Tri hlavné účely konektorov DPS sú:
1. Prepojenie DPS: pevné (alebo flexibilné) spojenie medzi dvoma PCB;
2. Káblové pripojenie DPS: káblové pripojenie pre externé periférne zariadenia;
3. Programovacie/ladiace pripojenie PCB: konektor (alebo pole testovacieho bodu) používané na ladenie alebo programovanie, zvyčajne používané pre veci, ako sú mikrokontroléry alebo polia brány programovateľné v teréne (FPRA)
V týchto troch druhoch pcb pripojení sa všetky formy pripojenia a funkcií budú líšiť v závislosti od aplikácie. Po prvé, existujú dva hlavné spôsoby montáže konektora na DPS: povrchový držiak a cez otvor. Samozrejme, existuje veľa metód montáže povrchu, ale pre všetky účely môže byť konektor namontovaný cez kolíky alebo kolíkové podložky. To nás privádza k niektorým počiatočným kompromisom, ktoré by sa mali zvážiť v procese navrhovania.
Kompromisy, ktoré je potrebné zvážiť pri navrhovaní
Montáž konektorov cez otvory prináša mnoho výhod, ale hlavným prínosom je zvyčajne posilnenie mechanického spojenia. Je to preto, že kolíky /vodiče prechádzajú cez DPS a sú zvyčajne spájkované do hornej a dolnej vrstvy. V závislosti od aplikácie to môže byť veľmi dôležité, najmä tam, kde je prvoradá spoľahlivosť a bezpečnosť. Ak je jednoduchý a ľahko sa používa a má častý cyklus používania, pripojenie cez otvor určite poskytne vyššiu spoľahlivosť a možnosť poškodenia zariadenia sa časom zníži. Ďalšou veľkou výhodou komponentov s otvormi je, že sa dajú ľahšie sondovať a prepracovávanie na prototypovanie alebo opravu.
Na druhej strane konektory na montáž na povrch môžu výrazne ušetriť miesto na doske plošných spojov (pretože komponent je spájkovaný len do jednej vrstvy) a v závislosti od aplikácie môže tiež ušetriť výrobné a montážne náklady. Mnohé konektory majú zarovnávacie stĺpiky, ale nevyžadujú spájkovanie. Podobne konektory na montáž na povrch môžu často zahŕňať vyššiu hustotu počtu kolíkov, čo môže pomôcť zbaliť viac signálov do menšej oblasti a ušetriť cenný priestor dosky, pozri obrázok 1.
Obrázok 1: Cez otvor (ľavý) a povrchový držiak (pravý) prípojky na DPS
Keďže úspora miesta v doske plošných spojov a optimalizácia hustoty/objemu sú spoločnými hnacie sily pre vývoj produktov, mnohé návrhy zahŕňajú viacero pevných alebo flexibilných prepojených dosiek plošných spojov. Táto metóda nielen šetrí miesto na palube, ale tiež šetrí viac nákladov. Napríklad, ak dizajn obsahuje 256-pinový guľový mriežkový procesor (BGA), ktorý vyžaduje viac ako 10 vrstiev (čo výrazne zvyšuje výrobné náklady DPS), ale musí pracovať s mnohými periférnymi zariadeniami/konektormi (môže vyžadovať iba dvojvrstvové alebo štvorvrstvové) pripojenie, spôsob, ako ušetriť miesto a náklady, je rozdeliť ich na dve PCB: menšiu vloženú DPS s viac ako 10 vrstvami a ďalšiu sekundárnu DPS len so štyrmi vrstvami a väčšinou periférnych komponentov (napríklad konektory). Vo všeobecnosti sa na montáž "MCU PCB" na "backplane PCB" používa pripojenie dosky s vysokým počtom kolíkov.
Ak napríklad displeje a tlačidlá vyžadujú veľa satelitných PCB, môžete použiť flexibilné pripojenia. Často označovaný ako ohybný kábel, to je bežné v LCD a motorových pripojeniach, a zvyčajne pomáha znížiť polomer ohybu (čo pomáha, aby konštrukcia kompaktná a malá) a fyzické namáhanie spojené s montážou. Flexibilné pripojenie môže byť samostatný kábel vložený do konektora, alebo môže byť vyrobený priamo pomocou DPS. Obrázok 2 znázorní objektív fotoaparátu s mnohými (nepripojiteľnými) flexibilnými káblovými pripojeniami, zatiaľ čo obrázok 3 ukazuje rozdiel medzi "pevnou flexibilnou" DPS s integrovanými flexibilnými káblami. Hoci je niekedy ťažké navrhovať a priraďovať dodávateľom, používanie flexibilnej technológie môže výrazne pomôcť ušetriť výrobné náklady a urobiť dizajn spoľahlivejším a prísnejším. Keďže však tieto dve PCB nemožno fyzicky od seba oddeliť, montáž tuhej flexibilnej kombinácie môže byť zložitejšia.
Obrázok 2: Zostava objektívu fotoaparátu s flexibilným káblom
Obrázok 3: Tuhá flexibilná technológia DPS
Zvážte použitie konektora
Ak vezmeme ako tému káblové pripojenie, rýchlo vymejme niektoré ďalšie dôležité otázky, ktoré je potrebné zvážiť. Jednou z tém je jednoduché používanie a dokonalým príkladom je štandardný USB port.
V priebehu rokov boli usb konektory vylepšené rôznymi spôsobmi, vrátane aktuálnej kapacity, hustoty signálu a reverzibilného nesmerového pripojenia pomocou rozhrania USB-C. Naopak, konektor so šípkami, ktorý umožňuje iba jednu cestu (napríklad klasický konektor USB 2.0), pomáha usmerňovať používateľov a predchádzať chybám pripojenia. Uzamykacie pripojenia zvyčajne poskytujú lepšiu mechanickú podporu a môžu vyžadovať rotačné zástrčky (BNC konektory) alebo kompresné oká (sieťové káble RJ-45). V podstate, ak je potrebné konektor opätovne použiť, jednoduchosť používania by mala byť samozrejme najvyššou prioritou pre používateľov.
Niektoré aplikácie vyžadujú vysokorýchlostné, citlivé pripojenia na dlhšie vzdialenosti, čo nás vedie k používaniu optických vlákien. Existujú tri hlavné typy pripojení optických vlákien: single-mode, multi-mode a plastové optické vlákno (POF). Multimode pripojenia umožňujú vyššie šírky pásma, ale vďaka svojej vysokej disperzii a útlmu zvyčajne trpia stratami v aplikáciách na dlhé vzdialenosti, čo z nich robí ideálne pre krátke pripojenia založené na sieti LAN. Single-mode funguje dobre na dlhšie vzdialenosti, takže je ideálny pre aplikácie, ako je RF širokopásmové pripojenie (vaša miestna káblová spoločnosť). Okrem toho paralelné dátové zberle cez pripojenia, ako je napríklad prepojenie periférnych komponentov (PCI), sú vo všeobecnosti oveľa rýchlejšie ako sériové pripojenia, ako je USB (hoci USB-C tiež umožňuje paralelné pripojenia). Rýchlosť a výkon aplikácie určí, ako definovať tieto prepojenia.
V prípade určitých aplikácií, ako je letectvo a armáda, môžu drsné pracovné podmienky nakoniec viesť k zvýšeniu dopytu. Niektoré konektory majú špeciálnu ochranu proti elektromagnetickému rušeniu (EMI), elektrostatickému výboju (ESD), vibráciám a/alebo vlhkosti. Pre dizajnérov je spoločným rozhodnutím, či by mal byť konektor tienený. Tienené konektory (pokryté nejakým vodivým kovom a môžu zahŕňať tesnenia EMI) môžu poskytovať vyššiu úroveň ochrany pred škodlivým žiarením a lokalizovanými magnetickými poľami, ale vo všeobecnosti sú objemnejšie alebo drahšie ako tienené alternatívy. Konektory s plášťami a zodpovedajúcimi kolíkmi môžu byť uzemnené, aby pomohli ESD zavedenému ľudským dotykom alebo inými lokálnymi prechodnými zdrojmi. Niektoré konektory dokonca obsahujú kontakty pohlcujúce nárazy, ktoré pomáhajú vyrovnať sa s aplikáciami s vysokým vplyvom a vysokou spoľahlivosťou. Nakoniec, spojenia, ktoré je potrebné chrániť pred vonkajšou vlhkosťou, často zahŕňajú (alebo umožňujú použitie) tesnení. Na obrázku 4 sú uvedené všetky štyri tieto odchýlky v spoločných spojeniach.
Obrázok 4 :(LR) Tienený napájací konektor jednosmerného prúdu, tienený/uzemnený konektor RJ-45, konektor na dosku odolný voči vibráciám a vodotesný USB konektor
Pre aplikácie s vysokým zaťažením môže výber konektora s najväčším prúdom alebo napätím tiež urýchliť proces návrhu. Niektoré konektory obsahujú zmiešané signálne kolíky na podporu dátových a napájaných pripojení. Vo všeobecnosti majú napájací kolík väčšiu kapacitu prúdu a môžu byť hrubšie, čo pomáha zabrániť použitiu dvoch samostatných napájacích a dátových konektorov/káblov.
Aplikácie striedavého napätia môžu tiež riadiť výber konektorov a vyžadujú minimálne medzery alebo medzery medzi jednotlivými kolíkmi (v závislosti od maximálneho napätia). To pomáha zabrániť oblúku, ktorý môže byť škodlivý pre systém a obsluhu. Konektor bude vždy zoznam menovitý výkon. Pri navrhovaní je dôležité dodržiavať tieto špecifikácie a zabezpečiť dobrú rezervu.
Nakoniec, niekedy najlepším (a najlacnejším) riešením je odhaliť konektor a jednoducho použiť exponované medené podložky pre pružinové rozhranie. Zároveň poskytuje menší form factor, môže pomôcť znížiť náklady na komponenty a umožniť jednoduchšiu detekciu (na základe flexibility umiestnenia DPS). Programovanie alebo testovacie rozhranie je jednou z najbežnejších aplikácií. Vložené návrhy zvyčajne zahŕňajú ladiace alebo programovacie porty, ale ak sa konektory zvyčajne nepoužívajú (len na výrobu alebo servis, prečo používať konektory)? Káble ako Tag-Connect (ako je znázornené na obrázku 5) Technológia môže poskytnúť riešenie s menším form factorom a nižšími nákladmi. Hoci sa pole pad zvyčajne používa len ako testovacie body, malo by sa zvážiť aj pre pripojenia založené na pogo-pinoch.
Obrázok 5: Technológia Pogo-pinového kábla Tag-Connect
Súprava na navrhovanie DPS môže pomôcť
V súčasnosti majú mnohé CAD programy podporu 3D vizualizácie a mechanického importu/exportu súborov. Príkladom je Solidworks Electrical (SWE). Tradične CAD program pre mechanický dizajn, tam sú elektrické súpravy pre solidworks, ktoré môžu byť ľahko integrované so schematicky definované PCB a súvisiace pripojenia. Medzi výhody dizajnérov patria elektrické konštrukčné nástroje, ktoré môžu pomôcť definovať prepojenia a generovať špecifikácie káblov, schémy zapojenia a dokonca aj súbory, ktoré môžu byť použité v iných programoch návrhu PCB na pomoc s netlistmi a zároveň poskytujú úplnú vizualizáciu systémových prepojení. Hoci mnohé programy na navrhovanie DPS obsahujú možnosti 3D vizualizácie, niektoré programy umožňujú výmenu súborov, ktoré pomáhajú definovať tvary PCB (prostredníctvom 2D súborov) a importovať balenie komponentov (prostredníctvom 3D súborov), čo môže výrazne pomôcť skontrolovať rušenie a optimalizovať polohu konektorov.
Na záver
Návrh pripojenia KSČ závisí výlučne od aplikácie, zvyčajne počnúc požiadavkami používateľa, berúc do úvahy konštrukčné požiadavky a určenie, či sú potrebné nejaké špeciálne vlastnosti. Často sa zabúda na to, že sa musia zvážiť aj výrobné požiadavky, aby sa zabezpečilo, že sa môžu vyrábať a montovať s primeranou jednoduchosťou a nákladmi.
Konštrukčné sady DPS rôznych tvarov a veľkostí obsahujú mechanické funkcie, ktoré môžu výrazne pomôcť znížiť riziko iterácií návrhu a optimalizovať umiestnenie konektora.
