選擇板對板連接器的完整指南

2022-04-08

選擇板對板連接器的完整指南

該 PCB 包含多個(gè)連接器，可用于板對板連接或電纜組件。

任何曾經(jīng)看過(guò)舊臺式計算機并拔下帶狀電纜的人都熟悉不起眼的排針。該連接器是一種簡(jiǎn)單但有效的方式，可將兩塊板以堆疊方式連接在一起。事實(shí)上，它非常受歡迎，已被用于為 Arduino 和 Raspberry Pi 等流行平臺構建附加屏蔽板，這兩個(gè)平臺都在創(chuàng )客空間之外取得了成功。在最近與客戶(hù)的一次接觸中，我驚訝地看到他們如何堆疊多個(gè) Raspberry Pi 板來(lái)運行一些關(guān)鍵設備，這表明板對板連接器在這些類(lèi)型的模塊化系統中的重要性。

盡管排針很簡(jiǎn)單，但這并不意味著(zhù)它們沒(méi)有用。然而，它們并不是唯一的選擇，還有許多用于高速/高頻系統或高壓/高功率系統的板對板連接器選項。這些連接器可以進(jìn)入各種系統，從軍事設備到醫療設備。如果您正在為下一個(gè)硬件平臺采用模塊化設計方法，并且需要輕松地將多個(gè)板連接在一起，請考慮使用板對板連接器而不是電纜。市場(chǎng)上有許多具有成本效益的選擇，可以確保一系列系統中的信號完整性和堅固的設計。

多種類(lèi)型的板對板連接器

板對板連接器有多種形狀和尺寸，可為多板PCB系統提供模塊化感覺(jué)。常見(jiàn)的板卡連接器種類(lèi)很多，不同的廠(chǎng)商都有自己的產(chǎn)品線(xiàn)，一般屬于下面列出的類(lèi)別之一：

排針：大多數設計人員都熟悉間距為 1 mm 的 1 排或 2 排排針排列。這種風(fēng)格有多種變化，包括堆疊的排針。排針可以被遮蓋和鍵控（甚至是多鍵控），以確保連接板時(shí)引腳匹配。 

夾層連接器：這種類(lèi)型的板對板連接器以堆疊配置連接兩個(gè)平行印刷電路板。有許多夾層連接器樣式。請注意，排針可用作夾層連接器。 

邊緣卡連接器：這種類(lèi)型的連接器最常用于 RAM 棒和 COM/SoM。實(shí)際上，它可以用于沿板邊緣的任何板對板連接，無(wú)論是定制的還是標準化的引腳排列。 

背板連接器：這種類(lèi)型的連接器值得擁有自己的類(lèi)別，因為它需要適應高數據速率和非常堅固的結構。

標準化連接器：一些連接器可能會(huì )被開(kāi)發(fā)以滿(mǎn)足非常特定的行業(yè)標準，而不是附加卡的邊緣連接器樣式。已定義特定連接器樣式的標準組織包括 VITA（用于背板）、PCI-SIG（PCIe 卡）、IEEE（例如，用于夾層的 1386 標準）、JTAG、PC/104（方形柱式排針）等。 

還有許多其他連接器不屬于上述類(lèi)別之一。下圖顯示了屬于這些類(lèi)別的一些典型產(chǎn)品的示例。

板對板連接器的一些示例。

上圖只是市場(chǎng)上所有不同板對板連接器的一個(gè)子集。顯然，這些連接器有許多變化，具有不同的引腳/焊盤(pán)數量、鍵/護罩樣式、安裝樣式（SMD 與通孔）和規格。當您瀏覽供應商的網(wǎng)站或通過(guò)零件搜索引擎進(jìn)行過(guò)濾時(shí)，供應商將采用幾種不同的方式對其零件進(jìn)行分類(lèi)。

電氣應用

在這些不同類(lèi)型的板對板連接器中，它們可分為加固型、高速、高頻、大電流/高功率或其他一些名稱(chēng)。這主要是營(yíng)銷(xiāo)說(shuō)法，因為沒(méi)有對高速連接器、大功率連接器等的通用定義。一個(gè)重要的例外是背板連接器，它在 ANSI/VITA 標準中得到嚴格定義，其中特定樣式與不同的介質(zhì)（銅、光纖或同軸電纜）。另一種高度標準化的連接器樣式是 IEEE 1386 夾層連接器。

堅固的應用

與許多其他組件一樣，供應商將以其產(chǎn)品針對特定行業(yè)，并嘗試針對這些行業(yè)中的特定應用。因此，您將看到板對板連接器的樣式，這些連接器在針對汽車(chē)、航空航天、工業(yè)系統或電力產(chǎn)品等領(lǐng)域時(shí)，可能會(huì )通過(guò)硬塑料屏蔽層進(jìn)行高度加固。通常，您通?？梢哉业綐藴蔬B接器的加固版本，其引腳排列、安裝方式和間距與其不太堅固的版本相同。

選擇板對板連接器

現在我們可以看看選擇板對板連接器時(shí)要考慮的一些要點(diǎn)。首先，我們來(lái)看一些規格，然后我們可以考慮不同連接器樣式的優(yōu)勢。

板對板連接器規格

板對板連接器有一些電氣規格，應考慮的不僅僅是連接器樣式：

間距和引腳數：除非您針對特定應用進(jìn)行設計，或者您需要高速/高頻或大電流，否則您可能會(huì )首先查看連接器所需的間距/引腳數。憑借低功耗和低速信號，幾乎每個(gè)連接器都可以滿(mǎn)足您的電源要求，同時(shí)確保信號完整性。 

功率處理：這通常被引用為每個(gè)引腳特定電壓下的電流。大多數連接器可以在典型應用電壓下處理幾安培。確保檢查電壓，因為通過(guò)電纜提供電源和數據是很常見(jiàn)的；您需要確保您的功率不超過(guò)額定電壓。 

管理標準：任何有關(guān)連接器的行業(yè)標準都可以管理外形尺寸（上面討論了一些示例），或者它們可以涵蓋測試和應用規范。確保檢查這些以確保您的連接器樣式符合要求。

環(huán)境等級：規格包括功率隨濕度循環(huán)、暴露于氣體和高溫測試的變化。這使您可以很好地了解連接器可用于確?？煽啃缘奈恢?。

數據速率/頻率限制：對于高速數據通道，您會(huì )看到推薦的數據速率限制，供應商將通過(guò)廣泛的測試確定該限制。數據速率限制只是一個(gè)建議，您可能能夠在系統中克服這些限制。如果您打算違反數據速率/頻率規范，請務(wù)必徹底測試您的系統。

機械規格：高質(zhì)量的板對板連接器數據表可能包含一些有關(guān)機械沖擊、振動(dòng)、拉力或其他規格的數據，以幫助設計人員了解耐用性。請注意，這些可能會(huì )被列為測試結果，以符合某些行業(yè)標準。

外形尺寸：一些板對板連接器（如邊緣連接器）可能相當笨重。其他連接器專(zhuān)門(mén)設計為薄型，例如Hirose 的 BM20 系列薄型夾層連接器。注意系統中的外形尺寸和外殼要求。

Hirose 的 BM20 系列薄型板對板連接器最近在一些 SoM 上變得越來(lái)越流行。來(lái)自 BM20 數據表。

上一節中顯示的各種樣式可能是一個(gè)限制因素，因為您可能需要與現有系統連接，因此您無(wú)法自由選擇任何連接器。在許多情況下，首先要考慮一些電氣或機械限制，然后選擇您需要滿(mǎn)足配置文件/外殼要求的外形尺寸或連接器樣式。

如果您確實(shí)可以自由選擇連接器樣式和外形尺寸，則應考慮每種類(lèi)型的連接器都有一些優(yōu)勢。

一些板對板連接器樣式的優(yōu)點(diǎn)

市場(chǎng)上有如此多樣式的板對板連接器，不可能對每種類(lèi)型的連接器進(jìn)行完整的比較。但是，對于不同的連接器樣式，有一些基本要點(diǎn)需要了解，這些樣式揭示了它們在不同系統中的優(yōu)缺點(diǎn)。 

邊緣連接器

邊緣連接器使用滑動(dòng)觸點(diǎn)進(jìn)行電氣連接，在重復連接后最終會(huì )磨損。磨損可能發(fā)生在卡側或插座側。如果電路板需要反復連接和移除，替代樣式可能是更好的選擇，因為其中許多將具有更長(cháng)的接觸壽命。

我們可以看到這個(gè)邊緣連接器上的金觸點(diǎn)磨損。

全罩式或同軸式

一些連接器采用同軸式，可實(shí)現高功率傳輸，提供屏蔽，并為射頻系統提供優(yōu)勢（見(jiàn)下文）。全罩式連接器是高功率應用的理想選擇，并且具有更高的額定電流，而不會(huì )在電路板上過(guò)大。這是一個(gè)比排針更好的選擇，排針的額定電流可能低至 1 A，而且沒(méi)有有用的高速/RF 數據。

薄型水平連接器樣式

您的連接器方向可能允許平行板，但板可能能夠水平而不是垂直移除。例如，上面顯示的 Hirose 連接器需要垂直移除，但有邊緣連接器和夾層連接器可以水平插入/移除，同時(shí)保持非常低的輪廓。這在需要訪(fǎng)問(wèn)附加卡的低配置應用程序中是非常寶貴的。

這種邊緣連接器通常用于 PCIe 附加卡

排針塊

如果您不擔心高電流、高隔離或高精度信號完整性，可堆疊排針是為您的系統添加多級模塊化的好方法?？梢赃x擇排針塊，使其可堆疊，從而允許將多張卡放置在總線(xiàn)上或允許為多塊電路板并行供電。如果您需要在每個(gè)模塊上訪(fǎng)問(wèn)數據，請確保引腳排列在整個(gè)引腳頭堆棧中匹配。

高速和高頻怎么樣？

在達到 Gbps/GHz 水平的高速/高頻率下，信號完整性成為選擇板對板連接器時(shí)需要考慮的重要一點(diǎn)。在數據表或制造商的支持頁(yè)面中查找以下一些指標：

阻抗：具有同軸拓撲結構的射頻連接器將具有指定的阻抗，因為它們需要與特定的系統阻抗連接。阻抗規格在規定的帶寬內有效，可能是 -3 dB 頻率。

S 參數數據：如果您想使用連接器進(jìn)行任何類(lèi)型的模擬，那么您將需要 S 參數數據。這對于 PAM4、SerDes 通道或更新的高速信號標準（PCIe、GDDR6 等）等技術(shù)非常重要，因為這些模擬是系統驗證的重要組成部分。 

引腳對引腳隔離： RF 板對板連接器可能所有引腳都被完全屏蔽，而其他連接器類(lèi)型并非總是如此。這些連接器將具有高隔離度和低引腳數。它們也往往更笨重。其中一些板對板連接器將具有可用的電纜連接器變體。