【導讀】本文首先闡述汽車(chē)連接器面臨的電信號和物理應用與制造需求，然后介紹 JAE Electronics 的浮動(dòng)連接器，設計人員可以用來(lái)滿(mǎn)足這些需求。文中包括關(guān)于高速通信標準及合適的連接器選擇與應用的一些具體內容，并就如何針對 10GBASE-T1 和 PCI Express 第 3 版 (PCIe 3.0) 等汽車(chē)高速通信協(xié)議選擇連接器給出了指導。
汽車(chē)系統設計人員需要仔細選擇和使用連接器，確保連接器在極端溫度和濕度、污染及振動(dòng)環(huán)境中仍具有可靠的物理和電氣性能。隨著(zhù)汽車(chē)變成強大的“裝上車(chē)輪的電腦”，滿(mǎn)足和維持汽車(chē)性能與可靠性要求正變得越來(lái)越具有挑戰性。連接器必須能夠在更狹小的空間內處理更多傳輸線(xiàn)，通信速度達每秒數千兆，以滿(mǎn)足 10GBASE-T1 和 PCI Express 第 3 版 (PCIe 3.0) 等標準。
更具挑戰性的是，汽車(chē)公司對產(chǎn)量的需求非常高，因此電子裝配公司需要借助高速裝配機器才能跟上步伐。然而，要在保持高生產(chǎn)率和良率的同時(shí)準確地布置連接器，以保證日后的配接中不會(huì )出現問(wèn)題，實(shí)則很難。
浮動(dòng)觸頭連接器的物理和電氣性能穩固，能夠吸收自動(dòng)裝配過(guò)程中發(fā)生的位移或錯位，可以借助這種連接器來(lái)應對這些挑戰。
本文首先闡述汽車(chē)連接器面臨的電信號和物理應用與制造需求，然后介紹 JAE Electronics 的浮動(dòng)連接器，設計人員可以用來(lái)滿(mǎn)足這些需求。文中包括關(guān)于高速通信標準及合適的連接器選擇與應用的一些具體內容，并就如何針對 10GBASE-T1 和 PCI Express 第 3 版 (PCIe 3.0) 等汽車(chē)高速通信協(xié)議選擇連接器給出了指導。
高速通信協(xié)議簡(jiǎn)述
10GBASE-T1 是萬(wàn)兆以太網(wǎng) (10 GbE) 系列標準之一，支持 10 Gbps 的以太網(wǎng)幀傳輸速率。10GBASE-T1 是一種“汽車(chē)以太網(wǎng)”解決方案，使用雙絞線(xiàn)電纜，傳輸距離最長(cháng) 15 m。10 Gbps 的數據吞吐率是目前最快的汽車(chē)通信標準，可以支持自動(dòng)駕駛等應用。
PCIe 3.0 是另一種高速串行計算機擴展總線(xiàn)標準，傳輸速率高達 8 GTps。在一個(gè)高端“x16 通道”實(shí)現方案中，8 GTps 相當于總數據傳輸速率 126 Gbps。
該技術(shù)一直用作個(gè)人計算機中的高速總線(xiàn)，現在則瞄準了未來(lái)的汽車(chē)應用，因為硬件設計保證發(fā)送的數據包能夠到達預定目標位置。這使得適合自動(dòng)駕駛的高度可靠系統能夠成為現實(shí)。
汽車(chē)高速通信用連接器
高速通信協(xié)議需要高質(zhì)量的連接器，不僅必須提供穩固可靠的連接，以確保出色的信號完整性，而且在多年的使用過(guò)程中還必須能夠相對容易地斷開(kāi)和重新連接。連接器還必須能夠在較小間距內容納許多引腳和插座，以確保體積小巧且支持多通道連接。
例如，JAE Electronics 的 MA01 系列，就是支持 10GBASE-T1 和 PCIe 3.0 等高速通信協(xié)議的現代連接器。該系列連接器具有軋制表面觸頭和兩點(diǎn)接觸結構等特點(diǎn)，即使在汽車(chē)應用中常見(jiàn)的振動(dòng)、沖擊和極端溫度條件下也能確保機械和電氣連接牢固（圖 1）。
圖 1：MA01 系列連接器為兩點(diǎn)接觸連接器，有助于在沖擊和振動(dòng)期間保持電氣連續性。（圖片來(lái)源：JAE Electronics）
MA01 系列連接器的堆疊高度為 8 至 30 mm 不等（圖 2），支持 10 GBASE-T1 和 PCIe 3.0 所要求的 8 Gbps 傳輸速度，是汽車(chē)板對板數字控制單元等應用的理想選擇。該系列連接器具有低插入力和拔出力的特點(diǎn)，并且包括防誤接插鍵。該系列連接器具有 -40 至 125°C 的寬工作溫度范圍。
圖 2：MA01 系列連接器的堆疊高度為 8 至 30 mm。（圖片來(lái)源：JAE Electronics）
該系列中的一個(gè)示例是 MA01F030VABBR300。此款連接器是一種汽車(chē)級、高速傳輸、板對板連接器。它有 30 個(gè)針位，間距為 0.635 mm，主體尺寸為 20.925 x 8.8 x 12.3 mm。觸頭由銅合金制成，包覆 0.1 μm（最小值）的鍍金層。此款連接器的電氣規格為：額定電流 0.5 A，額定電壓 50 VAC。其設計可承受多達 100 次配接。
MA01F030VABBR300 設計與 MA01R030VABBR600 配接，形成高速汽車(chē)應用的板對板連接（圖 3）。
圖 3：MA01F030VABBR300（底部）有 30 個(gè)針位，與 MA01R030VABBR600 配接，實(shí)現穩固可靠的高速板對板連接。（圖片來(lái)源：JAE Electronics）
克服裝配挑戰
大批量電子器件制造需要使用機器人裝配技術(shù)。然而，用于這項工作的自動(dòng)貼裝機存在機械方面的局限性。這可能導致元器件定位出現公差。雖然輕微的位置誤差很常見(jiàn)，對有源和無(wú)源元器件而言都不是問(wèn)題，但在配接多針位、細間距的連接器時(shí)，這種誤差可能會(huì )造成問(wèn)題。另外，典型的連接器并沒(méi)有一個(gè)平坦表面供貼裝機真空吸嘴精準貼合，這使得上述問(wèn)題變得更加復雜。
引腳與引腳之間的典型間距不到 1 mm，因此，在配接連接器時(shí)，不需要太多的錯位就能導致觸頭損壞。
為了克服這個(gè)問(wèn)題，JAE 的 MA01F030VABBR300 采用浮動(dòng)觸頭技術(shù)，允許在 X 和 Y 方向上移動(dòng) ±0.5 mm。這種浮動(dòng)可以糾正自動(dòng)化機器在安裝過(guò)程中造成的位移或錯位。這些連接器帶有可拆卸端蓋，可使貼裝機真空吸嘴牢固貼合。在連接器安裝之前，端蓋還能防止較大碎屑進(jìn)入配接區（圖 4 和圖 5）。
圖 4：MA01F030VABBR300 是此 MA01 連接的下半部分，采用浮動(dòng)觸頭技術(shù)，允許在 X 和 Y 方向上移動(dòng) ±0.5 mm。這有助于糾正裝配過(guò)程中的位移或錯位。（圖片來(lái)源：JAE Electronics）
圖 5：MA01 系列帶有可拆卸端蓋，使貼裝機真空吸嘴能夠牢固貼合。（圖片來(lái)源：JAE Electronics）
板對板連接器的母頭側，即 MA01R030VABBR600，是一款固定式連接器，因為只有連接的一側需要浮動(dòng)以適應貼裝位置公差。
MA01 系列連接器的另一個(gè)特點(diǎn)是可以清楚地看到連接器與印刷電路板相接處的焊點(diǎn)，使得裝配過(guò)程更輕松。傳統連接器通常會(huì )隱藏這些焊點(diǎn)，使檢查變得困難，并帶來(lái)使用中發(fā)生故障的風(fēng)險（圖 6）。
圖 6：MA01 系列中的一款側裝式連接器表明，該設計可以輕松檢查連接器與印刷電路板相連的焊點(diǎn)質(zhì)量。（圖片來(lái)源：JAE Electronics）
確保無(wú)故障配接
MA01 系列的浮動(dòng)連接器技術(shù)在補償貼裝位置誤差時(shí)很有用，但手動(dòng)將連接器夾在一起時(shí)，可能出現更大的錯位。在“盲目”地將分別包含兩半連接器的頂部和底部印刷電路板放在一起時(shí)，通常會(huì )出現這種錯位，脆弱的觸頭很容易因此而錯位。更糟糕的是，即使在此過(guò)程中觸頭損壞，仍可能感覺(jué)連接器已正確完成配接。這種錯位在 X 和 Y 水平方向上都可能發(fā)生。
JAE 連接器含有防止誤接的導柱，即使在配接過(guò)程中連接器 X 和 Y 兩個(gè)方向或其中一個(gè)方向發(fā)生明顯錯位，導柱也能予以糾正。導柱模塑至連接器主體中，引導連接器的兩半進(jìn)入正確的接合位置（圖 7、圖 8 和圖 9）。
圖 7：當在 X 方向錯位時(shí)，JAE Electronics MA01 系列的導柱將連接器的上半部分引導至垂直方向。（圖片來(lái)源：JAE Electronics）
圖 8：在 Y 方向，導柱防止錯位過(guò)大，避免損壞觸頭。（圖片來(lái)源：JAE Electronics）
圖 9：當兩片電路板放在一起進(jìn)行連接器盲插時(shí)，導柱可以補償多達 1 mm 的水平錯位。（圖片來(lái)源：JAE Electronics）
完成配接后，連接器的浮動(dòng)觸頭功能使其能夠吸收汽車(chē)應用中常見(jiàn)的沖擊和振動(dòng)，杜絕損壞觸頭的風(fēng)險。
高速連接器選型
設計高速通信系統相當棘手。甚至在設計人員開(kāi)始考慮特定連接器的信號完整性之前，相關(guān)的印刷電路板布局就必須考慮目標阻抗和高速差分信號通道的布線(xiàn)等因素，以限制串擾和損耗。但是，假如設計人員已經(jīng)考慮到了這些和其他關(guān)鍵的設計因素，那么連接器就可以在系統的最終帶寬、原始數據吞吐率和信號完整性方面發(fā)揮重要作用。
選擇高速連接器時(shí)，首先要明確所需通信協(xié)議的最大帶寬。如果連接器不能處理協(xié)議的工作頻率，那么設計高速運行的系統并無(wú)意義。一個(gè)簡(jiǎn)單的辦法是挑選符合相關(guān)協(xié)議標準的認證連接器。這樣，設計人員就可以確信連接器經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設計，可保證最大吞吐率和帶寬。
符合標準的連接器也會(huì )具有相關(guān)高速協(xié)議的目標阻抗（通常為 50 Ω）。其他選型考慮因素（如連接器的制作材料、電路板安裝方式和尺寸等）也很重要，但對信號完整性的影響較小。
雖然經(jīng)過(guò)合規認證的連接器能夠獲得設計人員的信任，但需要在與生產(chǎn)項目布局類(lèi)似或相同的測試印刷電路板上對入圍的連接器進(jìn)行測試，這一點(diǎn)很重要。單純地提供規格書(shū)或閉門(mén)測試連接器都不能發(fā)現實(shí)際使用中可能出現的信號完整性問(wèn)題。在原型組件上進(jìn)行測試，能夠清楚地映射信號反射和/或失真問(wèn)題。
確定連接器信號完整性的關(guān)鍵指標是 S 參數和眼圖。S 參數表示頻域中的信號回波和插入損耗。測量這些參數時(shí)，應將工作電路中設有連接器與移除連接器后的結果進(jìn)行比較，以評估其對信號完整性的影響。
示波器生成的眼圖展示了數字域中的電路性能。它是直觀(guān)展示損耗、串擾、碼間干擾 (ISI) 和誤碼率的標準方法。同樣，應在設有和移除連接器后的兩種情況下進(jìn)行測試，以確定其對信號完整性的影響。
總結
對設計人員而言，一方面要滿(mǎn)足汽車(chē)板對板連接器嚴苛的物理和電氣性能要求，另一方面要避免連接器在高速自動(dòng)裝配過(guò)程中由于定位不精準和錯位公差而損壞，因而面臨極大的挑戰。設計人員可以借助 JAE Electronics 的 MA01 系列連接器來(lái)克服這些挑戰。
如前所述，MA01 連接器符合多千兆位通信協(xié)議，并且插入和斷開(kāi)阻力小，是一種穩固可靠的解決方案。此外，該連接器的設計也兼顧到了快速裝配?？刹鹦抖松w、浮動(dòng)連接器和導柱等特性容許電路板安裝和板對板盲接有更大的公差，消除了錯位和損壞觸頭的風(fēng)險。
(來(lái)源：作者：Steven Keeping)
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