实现基于COTS的新型连接器

对于军事和航空航天应用中嵌入式计算机系统的设计者而言，它意味着更高速的处理能够应对日益复杂的信号情报和网络战争。反过来，这需要连接器不仅能够处理高数据速率，而且还提供更高的坚固性，以便在恶劣环境中提供可靠的操作。
　　即使设计人员追求更高的处理负载和更坚固的组件，其他趋势影响连接器的设计。个是解决SWaP尺寸，重量和功耗问题 - 创建体积更小，重量更轻，功能更强大的系统。在无人驾驶或无人驾驶的高性能飞机中，空间总是非常重要，重量与飞行时间和有效载荷有直接关系，高效的配电有助于实现更小的发电组件。因此，系统设计人员对SWaP的痴迷并不奇怪。
　　另一个重要趋势是使用商用现货（COTS）组件 - 确保产品在您需要时可用。即使是新的设计也可以通过使用完善的构建模块和经过现场验证的技术来实现基于COTS。
　　新级别的连接器加固可以采用两种形式：（1）全新的连接器或（2）升级到现有连接器。选项1提供了的自由度，但却牺牲了传统的产品设计和标准。选项2允许向后兼容现有的连接器和电路板设计。
　　TE ForTIs Zd连接器是选项1的一个示例。尽管连接器相对较新，但它的根源在于COTS。这款连接器采用军用系列MIL-DTL-55302迷你盒式触点设计，是一种新设计，可提供更高的速度（12+ Gb/s）和高水平的坚固性。该连接器已被考虑用于多种标准，并找到性能胜过标准的应用。
　　在TE的MULTIGIG RT 2连接器中可以看到选项2的示例，下面将对此进行详细讨论。
　　对连接器设计进行酷刑测试
　　对于基于标准的嵌入式计算，VITA 46和47已成为衡量合规性和性能的标准。这些标准定义了机械系统封装要求以及冲击，振动，温度和其他环境应力的测试要求，一般系统和连接器必须承受这些应力。
　　坚固耐用的连接器，例如MULTIGIG RT 2为VITA 46 VPX系统指定的连接器必须满足VITA 47要求。近，该行业的一些公司已经开始了解VITA 47之外的利润率，以及更加紧张的连接器测试。 VITA 72Working Group已经创建了新级别的测试 - 酷刑测试，因为它是连接器，远远超出了预期的应用程序危害的需求。在这样做时，测试导致连接器设计的改进。其中一个连接器是MULTIGIG RT 2连接器。
　

　　图1：典型的VITA 46 6U VPX配置使用MULTIGIG RT 2连接器。在MULTIGIG RT 2子卡连接器中使用晶圆有助于创建重量轻，通用，无引脚的连接器设计。
　　连接器采用无引脚设计：子卡半部分和分束式晶圆，弹簧触点在背板侧。通过消除引脚以及短截和弯曲引脚的问题，无引脚设计有助于提高可靠性并防止卡处理和配合过程中的损坏。子卡的基于晶片的设计允许每个晶片单独配置：单端，差分，功率或甚至混合。虽然VITA 46为每个模块区域（P0到P6）指定了连接器模块的类型，但晶圆设计为设计人员提供了在必要时混合和匹配晶圆的潜力。满足SWaP问题的一个重要好处是MULTIGIG RT 2连接器是轻的VPX连接器，这在很大程度上归功于轻质晶圆和连接器构造。

　　测试连接器的度
　　图2显示了根据Mercury Systems和VITA 72工作组创建的测试标准，VITA 47标准和VITA 72要求之间振动测试的主要差异之一。 RL3与VITA 47的V3基本相同。 RL3 + 3 dB大大增加了振动水平。这种较高的功率谱密度使连接器承受更大的应力，增加了由于振动引起的接触相互移动而引起的接触微动和电镀磨损的可能性。与之前的VITA 46/VITA 47测试相比，这些更高的振动水平也可以延长曝光时间。一般测试顺序为：
　　RL3随机振动：每轴1小时
　　RL3 + 3 dB随机振动：每轴1小时
　　RL3 + 3 dB随机振动：12小时，Z轴
　

　　图2：VITA 72工作组进行的测试使连接器受到很大影响使用RL3 + 3 dB水平随机振动进行更有压力的测试。
　　在检查了VITA 72工作组测试的产品后，原来的MULTIGIG RT 2连接器表现非常出色;然而，沿着6U卡的选择位置显示出高水平的磨损，这表明需要增强的接触解决方案。
　　传统的连接器智慧说增加可分离接口处的接触点是有效的，因为多个接触点提供冗余，从而提高了连接的可靠性。有人认为点是四点接触。例如，如果影响接触电阻的污染概率例如是给定接触的0.01，则四点接触的所有四个点同时受到影响的概率是（0.01）4或10-8！这说明了冗余的力量。部分重新设计包括配对触点对的重大改进，同时保持与现有设计的向后兼容性。在原始连接器中，每个接触弹簧梁与晶片垫形成单点接触。在较新版本中，触点已经过重新设计，因此每个光束产生两个接触点 - 称为四重冗余 - 大致加倍接触区域。图3显示了原始和重新设计的联系人。

　　　新增强设计的一个重要特征是两个光束上的接触光束和区域彼此不对称。接触波束长度的差异意味着每个波束响应于振动具有独特的频率模式，有助于消除两个波束同时实现谐振的可能性。即使接触点增加，新的增强型接触系统也不会增加配合力，同时有助于在极端振动水平下保持可靠的接触。
　　配合半部的晶圆也经过轻微修改，以充分利用新的接触点。梁设计。由于分离光束上的四个接触点中的两个更深，因此晶圆上的信号焊盘延伸1.2 mm以在配合期间保持至少2 mm的接触擦拭，在原始设计的整个配合范围内保持四重冗余。/p>
　　测试结果
        显示了当“酷刑测试”达到图2中规定的水平时6U VPX模块的结果。为了检查接触磨损的指示，每个连接器模块在原始和修改的接触系统上解剖并目视检查接触磨损的迹象。尽管6U布置中的大多数触点能够承受这种极端振动环境，但是存在易受微动磨损影响的特定接触位置。重要的是，采用新的四重冗余设计，原始接触设计所经历的磨损几乎消失了。有趣的是，引导硬件的选择也会影响性能。
　　引导硬件在帮助加固连接器方面的作用常常被忽视。硬件的主要目的是通过提供卡槽键控和连接器半部的初始对准来帮助配合过程。许多导柱和模块使用压铸工艺经济地制造。为了实现键控和引导功能，柱和插座可以具有相当大的制造公差，这对于压铸件来说是常见的。因此，导轨在限制冲击和振动过程中的运动方面起着较小的作用。
　　机加工导轨硬件因具有挑战性的应用而备受关注，因为更的配合已经证明可以减少微动。精密配合与圆周接地弹簧相结合有助于在高振动环境中稳定连接器，如图4所示。
　　配合循环测试
　　四重冗余触点设计是还进行了模拟10,000次交配循环的测试。这个周期数远远高于现实世界中合理的应用预期。然而，它既可以证明可靠性，又可以在高周期应用中提供安心，例如测试平台。高耐久性评估标准是稳定的接触电阻并且在接触配合表面处没有暴露的镍底镀。实现了目标（图5），揭示了连接器配合接口电阻不仅稳定，而且在10,000次交配和取消配合后实际上可以提高。这可以归因于抛光效果，可以平滑接触粗糙度，从而实现更紧密的接触界面。
　

　　图4：VITA 72工作组领导的“折磨测试”时，每个6U VPX测试样品的磨损位置之间的比较。触点设计和附件硬件都会影响高振动环境下的连接器性能。
　

　　图5：10,000次插接周期后的触点耐久性测试显示可接受的接触面。
　　VITA兼容性和设计可靠性连接器
　　由于MULTIGIG RT 2-R连接器具有相同的电路板占位面积和配合接口，因此它是原始VITA 46连接器的直接替代品。四路冗余背板连接器可与原始子卡连接器配合 - 主要区别在于它在所有四个接触点上保持独特的接触擦拭距离。对于与原始背板连接器配合的新子卡连接器，主要区别在于在配合期间额外的1.2 mm接触擦拭，这为系统插入公差提供了更大的余量。
　　新的或升级？
　　在寻找更加坚固的嵌入式计算连接器时，Fortis Zd和MULTIGIG RT 2-R连接器均可提供强大的性能。 Fortis Zd连接器是使用可靠的传统接触技术的新连接器的示例，其接触密度比MULTIGIG RT 2连接器高出约20％（900对728）。因此，对于不需要基于标准（VITA）兼容性的应用程序而言，它是一个不错的选择。但是，对于那些对VPX系统投入大量资金的人来说，Fortis Zd连接器通常不是一种选择。 VPX标准拥有强大的生态系统。 MULTIGIG RT 2-R连接器是一个高性能的例子，可扩展行业标准设计的选项，以实现更加坚固的未来。