Три основные цели разъемов PCB:
1. соединение ПХД: жесткая (или гибкая) связь между двумя ПХД;
2. Кабельное соединение PCB: в комплекте проводное соединение для внешнего периферийного оборудования;
3. PcB программирование / отладка соединения: разъем (или массив тестовых тока), используемый для отладки или программирования, как правило, используется для таких вещей, как микроконтроллеры или полевые программируемые массивы ворот (FPGAs)
В этих трех видах соединений PCB, все формы соединений и функций будут варьироваться в зависимости от приложения. Во-первых, существует два основных способа монтажа разъема к ПХД: поверхностное крепление и сквозное отверстие. Конечно, Есть много методов монтажа поверхности, но для всех целей, разъем может быть установлен через контактный vias или контактные колодки. Это подводит нас к некоторым первоначальным компромиссов, которые должны быть рассмотрены в процессе проектирования.
Компромиссы для рассмотрения при проектировании
Монтаж разъемов через отверстия приносит много преимуществ, но основное преимущество, как правило, для укрепления механического соединения. Это потому, что булавки / приводит пройти через PCB и, как правило, припой в верхней и нижней слоев. В зависимости от приложения, это может быть очень важно, особенно там, где надежность и безопасность имеют первостепенное значение. Если он прост и прост в использовании и имеет цикл частого использования, соединение через отверстие, безусловно, обеспечит более высокую надежность, и вероятность повреждения устройства будет уменьшаться с течением времени. Другим важным преимуществом компонентов через отверстие является то, что его легче исследовать и переработать для прототипирования или ремонта.
С другой стороны, разъемы surface mount могут значительно сэкономить место на печатной доске (потому что компонент припой только до одного слоя), и в зависимости от приложения, он также может сэкономить производственные и сборочные расходы. Многие разъемы имеют столбы выравнивания, но не требуют припоя. Аналогичным образом, разъемы для монтажа поверхности часто могут включать более высокую плотность кол-кода, что, в свою очередь, может помочь упаковать больше сигналов в меньшую область и сэкономить ценное пространство доски, см. Рисунок 1.
Рисунок 1: Через отверстие (слева) и поверхностные соединения (справа) на ПХД
Поскольку экономия пространства платы и оптимизация плотности/объема являются общими движущей силой для разработки продукта, многие конструкции включают несколько жестких или гибких взаимосвязанных плат. Этот метод не только экономит место на борту, но и экономит больше затрат. Например, если конструкция включает в себя 256-контактный шар сетки массива (BGA) процессор, который требует более 10 слоев (что значительно увеличивает производственные затраты на PCB), но он должен взаимодействовать со многими периферийными устройствами / разъемы (может потребоваться только два слоя или четыре слоя) интерфейс соединения, способ сэкономить место и стоимость заключается в том, чтобы разделить их на два ПХД: меньший встроенный ПХД с более чем 10 слоями, и еще один вторичный ПХД только с четырьмя слоями и большинством периферийных компонентов (таких как разъемы). Как правило, для установки "MCU PCB" на "backplane PCB" используется соединение с высокой плотностью, высоким пин-графом.
Если такие вещи, как дисплеи и кнопки требуют много спутниковых ПХД, гибкие соединения могут быть использованы. Часто упоминается как гибкий кабель, это распространено в LCD и моторных соединений, и, как правило, помогает уменьшить радиус изгиба (который помогает сделать структуру компактной и небольшой) и физический стресс, связанный с сборкой. Гибкое соединение может быть отдельным кабелем, вставленным в разъем, или его можно сделать непосредственно с помощью ПХД. На рисунке 2 показан объектив камеры со многими (не подключаемыми) гибкими кабельными соединениями, в то время как рисунок 3 демонстрирует разницу между «жестким гибким» ПХД со встроенными гибкими кабелями. Хотя иногда бывает трудно разработать и назначить поставщикам, использование жесткой гибкой технологии может значительно помочь сэкономить производственные затраты и сделать дизайн более надежным и более жестким. Однако, поскольку два ПХД не могут быть физически отделены друг от друга, сборка жестко-гибкой комбинации может быть более сложной.
Рисунок 2: Сборка объектива камеры с гибким кабелем
Рисунок 3: Жестко-гибкая технология ПХД
Рассмотрим применение разъема
Принимая кабельное соединение в качестве темы, давайте быстро решить некоторые другие важные вопросы для рассмотрения. Одной из тем является простота использования, и прекрасным примером является стандартный порт USB.
На протяжении многих лет разъемы USB улучшались различными способами, включая текущую емкость, плотность сигнала и обратимые ненаправлениюные соединения с помощью USB-C. Напротив, разъем со стрелками, который позволяет только в одну сторону (например, классический разъем USB 2.0) помогает пользователям и предотвратить ошибки соединения. Блокировка соединений обычно обеспечивает лучшую механическую поддержку и может потребовать вращающихся пробок (разъемы BNC) или сжатия люков (RJ-45 сетевых кабелей). В принципе, если разъем должен быть повторно использован, простота использования, конечно, должно быть главным приоритетом для пользователей.
Некоторые приложения требуют высокоскоростных, чувствительных соединений на большие расстояния, что приводит нас к использованию оптических волокон. Существует три основных типа оптических волоконных соединений: одноотмейное, мульти-режимное и пластиковое оптическое волокно (POF). Мультимодные соединения позволяют увеличить пропускную способность, но из-за их высокой скорости дисперсии и интенсивности, они обычно терпят убытки в междугородних приложениях, что делает их идеальными для коротких LAN-соединений. Single-mode выполняет хорошо на большие расстояния, что делает его идеальным для приложений, таких как RF широкополосной связи (ваша местная кабельная компания). Кроме того, параллельные автобусы данных через соединения, такие как периферийный компонент Interconnect (PCI), как правило, гораздо быстрее, чем серийные соединения, такие как USB (хотя USB-C также позволяет параллельное соединение). Скорость и производительность приложения будет определять, как определить эти взаимосвязи.
В некоторых областях применения, таких, как аэрокосмическая промышленность и военные, суровые условия труда могут в конечном итоге привести к увеличению спроса. Некоторые разъемы имеют специальную защиту от электромагнитных помех (EMI), электростатического разряда (ESD), вибрации и/или влаги. Для дизайнеров, общее решение заключается в том, разъем должен быть защищен. Защищенные разъемы (покрытые некоторым проводящим металлом и могут включать прокладки EMI) могут обеспечить более высокий уровень защиты от вредного излучения и локализованных магнитных полей, но, как правило, более громоздкие или дорогие, чем неохраняемые альтернативы. Разъемы с оболочками и соответствующими булавками могут быть заземлены для оказания помощи ESD, введенной человеческим прикосновением или другими местными переходными источниками. Некоторые разъемы даже включают в себя удароемкие контакты, чтобы помочь справиться с высокой и высокой надежностью приложений. Наконец, соединения, которые должны быть защищены от внешней влаги, часто включают (или позволяют использовать) уплотнения. На рисунке 4 по всем четырем из этих вариаций в общих связях.
Рисунок 4 :(LR) Защищенный разъем питания DC, защищенный/заземленный разъем RJ-45, вибрационный разъем с бортом и водонепроницаемый разъем USB
Для приложений с высокой нагрузкой выбор разъема с самым большим током или рейтингом напряжения также может ускорить процесс проектирования. Некоторые разъемы включают смешанные сигнальные штыри для поддержки данных и подключения к мощности. Как правило, штыри питания имеют большую текущую емкость и могут быть толще, помогая предотвратить использование двух отдельных разъемов питания и данных/кабелей.
Приложения для напряжения переменного тока также могут управлять выбором разъемов и требовать минимальных зазоров или интервалов между каждой булавкой (в зависимости от максимального напряжения). Это помогает предотвратить дуги, которые могут быть вредны для системы и оператора. Разъем всегда будет перечислять номинальную мощность. Важно следовать этим спецификациям при проектировании и обеспечить хорошую маржу.
Наконец, иногда лучшим (и самым дешевым) решением является разоблачение разъема и простое использование открытых медных колодок для пружинного интерфейса. Обеспечивая меньший форм-фактор, он может помочь снизить затраты на компоненты и упростить обнаружение (на основе гибкости расположения ПХД). Программирование или тестирование интерфейса является одним из наиболее распространенных приложений. Встроенные конструкции обычно включают отладку или программирование портов, но если разъемы обычно не используются (только для производства или обслуживания, зачем использовать разъемы)? Кабели, такие как Tag-Connect (как показано на рисунке 5) Технология может обеспечить решение с меньшим форм-фактором и более низкой стоимостью. Хотя обычно используется только в качестве тестовых точек, массив колодок также следует рассматривать для соединений на основе пого-пин.
Рисунок 5: Технология кабеля Pogo-pin от Tag-Connect
PcB дизайн комплект может помочь
В настоящее время многие программы CAD имеют 3D визуализацию и механическую поддержку импорта/экспорта файлов. Примером может быть Solidworks Electrical (SWE). Традиционно cad программа для механического проектирования, Есть электрические комплекты для Solidworks, которые могут быть легко интегрированы с схематично определены ПХД и связанных с ними соединений. Преимущества дизайнеров включают электрические инструменты проектирования, которые могут помочь определить взаимосвязи и генерировать спецификации кабеля, диаграммы проводки, и даже файлы, которые могут быть использованы в других программах проектирования ПХД, чтобы помочь с netlists, обеспечивая при этом полную визуализацию системных взаимосвязей. Хотя многие программы проектирования PCB включают возможности 3D визуализации, некоторые программы позволяют обмениваться файлами, чтобы помочь определить формы PCB (через 2D-файлы) и импортную упаковку компонентов (через 3D-файлы), что может значительно помочь проверить помехи и оптимизировать положение разъемов.
в заключение
Конструкция соединения PCB полностью зависит от приложения, как правило, начиная с требований пользователей, учитывая требования к дизайну и определяя, нужны ли какие-либо специальные функции. Часто забывают о том, что производственные требования также должны учитываться для обеспечения того, чтобы они могли производиться и собираться с разумной простотой и стоимостью.
Комплекты дизайна PCB различных форм и размеров содержат механические функции, которые могут значительно снизить риск итераций проектирования и оптимизировать размещение разъемов.
