插入式连接技术面临的新挑战及应对方案.pdf
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1、电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering1481 连接技术发展趋势传统的电子连接器结构形式为插入式,即通过插头和插座的插合实现连接器内部接触件的导通,随着电子设备朝着轻型化、小型化、无线化、智能化等方向发展,对连接技术也提出了更高更新的需求1。现有插入式连接方式因起固有的结构形式,在小型化、智能化等方面存在一定的局限性。随着电子技术的发展,插入式连接技术面临着诸多挑战。陈刚国等学者2-5从应用场景、国内发展趋势、现有连接技术的优缺点等方面论述了连接技术及连接器产
2、品的发展趋势,为连接技术的工程化提供了借鉴。本文基于新装备的发展趋势和插入式连接技术的结构特点,论述了插入式连接方式的局限性,结合当前新型连接技术的发展趋势给出了相应的应对方案。同时论述了连接技术发展趋势。1.1 小型化和低矮化的局限性根据电接触理论,接触件的正压力和传输性能直接相关,正压力越大,接触电阻越小,传输性能越好。正压力的方向和接触件弹片变形方向保持一致。如图 1 所示。正压力主要是插孔弹性变形产品。定义参数 L0代表接触部位至根部距离,参数 b 代表插孔宽度,参数 h代表插孔厚度,参数 代表对插后接触部位的变形量。假设接触件在纯弹性范围,即多次插拔后接触件不发生塑性变形。力平稳时的
3、正压力F计算公式如式(1)所示。根据正压力的计算公式,正压力主要和插孔的结构参数和插头与插座的装配关系决定。(1)传统插入式接触技术,接触件一般为回转体或片式结构,使用时接触件的插针和插孔沿其轴向运动,接触力由插孔的径向过盈产生。接触正压力的方向和插合方向垂直,如图 2 所示。根据插入式接触件的结构特点可知,插合过程不会影响正压力,同时额外引入了插拔过程和插拔力。应用中,为保证产品的可靠性,需要预留一定的插入深度和摩擦距离,通常插入深度应大于 1mm。因此插入式连接技术面临的新挑战及应对方案郭建设付金辉*高玉涛(中航光电科技股份有限公司 河南省洛阳市 471003)摘要:本文基于新装备的发展趋
4、势和插入式连接技术的结构特点,论述了插入式连接方式的局限性,结合当前新型连接技术的发展趋势给出了相应的应对方案。同时论述了连接技术发展趋势。传统的电子设备中普遍采用插入式的电子连接器,随着电子技术发展,插入式连接方式在小型化和低矮化、盲插及浮动功能、智能无线化等方面还存在一定的局限性。端面连接技术、无线传输技术可有效解决插入式连接面临的问题,在高速信号传输、光信号传输、集成信号传输方面取得了一定的突破,并形成了相应的解决方案;随着未来设备功能的拓展和基础技术的发展,连接技术向着结构功能一体化、智能化等方向发展。关键词:连接技术;插入式连接;端面接触;智能无线;结构功能一体化图 2:插入式接触件
5、结构特点图 1:接触件正压力电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering149需在设备安装位置预留一定的插拔操作空间,从而增加了设备的整体体积,不利于设备的小型化和低矮化。1.2 盲插及浮动的局限性根据插入式连接器的结构特点,插入过程需保证插针和插孔具有一定的同轴度。如图 3 所示。对矩形连接器,为保证精确接触,连接过程需保证一定的引导精度,当引导精度不满足时,接触件在插孔的受力不均,影响接触件的力学性能和电学性能。极端情况下,插针和插孔无法顺利插合,造成接触件的损
6、坏和接触力的劣化,影响接触件的功能。如矩形 LRM 系列连接器,单腔芯数多达 400 芯。需设计三级引导结构,通过导销、壳体和绝缘体的引导,实现插针和插孔的配合。如图 4 所示。设计时通常会要求产品装配后需获取插针的中心并得到其坐标值,假设为(x1,y1),假设理想位置为(x0,y0),则插针的位置度为。一般要求插合端位置度应 0.15mm。同时,部分设备在对插方向有浮动要求,接触件的插入深度直接影响了插合方向的浮动量。随着设备结构越来越复杂,连接部位的精度也受到影响,有时无法满足插入式连接器对同轴度的要求。因此插入式连接无法满足自浮动大容差的盲插需求,对连接精度的要求一定程度上限制了设备的发
7、展,不符合设备整体的发展趋势。1.3 产品整体功能智能化、无线化的局限性插入式连接器为保证其功能,插孔发生弹性变形,插针和插孔的接触部位具有一定的作用力。作用力使接触部位产生一定的接触区域,电信号通过接触区域实现导通。当连接器用在有一定插拔要求、温度、振动冲击等环境中时,接触件会发生磨损、应力松弛等行为,造成接触部位信号传输能力下降甚至失效,从而影响连接器的可靠性,整个插拔过程对接触的可靠性带来负面影响。因此,插入式连接器的接触形式对可靠性带来的影响是未来面对的挑战之一。如图 5 所示。插入式连接器主要由接触件、绝缘体、壳体组成,插头和插座通过锁紧机构实现相互固定。应用中还需设计端接结构和线缆
8、进行连接。集成化连接器虽然能同时传输光、电信号,但两种信号通过机械结构实现集成,图 3:对插时同轴度要求图 4:LRM 连接器对插示意图和密度图 5:接触件磨损状态电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering150相互之间无耦合关系。随着智能技术发展,对连接器的智能化也提出了要求,当前,插入式连接器主要部件由机械零件构成,零部件之间至存在装配关系,无其他功能。零部件之间的连接关系不利于连接器整体的智能化设计。如图 6 所示。综上。随着连接技术的飞速发展,在面对新的技
9、术需求时,插入式连接器的结构形式、应用方式等所存在的局限性在逐步凸显,面临着越来越多的挑战。2 应对方案针对挑战,结合当前对连接技术的需求和连接结构形式特点,未来可通过端面接触技术解决设备低矮化、大浮动等方面的需求;可通过无线传输技术解决接触、插拔过程引起的可靠性问题;可通过连接器的智能化技术拓展连接器的结构形式和整体功能。2.1 端面接触弹性连接技术端面接触技术作为一种较为新颖的接触技术,接触力由轴向弹性接触产生。连接器配合过程中的力与位移和产品性能直接相关,产品实现配合的过程同样也是产品实现其功能的过程。端面接触弹性连接技术通过点与面的接触实现可靠连接,无需通过插入接触实现连接,没有接触件
10、长度的限制及插孔直径的限制,可以实现小型轻薄化,同时点与面的接触可以实现 X/Y 方向(垂直工作方向)大范围的偏移接触,Z 方向(工作方向)的弹性可以消除用户板间的公差累积实现浮动接触,可以实现盲插连接传输。端面接触技术能够更好的满足机载、雷达片式 T/R组件及单兵作战设备等武器平台对连接器扁平低矮化、小型化、轻量化、易清洁、X/Y/Z 浮动等方面的需求。如图 7 所示。端面接触弹性连接技术产品包括弹簧针、毛纽扣、斜圈弹簧、表带触指等,这些端面接触产品不但能实现超薄化和低矮化,还可满足高速、射频以及大电流的传输。在超薄化和低矮化方面,最小板间距可达 0.5mm;最小孔间距 0.5mm0.5mm
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