选择板对板连接器的完整指南

2022-04-08

选择板对板连接器的完整指南

该 PCB 包含多(duō)个连接器，可(kě)用(yòng)于板对板连接或電(diàn)缆组件。

任何曾经看过旧台式计算机并拔下带状電(diàn)缆的人都熟悉不起眼的排针。该连接器是一种简单但有(yǒu)效的方式，可(kě)将两块板以堆叠方式连接在一起。事实上，它非常受欢迎，已被用(yòng)于為(wèi) Arduino 和 Raspberry Pi 等流行平台构建附加屏蔽板，这两个平台都在创客空间之外取得了成功。在最近与客户的一次接触中，我惊讶地看到他(tā)们如何堆叠多(duō)个 Raspberry Pi 板来运行一些关键设备，这表明板对板连接器在这些类型的模块化系统中的重要性。

尽管排针很(hěn)简单，但这并不意味着它们没有(yǒu)用(yòng)。然而，它们并不是唯一的选择，还有(yǒu)许多(duō)用(yòng)于高速/高频系统或高压/高功率系统的板对板连接器选项。这些连接器可(kě)以进入各种系统，从军事设备到医疗设备。如果您正在為(wèi)下一个硬件平台采用(yòng)模块化设计方法，并且需要轻松地将多(duō)个板连接在一起，请考虑使用(yòng)板对板连接器而不是電(diàn)缆。市场上有(yǒu)许多(duō)具有(yǒu)成本效益的选择，可(kě)以确保一系列系统中的信号完整性和坚固的设计。

多(duō)种类型的板对板连接器

板对板连接器有(yǒu)多(duō)种形状和尺寸，可(kě)為(wèi)多(duō)板PCB系统提供模块化感觉。常见的板卡连接器种类很(hěn)多(duō)，不同的厂商(shāng)都有(yǒu)自己的产品線(xiàn)，一般属于下面列出的类别之一：

排针：大多(duō)数设计人员都熟悉间距為(wèi) 1 mm 的 1 排或 2 排排针排列。这种风格有(yǒu)多(duō)种变化，包括堆叠的排针。排针可(kě)以被遮盖和键控（甚至是多(duō)键控），以确保连接板时引脚匹配。 

夹层连接器：这种类型的板对板连接器以堆叠配置连接两个平行印刷電(diàn)路板。有(yǒu)许多(duō)夹层连接器样式。请注意，排针可(kě)用(yòng)作夹层连接器。 

边缘卡连接器：这种类型的连接器最常用(yòng)于 RAM 棒和 COM/SoM。实际上，它可(kě)以用(yòng)于沿板边缘的任何板对板连接，无论是定制的还是标准化的引脚排列。 

背板连接器：这种类型的连接器值得拥有(yǒu)自己的类别，因為(wèi)它需要适应高数据速率和非常坚固的结构。

标准化连接器：一些连接器可(kě)能(néng)会被开发以满足非常特定的行业标准，而不是附加卡的边缘连接器样式。已定义特定连接器样式的标准组织包括 VITA（用(yòng)于背板）、PCI-SIG（PCIe 卡）、IEEE（例如，用(yòng)于夹层的 1386 标准）、JTAG、PC/104（方形柱式排针）等。 

还有(yǒu)许多(duō)其他(tā)连接器不属于上述类别之一。下图显示了属于这些类别的一些典型产品的示例。

板对板连接器的一些示例。

上图只是市场上所有(yǒu)不同板对板连接器的一个子集。显然，这些连接器有(yǒu)许多(duō)变化，具有(yǒu)不同的引脚/焊盘数量、键/护罩样式、安装样式（SMD 与通孔）和规格。当您浏览供应商(shāng)的网站或通过零件搜索引擎进行过滤时，供应商(shāng)将采用(yòng)几种不同的方式对其零件进行分(fēn)类。

電(diàn)气应用(yòng)

在这些不同类型的板对板连接器中，它们可(kě)分(fēn)為(wèi)加固型、高速、高频、大電(diàn)流/高功率或其他(tā)一些名称。这主要是营销说法，因為(wèi)没有(yǒu)对高速连接器、大功率连接器等的通用(yòng)定义。一个重要的例外是背板连接器，它在 ANSI/VITA 标准中得到严格定义，其中特定样式与不同的介质（铜、光纤或同轴電(diàn)缆）。另一种高度标准化的连接器样式是 IEEE 1386 夹层连接器。

坚固的应用(yòng)

与许多(duō)其他(tā)组件一样，供应商(shāng)将以其产品针对特定行业，并尝试针对这些行业中的特定应用(yòng)。因此，您将看到板对板连接器的样式，这些连接器在针对汽車(chē)、航空航天、工业系统或電(diàn)力产品等领域时，可(kě)能(néng)会通过硬塑料屏蔽层进行高度加固。通常，您通常可(kě)以找到标准连接器的加固版本，其引脚排列、安装方式和间距与其不太坚固的版本相同。

选择板对板连接器

现在我们可(kě)以看看选择板对板连接器时要考虑的一些要点。首先，我们来看一些规格，然后我们可(kě)以考虑不同连接器样式的优势。

板对板连接器规格

板对板连接器有(yǒu)一些電(diàn)气规格，应考虑的不仅仅是连接器样式：

间距和引脚数：除非您针对特定应用(yòng)进行设计，或者您需要高速/高频或大電(diàn)流，否则您可(kě)能(néng)会首先查看连接器所需的间距/引脚数。凭借低功耗和低速信号，几乎每个连接器都可(kě)以满足您的電(diàn)源要求，同时确保信号完整性。 

功率处理(lǐ)：这通常被引用(yòng)為(wèi)每个引脚特定電(diàn)压下的電(diàn)流。大多(duō)数连接器可(kě)以在典型应用(yòng)電(diàn)压下处理(lǐ)几安培。确保检查電(diàn)压，因為(wèi)通过電(diàn)缆提供電(diàn)源和数据是很(hěn)常见的；您需要确保您的功率不超过额定電(diàn)压。 

管理(lǐ)标准：任何有(yǒu)关连接器的行业标准都可(kě)以管理(lǐ)外形尺寸（上面讨论了一些示例），或者它们可(kě)以涵盖测试和应用(yòng)规范。确保检查这些以确保您的连接器样式符合要求。

环境等级：规格包括功率随湿度循环、暴露于气體(tǐ)和高温测试的变化。这使您可(kě)以很(hěn)好地了解连接器可(kě)用(yòng)于确保可(kě)靠性的位置。

数据速率/频率限制：对于高速数据通道，您会看到推荐的数据速率限制，供应商(shāng)将通过广泛的测试确定该限制。数据速率限制只是一个建议，您可(kě)能(néng)能(néng)够在系统中克服这些限制。如果您打算违反数据速率/频率规范，请務(wù)必彻底测试您的系统。

机械规格：高质量的板对板连接器数据表可(kě)能(néng)包含一些有(yǒu)关机械冲击、振动、拉力或其他(tā)规格的数据，以帮助设计人员了解耐用(yòng)性。请注意，这些可(kě)能(néng)会被列為(wèi)测试结果，以符合某些行业标准。

外形尺寸：一些板对板连接器（如边缘连接器）可(kě)能(néng)相当笨重。其他(tā)连接器专门设计為(wèi)薄型，例如Hirose 的 BM20 系列薄型夹层连接器。注意系统中的外形尺寸和外壳要求。

Hirose 的 BM20 系列薄型板对板连接器最近在一些 SoM 上变得越来越流行。来自 BM20 数据表。

上一节中显示的各种样式可(kě)能(néng)是一个限制因素，因為(wèi)您可(kě)能(néng)需要与现有(yǒu)系统连接，因此您无法自由选择任何连接器。在许多(duō)情况下，首先要考虑一些電(diàn)气或机械限制，然后选择您需要满足配置文(wén)件/外壳要求的外形尺寸或连接器样式。

如果您确实可(kě)以自由选择连接器样式和外形尺寸，则应考虑每种类型的连接器都有(yǒu)一些优势。

一些板对板连接器样式的优点

市场上有(yǒu)如此多(duō)样式的板对板连接器，不可(kě)能(néng)对每种类型的连接器进行完整的比较。但是，对于不同的连接器样式，有(yǒu)一些基本要点需要了解，这些样式揭示了它们在不同系统中的优缺点。 

边缘连接器

边缘连接器使用(yòng)滑动触点进行電(diàn)气连接，在重复连接后最终会磨损。磨损可(kě)能(néng)发生在卡侧或插座侧。如果電(diàn)路板需要反复连接和移除，替代样式可(kě)能(néng)是更好的选择，因為(wèi)其中许多(duō)将具有(yǒu)更長(cháng)的接触寿命。

我们可(kě)以看到这个边缘连接器上的金触点磨损。

全罩式或同轴式

一些连接器采用(yòng)同轴式，可(kě)实现高功率传输，提供屏蔽，并為(wèi)射频系统提供优势（见下文(wén)）。全罩式连接器是高功率应用(yòng)的理(lǐ)想选择，并且具有(yǒu)更高的额定電(diàn)流，而不会在電(diàn)路板上过大。这是一个比排针更好的选择，排针的额定電(diàn)流可(kě)能(néng)低至 1 A，而且没有(yǒu)有(yǒu)用(yòng)的高速/RF 数据。

薄型水平连接器样式

您的连接器方向可(kě)能(néng)允许平行板，但板可(kě)能(néng)能(néng)够水平而不是垂直移除。例如，上面显示的 Hirose 连接器需要垂直移除，但有(yǒu)边缘连接器和夹层连接器可(kě)以水平插入/移除，同时保持非常低的轮廓。这在需要访问附加卡的低配置应用(yòng)程序中是非常宝贵的。

这种边缘连接器通常用(yòng)于 PCIe 附加卡

排针块

如果您不担心高電(diàn)流、高隔离或高精度信号完整性，可(kě)堆叠排针是為(wèi)您的系统添加多(duō)级模块化的好方法。可(kě)以选择排针块，使其可(kě)堆叠，从而允许将多(duō)张卡放置在总線(xiàn)上或允许為(wèi)多(duō)块電(diàn)路板并行供電(diàn)。如果您需要在每个模块上访问数据，请确保引脚排列在整个引脚头堆栈中匹配。

高速和高频怎么样？

在达到 Gbps/GHz 水平的高速/高频率下，信号完整性成為(wèi)选择板对板连接器时需要考虑的重要一点。在数据表或制造商(shāng)的支持页面中查找以下一些指标：

阻抗：具有(yǒu)同轴拓扑结构的射频连接器将具有(yǒu)指定的阻抗，因為(wèi)它们需要与特定的系统阻抗连接。阻抗规格在规定的带宽内有(yǒu)效，可(kě)能(néng)是 -3 dB 频率。

S 参数数据：如果您想使用(yòng)连接器进行任何类型的模拟，那么您将需要 S 参数数据。这对于 PAM4、SerDes 通道或更新(xīn)的高速信号标准（PCIe、GDDR6 等）等技术非常重要，因為(wèi)这些模拟是系统验证的重要组成部分(fēn)。 

引脚对引脚隔离： RF 板对板连接器可(kě)能(néng)所有(yǒu)引脚都被完全屏蔽，而其他(tā)连接器类型并非总是如此。这些连接器将具有(yǒu)高隔离度和低引脚数。它们也往往更笨重。其中一些板对板连接器将具有(yǒu)可(kě)用(yòng)的電(diàn)缆连接器变體(tǐ)。