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    一種多功能微矩形連接器的設計

        作者:宏拓新軟件
        發布日期:2023-08-07         
    閱讀:19     
     
     

    摘要:連接器是電氣設備和電氣系統間實現電氣連接的最主要元器件之一,隨著計算機技術和通信技術的發展,各類電器終端和特種裝備對信息的傳輸速率要求越來越高,傳統的232信號、485信號、CAN總線等已逐漸不能滿足裝備發展的需求,同時小型化、集成化、低成本也是各型裝備發展的必要條件。本文介紹了一款微矩形連接器,該產品可以滿足用戶低頻信號、USB信號、以太網信號等多種功能的信號傳輸;同時闡述了該類連接器的功能及結構,并通過試驗驗證了產品的性能滿足相關要求。

    關鍵詞:高速、差分信號、連接器

    0 引言

    矩形連接器被廣泛應用于電子計算機領域,隨著計算機技術的日益發展,信息的處理與傳輸速率越來越高,傳統的低頻微矩形連接器已經不足以滿足未來計算機通信的發展需求,同時,根據用戶的需要,為了匹配兼容不同型別的設備,設計了一款能夠兼容多種信號(包括低頻信號、485信號、以太網信號等)的微矩形連接器。

    該產品是以GJB2446A-2011標準為參考,結合高速信號傳輸要求而研發的多功能傳輸微矩形連接器。它具有體積小、重量輕、可靠性高等特點,能夠傳輸高速信號,傳輸速率可達1.5Gbps。

    1技術要求

    a) 工作溫度:-55℃~+125℃;

    b) 絕緣電阻:≥5000MΩ(正常條件下);

    c) 耐 電 壓:800V(標準大氣條件下);

    d) 額定電流:3A;

    e) 特性阻抗:100±15Ω;

    f)傳輸速率:1.5Gbps;

    g) 近端串擾:≥30dB;

    h) 沖擊:加速度735m/s²;

    I) 振動:頻率10Hz~2000Hz 加速度196m/s²;

    J) 機械壽命:500次。

    2 方案設計

    2.1總體結構

    該類產品主要由殼體、基座、插針合件(針頭和針體)、插孔、插合附件(螺釘、卡環、鋼套、鉚釘)、導線、灌封膠組成,接觸件與絕緣體采用灌封固定,鎖緊組件與殼體采用鉚接固定。

    該產品接觸件采用鍍金絞線式彈性插針和剛性插孔配合使用,單個接觸件的接觸點達九個,具有極大地接觸可靠性。絕緣體選用低介電常數的優質工程塑料,孔位采用1.27×1.27mm 網格間距分布,特性阻抗為100Ω,從材料選型和結構的設計上保證了產品的特性阻抗滿足高速信號傳輸要求。用戶在使用時,可以根據實際使用需求進行接點布線,以實現不同信號傳輸的需求。該產品具有接點密度高、體積小、重量輕等特點,適用于高密度、微型化、輕型化、高速率、高可靠要求的各種電氣電路系統的互連,滿足系統輕型化、微型化、高速傳輸的需求。

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    22

    圖1產品結構示意圖

    2.2 參數與功能設計

    2.2.1電氣性能指標設計

    1)接觸電阻

    插針的設計采用鍍金絞線式插針結構,插拔柔和,接觸可靠,力值穩定;材料選用錫青銅和鈹青銅,材料本身具有較高減磨性能和耐蝕性,彈性模量較高,且導電性能好,體電阻較低;接觸件表面選用鍍金處理,鍍金層不易氧化,具有極高的抗化學腐蝕性能,同時,表面鍍金的接觸件具有較低的接觸電阻;單個接觸件的分離力根據GJB2446A-2011標準相關產品的參數設計,且對接到位后插針和插孔接觸可靠,并且可獲得較低的接觸電阻,相關產品的經驗值<10mΩ。

    2)介質耐電壓

    絕緣體材料選用優質工程塑料,其擊穿強度為17kV/mm,根據絕緣體擊穿強度計算公式:

    V=d×E

    式中:

    d——孔腔最小間距(mm),為0.35mm;

    E——絕緣材料擊穿強度(kV/mm),為17kV/mm;

    計算可得V=5950V>技術指標值800V,滿足設計要求。

    3)絕緣電阻

    絕緣電阻是絕緣體的體積電阻和表面電阻的并聯,由絕緣體材料的體積電阻率、表面電阻率、絕緣體最小爬電距離等決定,其計算公式為:

    R=Rv·Rs/(Rv+Rs),其中Rv=ρv·d/S,Rs=ρs·b/S

    式中:R——兩接觸件間絕緣電阻

    ρv——體積電阻率(Ω·mm),為1×1013Ω·mm

    ρs——表面電阻率(Ω·mm),為1×1012Ω·mm

    d——絕緣體導體間距離(mm),0.35mm

    S——導體間對應面積(mm2),為0.482mm2

    b——爬電距離(mm),為0.35mm

    計算可得R=Rv·Rs/(Rv+Rs)≈66000MΩ>技術指標值5000MΩ。

    4)特性阻抗、傳輸速率及串擾

    通過相關高頻產品的設計經驗進行初步設計,選擇了低介電常數的材料,并對接觸體進行了等間距排布設計,保證了產品特性阻抗的要求;同時,通過絕緣體孔位間距的設計,滿足了串擾的要求。通過模型仿真計算,得到該產品特性阻抗、串擾及傳輸速率的仿真計算結果滿足預期要求。

    2.2.2 壽命

    外殼材料選用航空鋁合金材質,其強度與耐腐蝕性好。表面進行鍍鎳處理,進一步增強其耐鹽霧性能和耐腐蝕性能;接觸件材料選用鈹青銅和錫青銅,有良好的機械性能、腐蝕和減磨性。表面鍍金處理,此種表面處理能顯著增強其耐磨度。通過同類型產品設計的經驗值類比,可以保證壽命達到500次的技術指標要求。

    2.3 可靠性設計

    2.3.1容差設計

    33

    圖2 接觸體接觸長度尺寸鏈示意

    在插頭與插座對接插合后,如圖2所示,接觸體的接觸長度A0與其它5個尺寸連接成的封閉尺寸組,形成尺寸鏈,其中A1為增環,A2~A5為減環。

    封閉環的基本尺寸=所有增環基本尺寸之和減去所有減環基本尺寸之和,即A0=A1–(A2+A3+A4+A5)=5.4-(0.8+1+1.3+0.6)=1.7。

    封閉環上偏差=所有增環上偏差之和減去所有減環下偏差之和,即封閉環上偏差ES0=0.08-(-0.1-0.05-0.05)=+0.28。

    封閉環下偏差=所有增環下偏差之和減去所有減環上偏差之和,即封閉環下偏差EI0=0- (0.05+0.1+0.05)=-0.20。

    故封閉環A0=1.7。

    產品對接后,插針與插孔接觸長度在1.5~1.98mm之間,此長度能夠滿足要求,保證電性能的可靠性及穩定性。

    2.3.2 余度設計

    根據上述參數與功能設計,該系列產品余度設計如下:

    產品使用的絕緣材料為優質工程塑料,擊穿強度為17kV/mm,而絕緣體孔邊距最小距離為0.35mm,理論上擊穿電壓為5950V,大于要求的500V介質耐壓值。

    通過計算此絕緣體0.35mm間最大絕緣電阻為66000MΩ,大于產品要求的5000MΩ,電性能指標有足夠的余量。

    產品要求耐高溫為125℃,選用的絕緣材料長期使用溫度最高為150~200℃,有足夠余量。

    2.4工藝性設計

    2.4.1 機械加工工藝性

    該類產品絕緣體采用模具塑壓成型,零件一致性能夠得到保證,且加工效率快,產品結構容易形成。產品的外殼、接觸件結構簡單,通過機械加工而成,工藝成熟,容易實現。涂覆采用了質量穩定的鍍種方法,質量能得到保證。

    2.4.2 裝配工藝性

    產品由各零件簡單組合裝配,接觸件與導線壓接后,與絕緣體采用灌封固定,鎖緊組件與殼體采用鉚接固定。產品結構相對簡單,裝配工藝成熟,產品質量能夠得到保證。

    4 試驗驗證

    對設計后的產品進行試制,并取試制樣品按GJB1217A-2009 《電連接器試驗方法》相關要求進行試驗驗證,試驗結果合格,各項指標均滿足預期要求,試驗結果詳見下表。

    44

    表1 連接器測試結果

    試驗項目指標要求滿足情況備注

    額定電流3A滿足

    工作溫度-55℃~125℃滿足

    特性阻抗100±15Ω滿足

    絕緣電阻≥5000MΩ滿足

    耐電壓800V滿足

    近端串擾≥30dB滿足

    傳輸速率1.5Gbps滿足

    振動10~2000Hz,加速度196m/s2滿足

    沖擊735m/s2滿足

    機械壽命500次滿足

    5 結論

    設計后的多功能微矩形連接器,可以直接與相同接口的連接器互換對接,并且能夠兼容匹配不同型別的設備,實現兼容多種信號(包括低頻信號、485信號、以太網信號等)的傳輸。

    同時,該產品具備較好的抗振動、沖擊能力,可適用于對耐環境要求較高的特種設備。經過試驗驗證,該類產品各項性能指標合格,滿足預期要求。該類產品體積小、質量輕,可以為小型化、集成化、智能化的設備終端及特種裝備提供優良的解決方案。

     

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