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连接器的基本性能与发展方向
根据连接器文献一书中记载,连接器的基本性能可分为三大类:第一点:即机械性能、第二点:电气性能、第三点:环境性能。
(1) 机械性能
就连接功能而言,插拔力是重要的机械性能。插拔力分为插入力和拔出力(拔出力亦称分离力),两者的要求是不同的。
另一个重要的机械性能是连接器的机械寿命。机械寿命实际上是一种耐久性指标,在国标GB5095中把它叫做机械操作。它是以一次插入和一次拔出为一个循环,以在规定的插拔循环后连接器能否正常完成其连接功能(如接触电阻值)作为评判依据。
连接器的插拔力和机械寿命与接触件结构(正压力大小)、接触部位镀层质量(滑动摩擦因数)以及接触件排列尺寸精度(对准度)有关。
(2) 电气性能
连接器的主要电气性能包括接触电阻、绝缘电阻和抗电强度。
①接触电阻。高质量的电连接器应当具有低而稳定的接触电阻。连接器的接触电阻从几毫欧到数十毫欧不等。
②绝缘电阻。衡量电连接器接插件之间和接触件与外壳之间绝缘性能的指标,其数量级为数百兆欧至数千兆欧不等。
③抗电强度。抗电强度也称耐电压、介质耐压,是表征连接器接触件之间或接触件与外壳之间耐受额定试验电压的能力。
④其他电气性能。电磁干扰泄露衰减是评价连接器的电磁干扰屏蔽效果,电磁干扰泄露衰减是评价连接器的电磁干扰屏蔽效果,一般在100MHz~10GHz频率范围内测试。
对射频同轴连接器而言,还有特性阻抗、插入损耗、反射系数和电压驻波比等电气指标。由于数字技术的发展,为了连接和传输高速数字脉冲信号,出现了一类新型的连接器即高速信号连接器,相应地,在电气性能方面,除特性阻抗外,还出现了一些新的电气指标,如串扰、传输延迟和时滞等。
(3) 环境性能
常见的环境性能包括耐温、耐湿、耐盐雾、耐振动和耐冲击等。
①耐温。目前连接器的最高工作温度为200ºC(少数高温特种连接器除外),最低温度为-65ºC。由于连接器工作时,电流在接触点处产生热量,导致温升,因此一般认为工作温度应等于环境温度与接点温度之和。在某些规范中,明确规定了连接器在额定工作电流下容许的最高温升。
②耐湿。潮气的侵入会影响连接器绝缘性能,并锈蚀金属零件。恒定湿热试验条件为相对湿度在90%~95%(依据产品规范,可达98%)、温度为+40±20ºC,试验时间按产品规定最少为96h。交变湿热试验则更严苛。
③耐盐雾。连接器在含有潮气和盐分的环境中工作时,其金属结构件、接触件表面处理层有可能产生电化腐蚀,影响连接器的物理和电气性能。为了评价电连接器耐受这种环境的能力,规定了盐雾试验。它是将连接器悬挂在温度受控的试验箱内,用规定浓度的氯化钠溶液用压缩空气喷出,形成盐雾大气,其暴露时间由产品规范规定,至少为48h。
④耐振动和冲击。耐振动和冲击是电连接器的重要性能,在特殊的应用环境中如航空和航天、铁路和公路运输中尤为重要,它是检验电连接器机械结构的坚固性和电接触可靠性的重要指标。在有关的试验方法中都有明确的规定。冲击试验中应规定峰值加速度、持续时间和冲击脉冲波形以及电气连续性中断的时间。
⑤其他环境性能。根据使用要求,电连接器的其他环境性能还有密封性(空气泄漏、液体压力)、液体浸渍(对特定液体的耐恶习化能力)和低气压等。
连接器的新发展
基于PICMG 2.0 CompactPCI规范的连接器能够顺利地与PCI Express器件连接,满足了仪器仪表、军事和航空市场CompactPCI用户的未来需求,还定义了相应的板(3U,6U)和背板连接器、电子及机械标准。其系统插槽(板)可容纳多达24个通道和4个PCI Express连接,每个方向的最大系统带宽为 6Gb/s。外围插槽最多可具有16个 4Gb/s通道(1型外设板)或8个2Gb/s通道(2型外设板)。
越来越多连接器应用在高速、高端领域,为了提高信号完整性,在连接器技术上必须采用差分信号对。ERmet ZD和HM ERmet连接器不仅满足了高速应用信号完整性的要求,还支持PICMG新近批准的CompactPCI Express PICMG EXP.0 R1.0规范。
PICMG EXP.0通过用于ATCA标准称作“高级差分结构(ADF)”的ERmet ZD连接器传输PCI Express信号。符合该标准的连接器要求具有可靠的高速信号传输、高端子密度,并支持其他工业标准以及有第二资源的可靠供货。其中3排信号对的版本符合新的CompactPCI Express标准,并可在每25mm线性长度提供30对差分信号。此外,由于距离插件板中心较远,这种3排的ZD连接器可用在3U板上插入PMC模块或XMC模块。ERmet ZD连接器也是现有PICMG 2.20和PICMG 3.0(ACTA)规范的标准连接器。
1、从机械转向电气
以前,连接器的选型主要由机械工程师负责,因为他们需要考虑到整个电路板或子系统的布局,连接器的选择更多是尺寸和空间的考虑。而电气性能通常只考虑端子的额定电流,设计中需要决定由多少个端子来传输信号、连接器主体的大小和形状及连接器的结实程度,尤其是在军用项目中。航空电子或便携式系统中,每个器件的尺寸都很关键,对连接器的选型是个很大的挑战。
今天的连接器设计已经完全改观,需要由专门的信号整合工程师来负责选型,新的连接器设计也必须从满足电气性能要求,而不是像过去那样当整个连接器设计完成后再来测量电气性能参数。尤其是10GHz以上的高速信号,电气性能非常关键。设计高性能连接器时,无论是昂贵的背板连接器还是常见的标准PC连接器,首先要考虑的就是电气性能要求。连接器的选型也由包装工程师转向了设计电路的电气工程师负责。
2、提高数据传输速度
当数据传输速度提高时,电容和阻抗的影响也愈加明显。一个端子上的信号会串扰到相邻的端子并影响其信号完整性。此外,接地电容减小了高速信号的阻抗,使信号衰减。新的串行PCI标准PCI Express,在2.5Gb时,每个方向的最大数据传输速度为500MB,大大提高了单个连接器所能传输的信号速度。过去,高速信号通常由共轴电缆和共轴连接器来控制信号路径的阻抗。在PCI Express中采纳类似的概念,每个信号传输端子都彼此隔开。差分信号对就能够很好地达到这个目的,因为每个差分信号对的一侧都有接地引脚,以减少串扰。
高速传输在背板连接器中应用最多,高达10Gb/s的连接器采用了非常精密的设计技术。通常第一层是开阵脚的区域以分离相邻的接地端子。下一个层次是装在行间的接地屏蔽。顶层的应用则会包括一个金属接地结构围绕着每个信号端子(或差分信号对, 如图1所示)。这样的C型金属屏蔽实现了最佳的数据传输速度和信号完整性的组合,是理想的高速应用连接器。
连接器是电子设备中不可缺少的部件,它在电路内被阻断处或孤立不通的电路之间,架起沟通的桥梁,从而使电流流通,使电路实现预定的功能。连接器形式和结构是千变万化的,随着应用对象、频率、功率、应用环境等不同,有各种不同形式的连接器。尽管连接器种类众多,但基本性能可分归纳为三大类:即机械性能、电气性能和环境性能。
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