【導(dǎo)讀】本文首先闡述汽車連接器面臨的電信號(hào)和物理應(yīng)用與制造需求，然后介紹 JAE Electronics 的浮動(dòng)連接器，設(shè)計(jì)人員可以用來(lái)滿足這些需求。文中包括關(guān)于高速通信標(biāo)準(zhǔn)及合適的連接器選擇與應(yīng)用的一些具體內(nèi)容，并就如何針對(duì) 10GBASE-T1 和 PCI Express 第 3 版 (PCIe 3.0) 等汽車高速通信協(xié)議選擇連接器給出了指導(dǎo)。
汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要仔細(xì)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。隨著汽車變成強(qiáng)大的“裝上車輪的電腦”，滿足和維持汽車性能與可靠性要求正變得越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性。連接器必須能夠在更狹小的空間內(nèi)處理更多傳輸線，通信速度達(dá)每秒數(shù)千兆，以滿足 10GBASE-T1 和 PCI Express 第 3 版 (PCIe 3.0) 等標(biāo)準(zhǔn)。
更具挑戰(zhàn)性的是，汽車公司對(duì)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(jī)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(zhǔn)確地布置連接器，以保證日后的配接中不會(huì)出現(xiàn)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(wěn)固，能夠吸收自動(dòng)裝配過(guò)程中發(fā)生的位移或錯(cuò)位，可以借助這種連接器來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。
本文首先闡述汽車連接器面臨的電信號(hào)和物理應(yīng)用與制造需求，然后介紹 JAE Electronics 的浮動(dòng)連接器，設(shè)計(jì)人員可以用來(lái)滿足這些需求。文中包括關(guān)于高速通信標(biāo)準(zhǔn)及合適的連接器選擇與應(yīng)用的一些具體內(nèi)容，并就如何針對(duì) 10GBASE-T1 和 PCI Express 第 3 版 (PCIe 3.0) 等汽車高速通信協(xié)議選擇連接器給出了指導(dǎo)。
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(biāo)準(zhǔn)之一，支持 10 Gbps 的以太網(wǎng)幀傳輸速率。10GBASE-T1 是一種“汽車以太網(wǎng)”解決方案，使用雙絞線電纜，傳輸距離最長(zhǎng) 15 m。10 Gbps 的數(shù)據(jù)吞吐率是目前最快的汽車通信標(biāo)準(zhǔn)，可以支持自動(dòng)駕駛等應(yīng)用。
PCIe 3.0 是另一種高速串行計(jì)算機(jī)擴(kuò)展總線標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率高達(dá) 8 GTps。在一個(gè)高端“x16 通道”實(shí)現(xiàn)方案中，8 GTps 相當(dāng)于總數(shù)據(jù)傳輸速率 126 Gbps。
該技術(shù)一直用作個(gè)人計(jì)算機(jī)中的高速總線，現(xiàn)在則瞄準(zhǔn)了未來(lái)的汽車應(yīng)用，因?yàn)橛布O(shè)計(jì)保證發(fā)送的數(shù)據(jù)包能夠到達(dá)預(yù)定目標(biāo)位置。這使得適合自動(dòng)駕駛的高度可靠系統(tǒng)能夠成為現(xiàn)實(shí)。
汽車高速通信用連接器
高速通信協(xié)議需要高質(zhì)量的連接器，不僅必須提供穩(wěn)固可靠的連接，以確保出色的信號(hào)完整性，而且在多年的使用過(guò)程中還必須能夠相對(duì)容易地?cái)嚅_和重新連接。連接器還必須能夠在較小間距內(nèi)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(xiàn)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(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，即使在汽車應(yīng)用中常見(jiàn)的振動(dòng)、沖擊和極端溫度條件下也能確保機(jī)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(xù)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，是汽車板對(duì)板數(shù)字控制單元等應(yīng)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級(jí)、高速傳輸、板對(duì)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(guī)格為：額定電流 0.5 A，額定電壓 50 VAC。其設(shè)計(jì)可承受多達(dá) 100 次配接。
MA01F030VABBR300 設(shè)計(jì)與 MA01R030VABBR600 配接，形成高速汽車應(yīng)用的板對(duì)板連接（圖 3）。
圖 3：MA01F030VABBR300（底部）有 30 個(gè)針位，與 MA01R030VABBR600 配接，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)固可靠的高速板對(duì)板連接。（圖片來(lái)源：JAE Electronics）
克服裝配挑戰(zhàn)
大批量電子器件制造需要使用機(jī)器人裝配技術(shù)。然而，用于這項(xiàng)工作的自動(dòng)貼裝機(jī)存在機(jī)械方面的局限性。這可能導(dǎo)致元器件定位出現(xiàn)公差。雖然輕微的位置誤差很常見(jiàn)，對(duì)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(xì)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(jī)真空吸嘴精準(zhǔn)貼合，這使得上述問(wèn)題變得更加復(fù)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(cuò)位就能導(dǎo)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(jī)器在安裝過(guò)程中造成的位移或錯(cuò)位。這些連接器帶有可拆卸端蓋，可使貼裝機(jī)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(qū)（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(cuò)位。（圖片來(lái)源：JAE Electronics）
圖 5：MA01 系列帶有可拆卸端蓋，使貼裝機(jī)真空吸嘴能夠牢固貼合。（圖片來(lái)源：JAE Electronics）
板對(duì)板連接器的母頭側(cè)，即 MA01R030VABBR600，是一款固定式連接器，因?yàn)橹挥羞B接的一側(cè)需要浮動(dòng)以適應(yīng)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(tǒng)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(xiǎn)（圖 6）。
圖 6：MA01 系列中的一款側(cè)裝式連接器表明，該設(shè)計(jì)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(bǔ)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(xiàn)更大的錯(cuò)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(xiàn)這種錯(cuò)位，脆弱的觸頭很容易因此而錯(cuò)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(cuò)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(dǎo)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(cuò)位，導(dǎo)柱也能予以糾正。導(dǎo)柱模塑至連接器主體中，引導(dǎo)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(dāng)在 X 方向錯(cuò)位時(shí)，JAE Electronics MA01 系列的導(dǎo)柱將連接器的上半部分引導(dǎo)至垂直方向。（圖片來(lái)源：JAE Electronics）
圖 8：在 Y 方向，導(dǎo)柱防止錯(cuò)位過(guò)大，避免損壞觸頭。（圖片來(lái)源：JAE Electronics）
圖 9：當(dāng)兩片電路板放在一起進(jìn)行連接器盲插時(shí)，導(dǎo)柱可以補(bǔ)償多達(dá) 1 mm 的水平錯(cuò)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應(yīng)用中常見(jiàn)的沖擊和振動(dòng)，杜絕損壞觸頭的風(fēng)險(xiǎn)。
高速連接器選型
設(shè)計(jì)高速通信系統(tǒng)相當(dāng)棘手。甚至在設(shè)計(jì)人員開始考慮特定連接器的信號(hào)完整性之前，相關(guān)的印刷電路板布局就必須考慮目標(biāo)阻抗和高速差分信號(hào)通道的布線等因素，以限制串?dāng)_和損耗。但是，假如設(shè)計(jì)人員已經(jīng)考慮到了這些和其他關(guān)鍵的設(shè)計(jì)因素，那么連接器就可以在系統(tǒng)的最終帶寬、原始數(shù)據(jù)吞吐率和信號(hào)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(shè)計(jì)高速運(yùn)行的系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證連接器。這樣，設(shè)計(jì)人員就可以確信連接器經(jīng)過(guò)專門設(shè)計(jì)，可保證最大吞吐率和帶寬。
符合標(biāo)準(zhǔn)的連接器也會(huì)具有相關(guān)高速協(xié)議的目標(biāo)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(duì)信號(hào)完整性的影響較小。
雖然經(jīng)過(guò)合規(guī)認(rèn)證的連接器能夠獲得設(shè)計(jì)人員的信任，但需要在與生產(chǎn)項(xiàng)目布局類似或相同的測(cè)試印刷電路板上對(duì)入圍的連接器進(jìn)行測(cè)試，這一點(diǎn)很重要。單純地提供規(guī)格書或閉門測(cè)試連接器都不能發(fā)現(xiàn)實(shí)際使用中可能出現(xiàn)的信號(hào)完整性問(wèn)題。在原型組件上進(jìn)行測(cè)試，能夠清楚地映射信號(hào)反射和/或失真問(wèn)題。
確定連接器信號(hào)完整性的關(guān)鍵指標(biāo)是 S 參數(shù)和眼圖。S 參數(shù)表示頻域中的信號(hào)回波和插入損耗。測(cè)量這些參數(shù)時(shí)，應(yīng)將工作電路中設(shè)有連接器與移除連接器后的結(jié)果進(jìn)行比較，以評(píng)估其對(duì)信號(hào)完整性的影響。
示波器生成的眼圖展示了數(shù)字域中的電路性能。它是直觀展示損耗、串?dāng)_、碼間干擾 (ISI) 和誤碼率的標(biāo)準(zhǔn)方法。同樣，應(yīng)在設(shè)有和移除連接器后的兩種情況下進(jìn)行測(cè)試，以確定其對(duì)信號(hào)完整性的影響。
總結(jié)
對(duì)設(shè)計(jì)人員而言，一方面要滿足汽車板對(duì)板連接器嚴(yán)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(zhǔn)和錯(cuò)位公差而損壞，因而面臨極大的挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)人員可以借助 JAE Electronics 的 MA01 系列連接器來(lái)克服這些挑戰(zhàn)。
如前所述，MA01 連接器符合多千兆位通信協(xié)議，并且插入和斷開阻力小，是一種穩(wěn)固可靠的解決方案。此外，該連接器的設(shè)計(jì)也兼顧到了快速裝配?？刹鹦抖松w、浮動(dòng)連接器和導(dǎo)柱等特性容許電路板安裝和板對(duì)板盲接有更大的公差，消除了錯(cuò)位和損壞觸頭的風(fēng)險(xiǎn)。
(來(lái)源：作者：Steven Keeping)
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