實現(xiàn)基于COTS的新型連接器

對于軍事和航空航天應(yīng)用中嵌入式計算機系統(tǒng)的設(shè)計者而言，它意味著更高速的處理能夠應(yīng)對日益復(fù)雜的信號情報和網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)爭。反過來，這需要連接器不僅能夠處理高數(shù)據(jù)速率，而且還提供更高的堅固性，以便在惡劣環(huán)境中提供可靠的操作。

即使設(shè)計人員追求更高的處理負載和更堅固的組件，其他趨勢影響連接器的設(shè)計。第一個是解決SWaP尺寸，重量和功耗問題 - 創(chuàng)建體積更小，重量更輕，功能更強大的系統(tǒng)。在無人駕駛或無人駕駛的高性能飛機中，空間總是非常重要，重量與飛行時間和有效載荷有直接關(guān)系，高效的配電有助于實現(xiàn)更小的發(fā)電組件。因此，系統(tǒng)設(shè)計人員對SWaP的癡迷并不奇怪。

另一個重要趨勢是使用商用現(xiàn)貨(COTS)組件 - 確保產(chǎn)品在您需要時可用。即使是新的設(shè)計也可以通過使用完善的構(gòu)建模塊和經(jīng)過現(xiàn)場驗證的技術(shù)來實現(xiàn)基于COTS。

新級別的連接器加固可以采用兩種形式：(1)全新的連接器或(2)升級到現(xiàn)有連接器。選項1提供了最大的自由度，但卻犧牲了傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計和標(biāo)準。選項2允許向后兼容現(xiàn)有的連接器和電路板設(shè)計。

TE ForTIs Zd連接器是選項1的一個示例。盡管連接器相對較新，但它的根源在于COTS。這款連接器采用軍用系列MIL-DTL-55302迷你盒式觸點設(shè)計，是一種新設(shè)計，可提供更高的速度(12+ Gb/s)和高水平的堅固性。該連接器已被考慮用于多種標(biāo)準，并找到性能勝過標(biāo)準的應(yīng)用。

在TE的MULTIGIG RT 2連接器中可以看到選項2的示例，下面將對此進行詳細討論。

對連接器設(shè)計進行酷刑測試

對于基于標(biāo)準的嵌入式計算，VITA 46和47已成為衡量合規(guī)性和性能的標(biāo)準。這些標(biāo)準定義了機械系統(tǒng)封裝要求以及沖擊，振動，溫度和其他環(huán)境應(yīng)力的測試要求，一般系統(tǒng)和連接器必須承受這些應(yīng)力。

堅固耐用的連接器，例如MULTIGIG RT 2為VITA 46 VPX系統(tǒng)指定的連接器必須滿足VITA 47要求。最近，該行業(yè)的一些公司已經(jīng)開始了解VITA 47之外的利潤率，以及更加緊張的連接器測試。 VITA 72Working Group已經(jīng)創(chuàng)建了新級別的測試 - 酷刑測試，因為它是連接器，遠遠超出了預(yù)期的應(yīng)用程序危害的需求。在這樣做時，測試導(dǎo)致連接器設(shè)計的改進。其中一個連接器是MULTIGIG RT 2連接器。

圖1：典型的VITA 46 6U VPX配置使用MULTIGIG RT 2連接器。在MULTIGIG RT 2子卡連接器中使用晶圓有助于創(chuàng)建重量輕，通用，無引腳的連接器設(shè)計。

連接器采用無引腳設(shè)計：子卡半部分和分束式晶圓，彈簧觸點在背板側(cè)。通過消除引腳以及短截和彎曲引腳的問題，無引腳設(shè)計有助于提高可靠性并防止卡處理和配合過程中的損壞。子卡的基于晶片的設(shè)計允許每個晶片單獨配置：單端，差分，功率或甚至混合。雖然VITA 46為每個模塊區(qū)域(P0到P6)指定了連接器模塊的類型，但晶圓設(shè)計為設(shè)計人員提供了在必要時混合和匹配晶圓的潛力。滿足SWaP問題的一個重要好處是MULTIGIG RT 2連接器是最輕的VPX連接器，這在很大程度上歸功于輕質(zhì)晶圓和連接器構(gòu)造。

測試連接器的精確度

圖2顯示了根據(jù)Mercury Systems和VITA 72工作組創(chuàng)建的測試標(biāo)準，VITA 47標(biāo)準和VITA 72要求之間振動測試的主要差異之一。 RL3與VITA 47的V3基本相同。 RL3 + 3 dB大大增加了振動水平。這種較高的功率譜密度使連接器承受更大的應(yīng)力，增加了由于振動引起的接觸相互移動而引起的接觸微動和電鍍磨損的可能性。與之前的VITA 46/VITA 47測試相比，這些更高的振動水平也可以延長曝光時間。一般測試順序為：

RL3隨機振動：每軸1小時

RL3 + 3 dB隨機振動：每軸1小時

RL3 + 3 dB隨機振動：12小時，Z軸

圖2：VITA 72工作組進行的測試使連接器受到很大影響使用RL3 + 3 dB水平隨機振動進行更有壓力的測試。[!--empirenews.page--]

在檢查了VITA 72工作組測試的產(chǎn)品后，原來的MULTIGIG RT 2連接器表現(xiàn)非常出色;然而，沿著6U卡的選擇位置顯示出高水平的磨損，這表明需要增強的接觸解決方案。

傳統(tǒng)的連接器智慧說增加可分離接口處的接觸點是有效的，因為多個接觸點提供冗余，從而提高了連接的可靠性。有人認為最佳點是四點接觸。例如，如果影響接觸電阻的污染概率例如是給定接觸的0.01，則四點接觸的所有四個點同時受到影響的概率是(0.01)4或10-8!這說明了冗余的力量。部分重新設(shè)計包括配對觸點對的重大改進，同時保持與現(xiàn)有設(shè)計的向后兼容性。在原始連接器中，每個接觸彈簧梁與晶片墊形成單點接觸。在較新版本中，觸點已經(jīng)過重新設(shè)計，因此每個光束產(chǎn)生兩個接觸點 - 稱為四重冗余 - 大致加倍接觸區(qū)域。圖3顯示了原始和重新設(shè)計的聯(lián)系人。

新增強設(shè)計的一個重要特征是兩個光束上的接觸光束和區(qū)域彼此不對稱。接觸波束長度的差異意味著每個波束響應(yīng)于振動具有獨特的頻率模式，有助于消除兩個波束同時實現(xiàn)諧振的可能性。即使接觸點增加，新的增強型接觸系統(tǒng)也不會增加配合力，同時有助于在極端振動水平下保持可靠的接觸。

配合半部的晶圓也經(jīng)過輕微修改，以充分利用新的接觸點。梁設(shè)計。由于分離光束上的四個接觸點中的兩個更深，因此晶圓上的信號焊盤延伸1.2 mm以在配合期間保持至少2 mm的接觸擦拭，在原始設(shè)計的整個配合范圍內(nèi)保持四重冗余。/p>

測試結(jié)果

顯示了當(dāng)“酷刑測試”達到圖2中規(guī)定的水平時6U VPX模塊的結(jié)果。為了檢查接觸磨損的指示，每個連接器模塊在原始和修改的接觸系統(tǒng)上解剖并目視檢查接觸磨損的跡象。盡管6U布置中的大多數(shù)觸點能夠承受這種極端振動環(huán)境，但是存在易受微動磨損影響的特定接觸位置。最重要的是，采用新的四重冗余設(shè)計，原始接觸設(shè)計所經(jīng)歷的磨損幾乎消失了。有趣的是，引導(dǎo)硬件的選擇也會影響性能。

引導(dǎo)硬件在幫助加固連接器方面的作用常常被忽視。硬件的主要目的是通過提供卡槽鍵控和連接器半部的初始對準來幫助配合過程。許多導(dǎo)柱和模塊使用壓鑄工藝經(jīng)濟地制造。為了實現(xiàn)鍵控和引導(dǎo)功能，柱和插座可以具有相當(dāng)大的制造公差，這對于壓鑄件來說是常見的。因此，導(dǎo)軌在限制沖擊和振動過程中的運動方面起著較小的作用。

機加工導(dǎo)軌硬件因具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用而備受關(guān)注，因為更精確的配合已經(jīng)證明可以減少微動。精密配合與圓周接地彈簧相結(jié)合有助于在高振動環(huán)境中穩(wěn)定連接器，如圖4所示。

配合循環(huán)測試

四重冗余觸點設(shè)計是還進行了模擬10,000次交配循環(huán)的測試。這個周期數(shù)遠遠高于現(xiàn)實世界中最合理的應(yīng)用預(yù)期。然而，它既可以證明可靠性，又可以在高周期應(yīng)用中提供安心，例如測試平臺。高耐久性評估標(biāo)準是穩(wěn)定的接觸電阻并且在接觸配合表面處沒有暴露的鎳底鍍。實現(xiàn)了目標(biāo)(圖5)，揭示了連接器配合接口電阻不僅穩(wěn)定，而且在10,000次交配和取消配合后實際上可以提高。這可以歸因于拋光效果，可以平滑接觸粗糙度，從而實現(xiàn)更緊密的接觸界面。

圖4：VITA 72工作組領(lǐng)導(dǎo)的“折磨測試”時，每個6U VPX測試樣品的最高磨損位置之間的比較。觸點設(shè)計和附件硬件都會影響高振動環(huán)境下的連接器性能。

圖5：10,000次插接周期后的觸點耐久性測試顯示可接受的接觸面。

VITA兼容性和設(shè)計可靠性連接器

由于MULTIGIG RT 2-R連接器具有相同的電路板占位面積和配合接口，因此它是原始VITA 46連接器的直接替代品。四路冗余背板連接器可與原始子卡連接器配合 - 主要區(qū)別在于它在所有四個接觸點上保持獨特的接觸擦拭距離。對于與原始背板連接器配合的新子卡連接器，主要區(qū)別在于在配合期間額外的1.2 mm接觸擦拭，這為系統(tǒng)插入公差提供了更大的余量。

新的或升級?

在尋找更加堅固的嵌入式計算連接器時，F(xiàn)ortis Zd和MULTIGIG RT 2-R連接器均可提供強大的性能。 Fortis Zd連接器是使用可靠的傳統(tǒng)接觸技術(shù)的新連接器的示例，其接觸密度比MULTIGIG RT 2連接器高出約20%(900對728)。因此，對于不需要基于標(biāo)準(VITA)兼容性的應(yīng)用程序而言，它是一個不錯的選擇。但是，對于那些對VPX系統(tǒng)投入大量資金的人來說，F(xiàn)ortis Zd連接器通常不是一種選擇。 VPX標(biāo)準擁有強大的生態(tài)系統(tǒng)。 MULTIGIG RT 2-R連接器是一個高性能的例子，可擴展行業(yè)標(biāo)準設(shè)計的選項，以實現(xiàn)更加堅固的未來。