路板的地方,就有连接器。它们已经并存了近80年,从那以后已经走了很长一段路。 尽管提供信号和关闭电源的重要性可能显而易见,但当今行业中连接器的许多功能是由恶劣环境、高性能应用、高风险条件和超紧凑设备所驱动的。

本文将深入研究各种各样的应用,这些应用涵盖了基于连接器的解决方案的可靠性、速度、功率容量和密度的重要性,以及一两个可以帮助设计人员的工具。

PCB连接器的三个主要目的是:

1、PCB互连:两个PCB之间的刚性(或柔性)连接;

2、PCB电缆连接:捆绑的有线连接,用于外部外围设备;

3、PCB编程/调试连接:用于调试或编程的连接器(或测试点阵列),通常用于微控制器或现场可编程门阵列(FPGA)之类的东西

在这三种PCB连接中,所有形式的连接和功能都将根据应用情况而有所不同。首先,有两种主要的将连接器安装到PCB的方法:表面安装和通孔。当然,有许多种表面贴装方法,但是出于所有目的,连接器可以通过引脚通孔或引脚焊盘安装。这使我们进入了设计过程中应考虑的一些最初的权衡。

设计时要考虑的权衡

通过通孔安装连接器会带来很多好处,但是主要好处通常是加强机械连接。这是因为引脚/引线穿过PCB,通常焊接到顶层和底层。根据应用,这可能非常重要,尤其是在可靠性和安全性至关重要的情况下。如果简单易用,并且使用周期频繁,通孔连接肯定会提供更高的可靠性,并且随着时间的流逝损坏设备的可能性也将减少。通孔元件的另一个主要优点是,它可以更轻松地进行探测和返工,以进行原型制作或维修。

另一方面,表面贴装连接器可以极大地节省电路板空间(因为该组件仅焊接到一层),并且根据应用场合,还可以节省制造和组装成本。许多连接器都有对准柱,但不需要焊接。同样,表面贴装连接器通常可以包括更高的引脚数密度,这又可以帮助将更多信号封装到更小的区域中,并节省宝贵的电路板空间,请见图1。

PCB安装连接器如何应对逐渐增长的苛刻技术需求?

图1:PCB上的通孔(左)和表面安装(右)连接

由于节省电路板空间和优化密度/体积是产品开发的常见动力,因此许多设计都包含多个刚性或柔性相互连接的电路板。这种方法不仅节省了电路板空间,而且还节省了更多成本。例如,如果一个设计包含一个需要10层以上的256引脚球栅阵列(BGA)处理器(这极大地增加了PCB的制造成本),但是却要与许多外围设备/连接器(可能只需要两层或四层)连接接口,节省空间和成本的方法是将它们分成两块PCB:一块较小的嵌入式PCB,具有10层以上,而另一块次级PCB仅具有四层,并且具有大部分外围组件(例如连接器)。通常使用高密度、高引脚数的板对板连接将“MCU PCB”安装到“背板PCB”上。

如果显示器和按钮之类的东西需要许多卫星PCB,则可以使用灵活的连接。经常被称为柔性电缆,这在LCD和电机连接中很常见,通常有助于减小弯曲半径(这有助于使结构紧凑且外形小巧)和与组装相关的物理应力。柔性连接可以是插入连接器的独立电缆,也可以直接用PCB制造。图2显示了包含许多(不可插拔)挠性电缆连接的摄像机镜头,而图3演示了带有集成挠性电缆的“刚性挠性” PCB的区别。尽管有时难以设计和指定给供应商,但采用刚柔结合技术可以极大地帮助节省生产成本,并使设计更可靠更紧密。但是,由于无法将两个PCB彼此物理隔离,因此刚柔结合的组装可能会更加困难。

PCB安装连接器如何应对逐渐增长的苛刻技术需求?

图2:带柔性电缆的摄像机镜头组件。

PCB安装连接器如何应对逐渐增长的苛刻技术需求?

图3:刚性-柔性PCB技术

考虑连接器的应用

在以电缆连接为主题的同时,让我们快速解决其他一些要考虑的重要事项。一个主题是易用性,一个完美的例子是标准的USB端口。

多年来,USB连接器已通过多种方式进行了改进,包括载流量、信号密度,以及使用USB-C的可逆无方向连接。相反,带有方向键且仅允许单向的连接器(例如经典的USB 2.0连接器)有助于引导用户并防止连接错误。锁定连接通常可提供更好的机械支撑,并且可能需要旋转插头(BNC连接器)或压紧接线片(RJ-45网络电缆)。基本上,如果连接器需要重复使用,则易用性当然应该是用户要求的重中之重。

一些应用需要更长距离的高速、灵敏连接,这导致我们使用光纤。光纤连接主要有三种类型:单模、多模和塑料光纤(POF)。多模连接允许更高的带宽,但由于其高的色散和衰减率,通常会在长距离应用中遭受损失,使其成为基于LAN的短连接的理想选择。单模在更长的距离上表现出色,非常适合诸如RF宽带(您当地的电缆公司)之类的应用。此外,通过诸如外围组件互连(PCI)之类的连接进行并行数据总线通常比诸如USB之类的串行连接要快得多(尽管USB-C也允许并行连接)。应用的速度和性能将决定如何定义这些互连。

对于某些应用,例如航空航天和军事,恶劣的工作条件可能最终导致需求的增长。某些连接器具有针对电磁干扰(EMI)、静电放电(ESD)、振动和/或湿气的特殊保护。对于设计人员来说,一个常见的决定是连接器是否应该屏蔽。屏蔽连接器(被某些导电金属覆盖,可能包括EMI垫圈)可以提供更高级别的保护,以防止有害辐射和局部磁场,但与非屏蔽替代产品相比,通常更笨重或昂贵。具有外壳和相应引脚的连接器可以接地,以辅助人为触摸或其他局部瞬变源引入的ESD。一些连接器甚至包含减震触点,以帮助应对高冲击和高可靠性的应用。最后,需要保护免受外部湿气影响的连接通常包含(或允许使用)密封。图4演示了常见连接中所有这四种变化。

PCB安装连接器如何应对逐渐增长的苛刻技术需求?

图4:(LR)屏蔽直流电源插孔、屏蔽/接地RJ-45插孔,抗振板对板连接器和防水USB连接器。

对于高负载应用,选择具有最大电流或电压额定值的连接器也可以加快设计过程。一些连接器包含混合信号引脚,以支持数据和电源连接。通常,电源引脚具有更大的电流容量,并且可能更厚一些,有助于防止使用两个单独的电源和数据连接器/电缆。

交流电压应用还可以驱动连接器的选择,并要求每个引脚之间的间隙或间距最小(取决于最大电压)。这有助于防止电弧放电,这可能对系统和操作员都有害。连接器将始终列出额定功率,在设计时要遵循这些规范,同时要保证良好的裕度,这一点很重要。

最后,有时最好的(也是最便宜的)解决方案是外露连接器,并简单地将裸露的铜焊盘用于弹簧加载的接口。在提供较小外形尺寸的同时,它可以帮助降低组件成本并允许更容易的探测(基于PCB位置的灵活性)。编程或测试接口是最常见的应用之一。嵌入式设计通常包含调试或编程端口,但是如果通常不使用连接器(仅用于生产或服务,则为什么要在其中使用连接器)?诸如Tag-Connect(如图5所示)之类的电缆技术可提供一种外形更小、成本更低的解决方案。尽管通常仅用作测试点,但也应考虑将焊盘阵列用于基于pogo-pin的连接。

PCB安装连接器如何应对逐渐增长的苛刻技术需求?

图5:Tag-Connect的Pogo-pin电缆技术。

PCB设计套件可以提供帮助

如今,许多CAD程序都具有3D可视化和机械文件导入/导出支持。一个示例是Solidworks Electrical(SWE)。传统上是机械设计CAD程序,但存在用于Solidworks的电气套件,可轻松与示意性定义的PCB和关联的连接集成。设计师的利益包括电气设计工具,可帮助定义互连并产生电缆规格、接线图,甚至文件,这些文件可在其他PCB设计程序中使用以帮助网表,同时提供系统互连的完整可视化。尽管许多PCB设计程序都包含3D可视化功能,但某些程序允许文件互换以帮助定义PCB形状(通过2D文件)和导入组件封装(通过3D文件),这可以极大地帮助检查干扰和优化连接器位置。

结论

PCB连接的设计完全取决于应用,通常从用户要求开始,考虑设计要求,并确定是否需要任何特殊功能。通常被遗忘的是,还必须考虑制造要求,以确保能够以合理的简便性和成本来进行制造和组装。

各种形状和尺寸的PCB设计套件都包含与机械相关的功能,这些功能可以显着帮助降低设计迭代的风险并优化连接器的放置。



★指导单位
国家发展和改革委员会
国家商务部
国家科技部

国家科技部
国家工业和信息化部
国家工业和信息化部
★支持单位
中国汽车工业协会
中国机械工业联合会
中国线缆行业协会
★组织单位
北京亚太瑞斯会展服务有限公司
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