Трите основни цели на PCB съединителите са:
1. Взаимодействие на печатни платки: твърда (или гъвкава) връзка между две печатни платки;
2. Кабелна връзка на печатни платки: пакетна кабелна връзка за външно периферно оборудване;
3. Връзка за програмиране / отстраняване на грешки на печатни платки: съединител (или масив от тестови точки), използван за отстраняване на грешки или програмиране, обикновено използван за неща като микроконтролери или полеви програмируеми масиви на порта (FPGA)
При тези три вида връзки на печатни платки всички форми на връзки и функции ще варират в зависимост от приложението. Първо, има два основни метода за монтиране на конектора към печатната платка: повърхностно монтиране и проходен отвор. Разбира се, има много методи за повърхностно монтиране, но за всички цели съединителят може да бъде монтиран чрез щифтове или щифтове. Това ни води до някои първоначални компромиси, които трябва да бъдат взети предвид в процеса на проектиране.
Компромиси, които да се вземат предвид при проектирането
Монтирането на съединители през отвори носи много предимства, но основната полза обикновено е да се засили механичната връзка. Това е така, защото щифтовете / проводниците преминават през печатната платка и обикновено са запоени към горния и долния слой. В зависимост от приложението, това може да бъде много важно, особено когато надеждността и безопасността са от първостепенно значение. Ако е лесен и лесен за използване и има чест цикъл на използване, връзката през отвора определено ще осигури по-висока надеждност и възможността за повреда на устройството ще намалее с течение на времето. Друго основно предимство на проходните компоненти е, че те могат да бъдат по-лесно изследвани и преработвани за прототипиране или ремонт.
От друга страна, конекторите за повърхностно монтиране могат значително да спестят място на платката (тъй като компонентът е споен само на един слой) и в зависимост от приложението, могат да спестят и производствени и монтажни разходи. Много конектори имат стълбове за подравняване, но не изискват запояване. По същия начин, конекторите за повърхностно монтиране често могат да включват по-висока плътност на броя на щифтовете, което от своя страна може да помогне да се пакетират повече сигнали в по-малка площ и да се спести ценно място на платката, вижте Фигура 1.
Фигура 1: Проходни отвори (вляво) и връзки за монтиране на повърхността (вдясно) на печатната платка
Тъй като спестяването на пространство на платката и оптимизирането на плътността / обема са често срещани движещи сили за разработването на продукта, много дизайни включват множество твърди или гъвкави взаимосвързани платки. Този метод не само спестява място на дъската, но и спестява повече разходи. Например, ако дизайнът включва 256-пинов процесор със сферична решетка (BGA), който изисква повече от 10 слоя (което значително увеличава производствените разходи на печатната платка), но той трябва да взаимодейства с много периферни устройства / съединители (може да изисква само двуслоен или четирислоен) интерфейс за връзка, начинът да спестите място и разходи е да ги разделите на две ПХБ: по-малка вградена ПХБ с повече от 10 слоя и друга вторична ПХБ само с четири слоя и повечето периферни компоненти (като съединители). Обикновено за монтиране на" се използва връзка с висока плътност и висок брой щифтове борд към платка; MCU PCB" на" задна платка" ;.
Ако неща като дисплеи и бутони изискват много сателитни печатни платки, могат да се използват гъвкави връзки. Често наричан гъвкав кабел, това е често срещано при LCD и моторните връзки и обикновено помага за намаляване на радиуса на огъване (което помага да се направи конструкцията компактна и малка) и физическото напрежение, свързано със сглобяването. Гъвкавата връзка може да бъде отделен кабел, вмъкнат в конектора, или може да бъде направен директно с печатни платки. Фигура 2 показва обектив на фотоапарат с много (без възможност за включване) гъвкави кабелни връзки, докато Фигура 3 показва разликата между" твърд гъвкав" ПХБ с интегрирани гъвкави кабели. Въпреки че понякога е трудно да се проектира и възложи на доставчици, използването на технология с твърда гъвкавост може значително да помогне за спестяване на производствени разходи и да направи дизайна по-надежден и по-строг. Тъй като обаче двете PCB не могат да бъдат физически разделени една от друга, сглобяването на твърдо-гъвкава комбинация може да бъде по-трудно.
Фигура 2: Сглобяване на обектива на камерата с гъвкав кабел
Фигура 3: Твърда гъвкава технология на печатни платки
Помислете за приложението на съединителя
Докато приемаме кабелната връзка като тема, нека бързо разрешим някои други важни въпроси, които да разгледаме. Едната тема е лекотата на използване, а отличен пример е стандартният USB порт.
През годините USB конекторите са подобрени по различни начини, включително текущ капацитет, плътност на сигнала и обратими ненасочени връзки с помощта на USB-C. Напротив, съединител с клавиши със стрелки, който позволява само еднопосочно (като класически конектор USB 2.0), помага за насочване на потребителите и предотвратяване на грешки в свързването. Заключващите връзки обикновено осигуряват по-добра механична поддръжка и може да изискват въртящи се щепсели (BNC конектори) или компресионни уши (мрежови кабели RJ-45). По принцип, ако съединителят трябва да се използва повторно, лекотата на използване, разбира се, трябва да бъде основен приоритет за потребителите.
Някои приложения изискват високоскоростни, чувствителни връзки на по-големи разстояния, което ни кара да използваме оптични влакна. Има три основни типа връзки с оптични влакна: едномодови, многорежимни и пластмасови оптични влакна (POF). Многомодовите връзки позволяват по-висока честотна лента, но поради високата си степен на дисперсия и затихване те обикновено търпят загуби в приложения на дълги разстояния, което ги прави идеални за къси LAN базирани връзки. Единичният режим се представя добре на по-големи разстояния, което го прави идеален за приложения като RF широколентов достъп (вашата местна кабелна компания). В допълнение, паралелните шини за данни чрез връзки като Peripheral Component Interconnect (PCI) обикновено са много по-бързи от серийните връзки като USB (въпреки че USB-C също позволява паралелни връзки). Скоростта и производителността на приложението ще определят как да се дефинират тези взаимовръзки.
За определени приложения, като космическа и военна техника, тежките условия на труд в крайна сметка могат да доведат до увеличаване на търсенето. Някои конектори имат специална защита срещу електромагнитни смущения (EMI), електростатичен разряд (ESD), вибрации и / или влага. За дизайнерите обикновено решение е дали съединителят трябва да бъде екраниран. Екранирани съединители (покрити с някакъв проводим метал и могат да включват EMI уплътнения) могат да осигурят по-високо ниво на защита срещу вредно лъчение и локализирани магнитни полета, но обикновено са по-обемисти или по-скъпи от неекранираните алтернативи. Съединители с черупки и съответни щифтове могат да бъдат заземени, за да подпомогнат ESD, въведен от човешко докосване или други местни преходни източници. Някои съединители дори включват амортисьорни контакти, които помагат да се справите с приложения с високо въздействие и висока надеждност. И накрая, връзките, които трябва да бъдат защитени от външна влага, често включват (или позволяват използването на) уплътнения. Фигура 4 демонстрира и четирите вариации в общите връзки.
Фигура 4: (LR) Екраниран жак за постоянен ток, екраниран / заземен RJ-45 жак, устойчив на вибрации съединител борд към платка и водоустойчив USB конектор
За приложения с голямо натоварване изборът на съединител с най-голям ток или напрежение също може да ускори процеса на проектиране. Някои конектори включват смесени сигнални щифтове за поддръжка на връзки за данни и захранване. Като цяло захранващите щифтове имат по-голям токов капацитет и могат да бъдат по-дебели, което помага да се предотврати използването на два отделни съединителя / кабела за захранване и данни.
Приложенията с променливо напрежение също могат да стимулират избора на конектори и изискват минимални пропуски или разстояния между всеки щифт (в зависимост от максималното напрежение). Това помага за предотвратяване на искрене, което може да бъде вредно за системата и оператора. Конекторът винаги ще изброява номиналната мощност. Важно е да се следват тези спецификации при проектирането и да се гарантира добър марж.
И накрая, понякога най-доброто (и най-евтиното) решение е да изложите конектора и просто да използвате откритите медни подложки за пружинно натоварен интерфейс. Въпреки че осигурява по-малък форм-фактор, той може да помогне за намаляване на разходите за компоненти и да позволи по-лесно откриване (въз основа на гъвкавостта на местоположението на печатни платки). Интерфейсът за програмиране или тестване е едно от най-често срещаните приложения. Вградените дизайни обикновено включват портове за отстраняване на грешки или програмиране, но ако конекторите обикновено не се използват (само за производство или услуга, защо да се използват конектори)? Кабели като Tag-Connect (както е показано на фигура 5) Технологията може да осигури решение с по-малък форм-фактор и по-ниска цена. Въпреки че обикновено се използва само като тестови точки, масивът на подложките също трябва да се има предвид при връзки, базирани на Pogo-pin.
Фигура 5: Pogo-pin кабелната технология на Tag-Connect
Комплектът за дизайн на печатни платки може да помогне
В днешно време много CAD програми имат 3D визуализация и механична поддръжка за импортиране / експортиране на файлове. Пример за това е Solidworks Electrical (SWE). Традиционно CAD програма за механичен дизайн, има електрически комплекти за Solidworks, които могат лесно да бъдат интегрирани със схематично дефинираната платка и свързаните с нея връзки. Предимствата на дизайнерите включват електрически инструменти за проектиране, които могат да помогнат за дефиниране на взаимните връзки и генериране на спецификации на кабелите, електрически схеми и дори файлове, които могат да се използват в други програми за проектиране на печатни платки, за да помогнат с мрежовите списъци, като същевременно осигуряват пълна визуализация на системните взаимовръзки. Въпреки че много програми за дизайн на печатни платки включват възможности за 3D визуализация, някои програми позволяват обмен на файлове, за да помогнат за определяне на форми на печатни платки (чрез 2D файлове) и импортиране на опаковки на компоненти (чрез 3D файлове), което може значително да помогне за проверка на смущения и оптимизиране на позицията на съединителите.
В заключение
Дизайнът на връзката на печатни платки зависи изцяло от приложението, обикновено като се започне от изискванията на потребителя, като се вземат предвид изискванията за дизайн и се определи дали са необходими някакви специални функции. Това, което често се забравя, е, че производствените изисквания също трябва да бъдат взети предвид, за да се гарантира, че то може да бъде произведено и сглобено с разумна простота и цена.
Комплектите за дизайн на печатни платки с различни форми и размери съдържат свързани с механиката функции, които могат значително да помогнат за намаляване на риска от итерации на дизайна и оптимизиране на разположението на конектора.
