【導讀】本文首先闡述汽車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 的浮動連接器，設計人員可以用來滿足這些需求。文中包括關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) 等汽車高速通信協議選擇連接器給出了指導。
汽車系統(tǒng)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、污染及振動環(huán)境中仍具有可靠的物理和電氣性能。隨著汽車變成強大的“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越具有挑戰(zhàn)性。連接器必須能夠在更狹小的空間內處理更多傳輸線，通信速度達每秒數千兆，以滿足 10GBASE-T1 和 PCI Express 第 3 版 (PCIe 3.0) 等標準。
更具挑戰(zhàn)性的是，汽車公司對產量的需求非常高，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，要在保持高生產率和良率的同時準確地布置連接器，以保證日后的配接中不會出現問題，實則很難。
浮動觸頭連接器的物理和電氣性能穩(wěn)固，能夠吸收自動裝配過程中發(fā)生的位移或錯位，可以借助這種連接器來應對這些挑戰(zhàn)。
本文首先闡述汽車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 的浮動連接器，設計人員可以用來滿足這些需求。文中包括關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) 等汽車高速通信協議選擇連接器給出了指導。
高速通信協議簡述
10GBASE-T1 是萬兆以太網 (10 GbE) 系列標準之一，支持 10 Gbps 的以太網幀傳輸速率。10GBASE-T1 是一種“汽車以太網”解決方案，使用雙絞線電纜，傳輸距離最長 15 m。10 Gbps 的數據吞吐率是目前最快的汽車通信標準，可以支持自動駕駛等應用。
PCIe 3.0 是另一種高速串行計算機擴展總線標準，傳輸速率高達 8 GTps。在一個高端“x16 通道”實現方案中，8 GTps 相當于總數據傳輸速率 126 Gbps。
該技術一直用作個人計算機中的高速總線，現在則瞄準了未來的汽車應用，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。這使得適合自動駕駛的高度可靠系統(tǒng)能夠成為現實。
汽車高速通信用連接器
高速通信協議需要高質量的連接器，不僅必須提供穩(wěn)固可靠的連接，以確保出色的信號完整性，而且在多年的使用過程中還必須能夠相對容易地斷開和重新連接。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 等高速通信協議的現代連接器。該系列連接器具有軋制表面觸頭和兩點接觸結構等特點，即使在汽車應用中常見的振動、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 系列連接器為兩點接觸連接器，有助于在沖擊和振動期間保持電氣連續(xù)性。（圖片來源：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，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。（圖片來源：JAE Electronics）
該系列中的一個示例是 MA01F030VABBR300。此款連接器是一種汽車級、高速傳輸、板對板連接器。它有 30 個針位，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。其設計可承受多達 100 次配接。
MA01F030VABBR300 設計與 MA01R030VABBR600 配接，形成高速汽車應用的板對板連接（圖 3）。
圖 3：MA01F030VABBR300（底部）有 30 個針位，與 MA01R030VABBR600 配接，實現穩(wěn)固可靠的高速板對板連接。（圖片來源：JAE Electronics）
克服裝配挑戰(zhàn)
大批量電子器件制造需要使用機器人裝配技術。然而，用于這項工作的自動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，對有源和無源元器件而言都不是問題，但在配接多針位、細間距的連接器時，這種誤差可能會造成問題。另外，典型的連接器并沒有一個平坦表面供貼裝機真空吸嘴精準貼合，這使得上述問題變得更加復雜。
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，不需要太多的錯位就能導致觸頭損壞。
為了克服這個問題，JAE 的 MA01F030VABBR300 采用浮動觸頭技術，允許在 X 和 Y 方向上移動 ±0.5 mm。這種浮動可以糾正自動化機器在安裝過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，采用浮動觸頭技術，允許在 X 和 Y 方向上移動 ±0.5 mm。這有助于糾正裝配過程中的位移或錯位。（圖片來源：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以適應貼裝位置公差。
MA01 系列連接器的另一個特點是可以清楚地看到連接器與印刷電路板相接處的焊點，使得裝配過程更輕松。傳統(tǒng)連接器通常會隱藏這些焊點，使檢查變得困難，并帶來使用中發(fā)生故障的風險（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質量。（圖片來源：JAE Electronics）
確保無故障配接
MA01 系列的浮動連接器技術在補償貼裝位置誤差時很有用，但手動將連接器夾在一起時，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，通常會出現這種錯位，脆弱的觸頭很容易因此而錯位。更糟糕的是，即使在此過程中觸頭損壞，仍可能感覺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，即使在配接過程中連接器 X 和 Y 兩個方向或其中一個方向發(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，JAE Electronics MA01 系列的導柱將連接器的上半部分引導至垂直方向。（圖片來源：JAE Electronics）
圖 8：在 Y 方向，導柱防止錯位過大，避免損壞觸頭。（圖片來源：JAE Electronics）
圖 9：當兩片電路板放在一起進行連接器盲插時，導柱可以補償多達 1 mm 的水平錯位。（圖片來源：JAE Electronics）
完成配接后，連接器的浮動觸頭功能使其能夠吸收汽車應用中常見的沖擊和振動，杜絕損壞觸頭的風險。
高速連接器選型
設計高速通信系統(tǒng)相當棘手。甚至在設計人員開始考慮特定連接器的信號完整性之前，相關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等因素，以限制串擾和損耗。但是，假如設計人員已經考慮到了這些和其他關鍵的設計因素，那么連接器就可以在系統(tǒng)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，首先要明確所需通信協議的最大帶寬。如果連接器不能處理協議的工作頻率，那么設計高速運行的系統(tǒng)并無意義。一個簡單的辦法是挑選符合相關協議標準的認證連接器。這樣，設計人員就可以確信連接器經過專門設計，可保證最大吞吐率和帶寬。
符合標準的連接器也會具有相關高速協議的目標阻抗（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。
雖然經過合規(guī)認證的連接器能夠獲得設計人員的信任，但需要在與生產項目布局類似或相同的測試印刷電路板上對入圍的連接器進行測試，這一點很重要。單純地提供規(guī)格書或閉門測試連接器都不能發(fā)現實際使用中可能出現的信號完整性問題。在原型組件上進行測試，能夠清楚地映射信號反射和/或失真問題。
確定連接器信號完整性的關鍵指標是 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，應將工作電路中設有連接器與移除連接器后的結果進行比較，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，一方面要滿足汽車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裝配過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(zhàn)。設計人員可以借助 JAE Electronics 的 MA01 系列連接器來克服這些挑戰(zhàn)。
如前所述，MA01 連接器符合多千兆位通信協議，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，該連接器的設計也兼顧到了快速裝配。可拆卸端蓋、浮動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險。
(來源：作者：Steven Keeping)
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