在便携式应用中的弹簧式连接器选择方法
品慧电子讯今天的电子设计人员面临着在可靠性、适用性和成本之间找到适当平衡的挑战，因为他们指定了创建成功和有竞争力的产品所需的组件。搜索过程的第一步是充分了解应用及其对所涉及连接器的要求。如果没有经过验证的便于小型化和连接的连接器技术，我们的便携式设备将无法实现。
在某些应用中，连接器在生产过程中进行接配。在其他情况下，连接器是设备的组成部分，例如在扩展坞或充电器中。每个应用都需要不同的解决方案。正确应用的连接器将比那些与应用不匹配的连接器更好地工作并且持续更长时间。收集和使用这些知识是当今设计师面临的另一个与连接器相关的挑战。
有几种方法可用于创建连接器中使用的引脚。最灵活的是精密加工。这不仅提供高水平的质量和可靠性，而且在设计和材料方面提供了极大的灵活性，使得设计人员能够指定连接器以满足其确切需求。由此产生的高精度引脚具有圆柱形几何形状，有时也称为转脚（turned pin）。
典型的转脚尺寸范围从0.008英寸（0.2032mm）到0.250英寸（6.35mm）。高速转动可以始终如一地生产精密加工的引脚，引脚在所有关键特征上的严格公差为±0.0005英寸（0.0127mm），这对于连接器引脚功能至关重要。这个过程不仅高度准确，而且其重复性非常好——无论是制造数千还是数百万个引脚。
弹簧式连接器（SLC）中的主要部件是弹簧引脚，有时称为弹簧触点、弹簧探针。它们提供高度可靠、精确制造的互连解决方案，是各种苛刻应用的理想选择。每个弹簧引脚都经过精密加工，以确保高质量、低电阻和兼容的连接器，这使其优于其他技术。
弹簧引脚通常由三个或更多个机加工部件组成，这些部件与内部弹簧组装在一起以提供所需的运动范围。所有这些组件均采用镀镍金电镀，从而确保看在产品的整个使用寿命期间具有出色的导电性、耐用性和防腐蚀性。除了弹簧引脚的电压能力、电流处理和接触电阻的基本电气要求外，在指定SLC时还需要考虑许多选项。
虽然垂直安装是最常见的布置，但某些应用需要两个或更多个板的水平接配。直角引脚和目标可提供0.1英寸（2.54毫米）或0.05英寸（1.27毫米）间距的通孔和表面安装配置，从而为这一挑战提供可靠、低高度的解决方案。SLC通常需要在同一组件内承载电源和信号。标准电源引脚可承受高达9A的电流，温度高于环境温度10°C（20°C）。在需要更高电流或更低温升的应用中，引脚可以加倍，或者可以指定更大的引脚，特别是对于接地连接。
通过在阵列中指定具有不同长度和柱塞行程的弹簧引脚，可以创建所谓的先合后断连接。这些在需要在信号连接之前将电源施加到电路的应用中特别有用，从而避免可能导致不稳定电路行为的未定义状态。这些连接还允许关键信号根据应用的要求进行随时接配。
根据应用的机械配置，可能需要不同的行程距离以及定制的弹簧力。大多数SLC通常在中风时提供60g的力，尽管可以使用替代弹簧。对于复杂的多板组件，可提供双作用SLC。一旦将它们安装到堆叠的中间板上，就可以方便地在上方和下方安装板子。
SLC不限于PCB应用。这种多功能技术还可以通过带有焊杯或压接桶的引脚提供电线端接连接。市面上有各种尺寸的产品，可容纳高达16AWG的电线，具有9A电流处理能力。具有与大多数焊接工艺兼容的高温尼龙46绝缘体的SLC可用于穿过金属或导电材料（例如导电壳体或外壳）的连接。
在SLC中进行设计时，通常最好的目标是在行程范围的中间行程附近操作。通常建议压缩25-75％；但是，一些一次性按压应用可以可以采用最大限度的按压操作。对于具有最小行程能力的超薄型弹簧引脚，最好的压缩范围是在50-85％内。
弹簧引脚能够与非平行表面匹配，但重要的是确保接配力轴向施加到活塞/柱塞上。应避免活塞的侧向接合或侧向加载，因为弯曲或破裂会造成活塞或弹簧引脚损坏。
在接配受控较少的应用中，良好的设计方法是结合支座硬件或其他特征，以提供机械支撑，以避免弹簧引脚过度按压。
SLC的一大好处是它的多功能性和与各种表面配合的能力。只要弹簧引脚柱塞/活塞与平坦或凹陷的电镀表面接触，就可以形成良好的连接。这消除了传统插针连接器系统的一面，并且减少了部件成本、生产时间和复杂性。
虽然与镀金PCB焊盘配合是最常见的方式，但其他机械选项可用于满足特定的应用要求。对于通孔应用，可以使用专用的钉头引脚或目标引脚。在表面贴装应用中，可提供薄型镀金目标焊盘，为电路板表面提供高导电、耐磨的延伸。通过将弹簧引脚与适当的目标组合，可以实现不同的配合距离以适应几乎任何应用。
由于设计不良或磨损导致的较差的连接质量，对整个系统的可靠性产生负面影响。因此，在为应用指定正确的SLC时，经过验证和证明的可靠性至关重要。自从1976年推出以来，IEC 60512一直是测试连接器机械、电气和气候特性的权威标准。该标准规定了许多评估连接器质量和可靠性的测试，包括弹簧力、接触电阻、随机，半窦和正弦振动、快速温度变化、干热、循环热、冷和载流能力。这些测试非常广泛，可以在原始零件以及预先循环的零件上进行，以确保连接器在实际应用中具有长期可靠性。一些制造商使用IEC 60512作为基准，但添加了特定的附加测试以反映已知应用或解决技术变化时的其他潜在弱点。
在指定SLC时，设计人员应检查所有可用的测试数据。信誉良好的制造商通常会引入某些类型连接器的特定非标准测试，这将为设计人员提供有关连接器在某种应用中进行可靠工作的进一步保证。
选择一个品牌的SLC而不是另一个品牌的另一个有价值的标准是设计支持材料的可用性。大多数制造商将提供多种工具，包括用于快速设计模型的详细3D模型（例如，IGES或STEP）和PCB布局建议，以确保实现正确的焊盘图案以实现最佳SLC操作。
随着创新带来新的产品类别，多功能SLC连接器在支持未来技术方面发挥着重要作用。迄今为止最流行的SLC应用之一是两个或更多PCB之间的板对板连接。随着产品尺寸的缩小，高端模块化设计方法变得越来越流行，制造商正在产品中增加PCB数量。SLC允许容易地堆叠多个板，因为SLC容纳公差叠加，包括由于非平行固定或PCB翘曲所导致的较小的失准。无论电路板是平行的、垂直的还是水平的，SLC的多功能性都可使它们成为可行的解决方案。
当今设计中有限的空间也意味着盲配变得越来越普遍。接合过程中引脚到插座的错位会导致引脚损坏或弯曲，触点损坏以及连接不良或缺失。SLC是理想的解决方案，因为不需要插入。当柱塞尖端接触导电表面（通常是PCB上的焊盘或目标引脚的表面）时就进行连接。这些接配表面通常比弹簧销柱塞大，这进一步消除了对准和对部件的潜在损坏的担忧。
随着越来越多的设备变得便携化，它们依赖于电池电源并且需要频繁充电（通常在充电座中）。SLC是便携式仪器中电池充电以及用于数据和电力传输目的的对接手持设备的完美解决方案。它们可以轻松集成到任何系统中，提供多种高度、行程和弹簧力选择。接触采用了柱塞头，因此当将电池或装置放置在支架中时，弹簧引脚可以实现盲插和一些失准。这使其成为最终用户进行连接应用的理想选择。
在设计利用高速互连的应用时，在信号路径上浏览所有潜在的减速带是至关重要。必须了解并掌握以下因素：叠层、公差、通孔设计、迹线宽度、镀层和铜蚀刻，以实现最佳信号路径。 任何设计清单都应该包含连接器，而这些连接器往往被忽略。如果没有仔细检查，连接器可能会严重影响系统的信号完整性。
正确的连接器应该提供几个关键要素：
在目标带宽上配接阻抗
低于目标带宽的插入损耗
可靠连接到PCB
可靠连接到电缆系统
为了确保连接器可以为信号提供低损耗和配接阻抗，必须查看散射或s参数。S参数详细说明了线性电网的特性，并确定了带宽和电路损耗，从而揭示了其性能潜力。S参数数据由制造商提供，作为表征其连接器的一种方式，并应成为设计高速连接器时首先考虑的标准。设计师还应该在时域中转换并观察s参数，以及时域反射（TDR）图，并查看内部阻抗曲线。
由于连接器有很多种类（例如，端子类型、内部信号长度、材料等），设计人员需要了解s参数文件是如何创建的。在盲目地将touchstone文件放入仿真并相信结果之前，询问供应商几个问题是很重要的，其中包括：
1. 你想要的插针与仿真的插针配接吗？
2. 其他插针如何端接？
3.在提供的数据中使用了什么样的布局？
4.有没有残端？
5.用于表征的端子类型是什么？（例如电镀通孔、表面安装、压接）
6.夹具如何嵌入或测量中包含什么？
7.这是我需要的准确零件号吗？
优质供应商为每个客户的预期用途提供仿真和与测量相关的数据，从而为他们提供更准确的连接器对设计影响的评估，并增强他们在仿真数据中的置信度。
选择连接器时的另一个重要标准是PCB端接选项。连接器通常有多种端接形式，包括（但不限于）表面安装、压接和通孔锡膏（PIH），每种形式都有其独特的优缺点。压接端子结构非常坚固，可为PCB提供最大的保持力和连接性，但对高速应用也提出了严峻的挑战。从高密度压合连接器发送信号可能需要高层数PCB，从而通过电镀孔向上延伸得到最长路径，以到达连接器。钻孔的细长路径和固定直径可能会对较高频率的信号产生明显的不连续性，并可能阻碍高数据速率。
表面贴装端接更适合高速设计，并连接器发射点的配接阻抗可获得最大的灵活性。设计人员可以直接进入连接器的焊盘或使用选择的钻孔来提供通过PCB的路径。此外，导通孔可以埋入PCB内，或反向钻孔以减少未使用的通孔残端，并改善压接端接方式的频率响应。这种端接方法为高频设计提供了最大的好处，但不一定是稳健的。表面贴装连接器通常需要一些额外的加固件，例如安装硬件，以确保与PCB的牢固连接。
PIH端接是前两种风格之间的混合。与压接类似，PIH端子具有较短的非压接插针——插入镀通孔足迹并焊接到位。主要区别在于它的插针短得多，可以对钻孔进行反钻以去除信号上多余的残端。这种高密度连接器要做入PCB仍然存在挑战。选择供应商提供这些短至10mm的插针，可以提供改进的高频响应和与PCB的坚固连接。在从PCB转换到连接器时，每种端接类型都存在一些信号阻抗不连续性，并且每种端接类型都使得设计人员能够改变自由度以最小化不连续性对信号完整性的影响。
选择用于高速设计的连接器时，考虑接触配接连接器的方式也很重要。有几种配接接触的方法，每种方法都有其独特的一系列优点和局限，从而影响整体设计的信号完整性。边缘安装连接器是一种流行的配接接触方法。这些连接器具有可沿PCB焊盘滑动的弹簧指，可以在单一点处进行电气接触，从而使信号的间断性最小，但在高冲击和振动应用中可能有害（或需要额外的保持方法）。许多MSA标准设计（例如SFP、SFP +和QSFP）都使用这种类型的电气接口。
压接连接更加广泛地用于坚固的应用中。这个相当基本的系统由一个带插座的母头和一个带弹簧插针的公头组成。这种配接类别有两个或两个以上的接触点，与边缘安装配接系统提供的单点接触相比，可以提供多种优势。特别为高可靠性、高速度产品设计，图1所示的多个接触点可实现较低的接触电阻和信号电感，以及可靠耐用的连接，可承受极端振动。但是，插针和插座触点可能比边缘接触长，如果设计不当，可能会出现较大的不连续点。因此，研究制造商提供的s参数和阻抗图是至关重要的。
图1：Airborn的verSI®压接插针和插座连接器可在极端振动的高速应用中提供坚固可靠的低电感连接。
另外，在速度设计方面，重要的是要考虑相对于占地面积的吞吐量。图2比较了两个基本系统：一个采用25G /通道QSFP连接器，另一个采用10G /通道HD4连接器。由此产生的输出（4320Gbps与3600Gbps）表明，通过连接器设计实现的卓越密度，在相同托架系统中，与更高速度的25G QSFP连接器相比，10G HD4连接器可以产生更高的数据吞吐量，从而节省组件和能源成本，并且甚至数据中心平方英尺更具潜力。
图2：针对高密度设计的AirBorn 10GHD4®连接器可在同一托架系统内提供比25G QSFP连接器更高的吞吐量，从而实现组件和能源成本节省。
最终，设计师需要从A点到B点获得一个强大而不受干扰的信号，而正确的连接器是这段旅程的关键要素。毕竟，即使是最高速度的连接器如果经历间歇性打开，也是不利的。最优质的供应商提供多种连接器，以提供高速和高可靠性解决方案，端到端通道解决方案，与客户密切合作以评估他们的个别需求，并以最小的信号衰减开发最佳互连解决方案。设计师有多种连接器可供选择，因此应密切关注关联数据并明智地选择。
作者：Mill-Max Mfg公司产品工程经理Stephen Capitelli
