Tři hlavní účely konektorů PCB jsou:
1. Propojení PCB: pevné (nebo flexibilní) spojení mezi dvěma PCB;
2. Připojení kabelu PCB: kabelové připojení pro externí periferní zařízení;
3. Připojení programování / ladění desek plošných spojů: konektor (nebo pole testovacích bodů) používaný k ladění nebo programování, obvykle používaný pro věci jako mikrokontroléry nebo polní programovatelná hradlová pole (FPGA).
U těchto tří druhů připojení desek plošných spojů se budou všechny formy připojení a funkce lišit podle aplikace. Nejprve existují dva hlavní způsoby montáže konektoru na desku plošných spojů: povrchová montáž a průchozí otvor. Samozřejmě existuje mnoho způsobů povrchové montáže, ale pro všechny účely lze konektor připojit prostřednictvím pinů nebo pinů. To nás přivádí k některým počátečním kompromisům, které by měly být zohledněny v procesu návrhu.
Při navrhování je třeba zvážit kompromisy
Montáž konektorů skrz průchozí otvory přináší mnoho výhod, ale hlavní výhodou je obvykle posílení mechanického spojení. Je to proto, že kolíky / vodiče procházejí PCB a jsou obvykle připájeny k horní a spodní vrstvě. V závislosti na aplikaci to může být velmi důležité, zejména tam, kde je nejdůležitější spolehlivost a bezpečnost. Pokud je to jednoduché a snadno použitelné a má častý cyklus používání, připojení skrz otvor určitě zajistí vyšší spolehlivost a možnost poškození zařízení se časem sníží. Další významnou výhodou komponentů s průchozími otvory je, že je lze snáze sondovat a přepracovat pro prototypování nebo opravu.
Na druhou stranu mohou konektory pro povrchovou montáž značně ušetřit místo na desce s plošnými spoji (protože součást je připájena pouze na jednu vrstvu) a v závislosti na aplikaci může také ušetřit výrobní a montážní náklady. Mnoho konektorů má zarovnávací sloupky, ale nevyžadují pájení. Podobně konektory pro povrchovou montáž mohou často zahrnovat vyšší hustoty počtu pinů, což může pomoci zabalit více signálů do menší oblasti a ušetřit cenné místo na desce, viz obrázek 1.
Obrázek 1: Průchozí otvor (vlevo) a připojení pro povrchovou montáž (vpravo) na desce plošných spojů
Protože úspora místa na desce s plošnými spoji a optimalizace hustoty / objemu jsou běžnými hnacími silami vývoje produktů, mnoho návrhů zahrnuje několik tuhých nebo flexibilních propojených desek s plošnými spoji. Tato metoda nejen šetří místo na palubě, ale také šetří více nákladů. Například pokud design obsahuje 256kolíkový procesor s kulovým roštem (BGA), který vyžaduje více než 10 vrstev (což značně zvyšuje výrobní náklady desky plošných spojů), ale musí interagovat s mnoha periferiemi / konektory (může vyžadovat pouze dvouvrstvým nebo čtyřvrstvým připojovacím rozhraním, způsob, jak ušetřit místo a náklady, je rozdělit je na dvě desky plošných spojů: menší integrovanou desku plošných spojů s více než 10 vrstvami a další sekundární desku plošných spojů pouze se čtyřmi vrstvami a většinou periferních komponentů (například konektory). Obecně se k připojení&"; MCU PCB GG" používá připojení s vysokou hustotou a vysokým počtem pinů na desce. na&„backplane PCB GG“ ;.
Pokud věci jako displeje a tlačítka vyžadují mnoho satelitních PCB, lze použít flexibilní připojení. Toto se často označuje jako ohebný kabel, což je běžné u připojení LCD a motoru a obvykle to pomáhá snížit poloměr ohybu (což pomáhá vytvořit kompaktní a malou konstrukci) a fyzické napětí spojené s montáží. Flexibilní připojení může být samostatný kabel zasunutý do konektoru, nebo může být proveden přímo s deskou plošných spojů. Obrázek 2 ukazuje objektiv fotoaparátu s mnoha (nezapojitelnými) flexibilními kabelovými spoji, zatímco obrázek 3 ukazuje rozdíl mezi&"tuhý flexibilní GG"; PCB s integrovanými ohebnými kabely. I když je někdy obtížné navrhnout a přiřadit je dodavatelům, použití technologie rigid-flex může výrazně pomoci ušetřit výrobní náklady a zvýšit spolehlivost a těsnost návrhu. Jelikož však tyto dvě desky plošných spojů nelze od sebe fyzicky oddělit, může být montáž kombinace tuhé a pružné obtížnější.
Obrázek 2: Sestava objektivu fotoaparátu s flexibilním kabelem
Obrázek 3: Tuhá flexibilní technologie desek plošných spojů
Zvažte použití konektoru
Vezmeme-li jako téma kabelové připojení, pojďme rychle vyřešit některé další důležité problémy, které je třeba vzít v úvahu. Jedním z témat je snadné použití a dokonalým příkladem je standardní port USB.
V průběhu let byly konektory USB vylepšeny mnoha způsoby, včetně aktuální kapacity, hustoty signálu a reverzibilních nesměrových připojení pomocí USB-C. Naopak konektor s klávesami se šipkami, který umožňuje pouze jednosměrný přenos (například klasický konektor USB 2.0), pomáhá uživatelům vést a předcházet chybám připojení. Uzamykací připojení obvykle poskytuje lepší mechanickou podporu a může vyžadovat otočné konektory (konektory BNC) nebo kompresní oka (síťové kabely RJ-45). V zásadě platí, že pokud je třeba konektor znovu použít, mělo by být pro uživatele samozřejmě nejvyšší prioritou snadné použití.
Některé aplikace vyžadují vysokorychlostní a citlivé připojení na delší vzdálenosti, což nás vede k používání optických vláken. Existují tři hlavní typy připojení optickými vlákny: single-mode, multi-mode a plastové optické vlákno (POF). Multimode připojení umožňují vyšší šířky pásma, ale kvůli jejich vysoké disperzi a rychlosti útlumu obvykle trpí ztrátami v aplikacích na velké vzdálenosti, což je činí ideálními pro krátká připojení založená na LAN. Single-mode funguje dobře i na delší vzdálenosti, takže je ideální pro aplikace, jako je RF širokopásmové připojení (místní kabelová společnost). Kromě toho jsou paralelní datové sběrnice prostřednictvím připojení, jako je Peripheral Component Interconnect (PCI), obecně mnohem rychlejší než sériové připojení, jako je USB (ačkoli USB-C také umožňuje paralelní připojení). Rychlost a výkon aplikace určí, jak definovat tato propojení.
U určitých aplikací, jako je letecký a vojenský průmysl, mohou drsné pracovní podmínky nakonec vést ke zvýšení poptávky. Některé konektory mají speciální ochranu proti elektromagnetickému rušení (EMI), elektrostatickému výboji (ESD), vibracím a / nebo vlhkosti. Pro designéry je běžné rozhodnutí, zda má být konektor stíněný. Stíněné konektory (pokryté nějakým vodivým kovem a mohou zahrnovat těsnění EMI) mohou poskytovat vyšší úroveň ochrany před škodlivým zářením a lokalizovanými magnetickými poli, ale jsou obecně objemnější nebo nákladnější než nestíněné alternativy. Konektory se skořápkami a odpovídajícími kolíky lze uzemnit, aby pomohly ESD zavedené lidským dotykem nebo jinými místními přechodnými zdroji. Některé konektory dokonce obsahují kontakty tlumící nárazy, které pomáhají vyrovnat se s vysoce nárazovými a spolehlivými aplikacemi. A konečně, spoje, které je třeba chránit před vnější vlhkostí, často zahrnují (nebo umožňují jejich použití) těsnění. Obrázek 4 ukazuje všechny čtyři z těchto variací v běžných připojeních.
Obrázek 4: (LR) Stíněný stejnosměrný napájecí konektor, stíněný / uzemněný konektor RJ-45, konektor deska-deska odolný proti vibracím a vodotěsný konektor USB
U aplikací s vysokým zatížením může výběr konektoru s největším jmenovitým proudem nebo napětím také urychlit proces návrhu. Některé konektory obsahují smíšené signální piny pro podporu datových a napájecích připojení. Napájecí piny mají obecně větší proudovou kapacitu a mohou být silnější, což pomáhá zabránit použití dvou samostatných napájecích a datových konektorů / kabelů.
Aplikace střídavého napětí mohou také řídit výběr konektorů a vyžadují minimální mezery nebo mezery mezi jednotlivými kolíky (v závislosti na maximálním napětí). To pomáhá zabránit vzniku elektrického oblouku, který může být škodlivý pro systém a obsluhu. Na konektoru bude vždy uveden jmenovitý výkon. Při navrhování je důležité dodržovat tyto specifikace a zajistit dobrou rezervu.
Konečně někdy je nejlepším (a nejlevnějším) řešením vystavit konektor a jednoduše použít odkryté měděné podložky pro pružinové rozhraní. I když poskytuje menší tvarový faktor, může pomoci snížit náklady na komponenty a umožnit snadnější detekci (na základě flexibility umístění PCB). Programovací nebo testovací rozhraní je jednou z nejběžnějších aplikací. Integrované návrhy obvykle zahrnují ladění nebo programování portů, ale pokud se konektory obvykle nepoužívají (pouze pro produkci nebo službu, proč používat konektory)? Kabely, jako je technologie Tag-Connect (jak je znázorněno na obrázku 5), mohou poskytnout řešení s menším tvarovým faktorem a nižšími náklady. Ačkoli se pole podložek obvykle používá pouze jako testovací body, mělo by se také brát v úvahu pro připojení založená na pogo-pin.
Obrázek 5: Technologie kabelu Pogo-pin Tag-Connect
Sada desek plošných spojů může pomoci
V dnešní době má mnoho CAD programů 3D vizualizaci a podporu mechanického importu / exportu souborů. Příkladem je Solidworks Electrical (SWE). Tradičně CAD program pro mechanické konstrukce, existují elektrické sady pro Solidworks, které lze snadno integrovat do schematicky definované desky plošných spojů a souvisejících připojení. Mezi výhody designérů patří elektrické návrhové nástroje, které mohou pomoci definovat propojení a generovat specifikace kabelů, schémata zapojení a dokonce i soubory, které lze použít v jiných designérských programech desek plošných spojů, aby pomohly s netlisty a zároveň poskytly úplnou vizualizaci propojení systému. Ačkoli mnoho programů pro návrh desek plošných spojů obsahuje funkce 3D vizualizace, některé programy umožňují výměnu souborů, aby pomohly definovat tvary desek plošných spojů (prostřednictvím 2D souborů) a importovat balení komponent (prostřednictvím 3D souborů), což může výrazně pomoci při kontrole interference a optimalizaci polohy konektorů.
Závěrem
Návrh připojení desky plošných spojů zcela závisí na aplikaci, obvykle vychází z požadavků uživatele, s ohledem na konstrukční požadavky a určuje, zda jsou potřeba nějaké speciální funkce. Často se zapomíná, že je třeba vzít v úvahu také výrobní požadavky, aby bylo možné vyrábět a montovat s rozumnou jednoduchostí a nákladem.
Návrhové sady desek plošných spojů různých tvarů a velikostí obsahují mechanické funkce, které mohou výrazně pomoci snížit riziko návrhových iterací a optimalizovat umístění konektoru.
