進(jìn)行尺寸、重量、功率和成本 (SWaP-C) 優(yōu)化時(shí)，通常會(huì)要求設(shè)計(jì)者將更多的功能擠進(jìn)日益尷尬和狹窄的空間中。這在便攜式設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)和航空系統(tǒng)中尤其如此。在這些系統(tǒng)中，互連器件要在很近的距離內(nèi)同時(shí)傳遞電源和數(shù)據(jù)信號(hào)。
雖然設(shè)計(jì)者必須關(guān)注可靠性和信號(hào)完整性，但他們還必須確保互連系統(tǒng)易于針對(duì)不同的引腳分配和使用情況進(jìn)行配置，在安裝過程中能夠可靠地連接和斷開，并且在使用時(shí)易于維護(hù)。
本文將解釋電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者如何通過使用適當(dāng)?shù)倪B接器來確保可靠的連接，以應(yīng)對(duì)小型和緊密的互連情形。隨后將討論如何通過對(duì) Harwin 的一個(gè)互連系列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，來實(shí)現(xiàn) SWaP-C 優(yōu)化，以應(yīng)對(duì)廣泛的互連挑戰(zhàn)。最后將介紹兩個(gè)針對(duì)小型系統(tǒng)互連的實(shí)例解決方案。
為什么小型系統(tǒng)需要 SWaP-C？
像便攜式設(shè)備和通信設(shè)備這樣的電子系統(tǒng)，通常會(huì)要求設(shè)計(jì)者將更多的功能擠進(jìn)更小的空間。因此，他們必須減少現(xiàn)有組件所需的空間，以縮小系統(tǒng)尺寸，同時(shí)也要在相同的區(qū)域內(nèi)為更多的組件騰出空間。此外，互連系統(tǒng)必須足夠堅(jiān)固，能夠經(jīng)受住掉在硬地板上而不破裂或損壞。猛烈摔跌可能導(dǎo)致連接器出現(xiàn)間歇性連接問題，如果不加以診斷，可能導(dǎo)致設(shè)備被棄用，這對(duì)用戶以及制造商的聲譽(yù)來說可謂是后果嚴(yán)重、成本高昂。
工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)是另一個(gè)非常需要進(jìn)行 SWaP-C 優(yōu)化的實(shí)例。雖然一個(gè)沉重的機(jī)器人系統(tǒng)通過減少幾個(gè)連接器的尺寸，可能不會(huì)有明顯的收益，但真正的 SWaP-C 收益不是通過一個(gè)優(yōu)化，而是通過數(shù)百個(gè)子系統(tǒng)的綜合優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)的。機(jī)器人重量更輕、尺寸更小可以提高效率，移動(dòng)手臂或鏡頭時(shí)所需的動(dòng)力就更少，從而降低了成本。機(jī)器人手臂也經(jīng)常受到剛性啟動(dòng)和停止的影響，隨著時(shí)間的推移，會(huì)給互連系統(tǒng)帶來壓力，導(dǎo)致間歇性故障。機(jī)器人系統(tǒng)還需要在同一線束中攜帶電源和數(shù)字信號(hào)，這導(dǎo)致了在同一連接器中可靠地、無干擾地傳遞這兩種類型信號(hào)的互連挑戰(zhàn)。
航空系統(tǒng)也是一個(gè)明顯需要進(jìn)行 SWaP-C 優(yōu)化的領(lǐng)域，因?yàn)槿绻浠ミB系統(tǒng)重量較輕、尺寸較小并能傳輸更多動(dòng)力，那么飛機(jī)就會(huì)更輕，效率就更高。航空系統(tǒng)也要進(jìn)行定期檢修，連接器經(jīng)常要進(jìn)行拆裝。其互聯(lián)系統(tǒng)必須能夠承受多次拆裝，同時(shí)還要有各種帶鍵選項(xiàng)，以防止許多連接器在同一區(qū)域時(shí)發(fā)生錯(cuò)配事件。
SWaP-C 優(yōu)化對(duì)無人機(jī)設(shè)計(jì)特別有利，因?yàn)槊抗?jié)省一盎司都會(huì)對(duì)電池壽命和飛行時(shí)間有明顯的改善。無人機(jī)也非常注重尺寸。無人機(jī)越小，保持無人機(jī)重心平衡所需的動(dòng)力就越小。
智能家電是另一個(gè)需要 SWaP-C 優(yōu)化的領(lǐng)域。電器較小、較輕對(duì)于安裝在狹窄的廚房空間總是一個(gè)優(yōu)勢。洗碗機(jī)、洗衣機(jī)和干衣機(jī)等電器需要一個(gè)堅(jiān)固的互連系統(tǒng)，隨著時(shí)間的推移，振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致互連系統(tǒng)斷開。連接器還必須容易拆裝，可承受拆裝次數(shù)要在合理范圍，以便于維護(hù)。
由于應(yīng)用的要求各不相同，導(dǎo)致出現(xiàn)各種創(chuàng)新的互連設(shè)計(jì)方法，其中許多方法用在一條互連線路上，以確保最佳性能、可靠性和易用性。
用于 SWaP-C 優(yōu)化的螺絲鎖定互連器件
例如，為了便于使用，連接器應(yīng)易于配接以實(shí)現(xiàn)快速設(shè)備組裝，也要易于解配以方便維護(hù)，但仍要有足夠的強(qiáng)度以承受沖擊和振動(dòng)，并且要足夠輕，對(duì)電纜組件中的低電流導(dǎo)線不會(huì)造成任何壓力。針對(duì)在任何情況下都需要穩(wěn)固互連的 SWaP-C 互連優(yōu)化，Harwin 提供了 Gecko SL 1.25 毫米 (mm) 間距螺絲鎖定互連系統(tǒng)。這些都是高可靠性的連接器，其設(shè)計(jì)比同等應(yīng)用中常用的微型 D 型連接器小 45%，輕 75%。
Harwin G125-2241096F1 10 針位插座和 Harwin G125-3241096M2 10 針位面板安裝插頭是一組配對(duì)的 Gecko SL 連接器實(shí)例（圖 1）。右邊的插頭外殼在頂部和底部表面都有凹陷并帶鍵。這可以防止不當(dāng)插座插入，從而導(dǎo)致設(shè)備故障。Gecko-SL 連接器有多種帶鍵配置，以防止系統(tǒng)中的多個(gè)連接器相互靠近時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤的插入。
圖 1：Harwin G125-2241096F1 10 針位插座外殼（左）與匹配的 Harwin G125-3241096M2 10 針位面板安裝插頭外殼（右）。接觸面在頂部和底部都帶鍵，而接觸標(biāo)記使連接器更容易配對(duì)。（圖片來源：Harwin）
Gecko SL 互連系統(tǒng)使用壓接觸頭，并有兩個(gè)鎖定螺絲來固定連接器的位置。這對(duì)于遭受振動(dòng)和高沖擊的系統(tǒng)來說，這是一個(gè)優(yōu)勢，因?yàn)檫B接器可能會(huì)很難被強(qiáng)行拆開。不銹鋼螺絲鎖定能確保在任何情況下都緊密連接。該連接器系統(tǒng)采用了一種“先接后鎖”機(jī)制，甚至在兩顆螺絲被固定之前就提供了牢固的電氣連接。這允許技術(shù)人員在維護(hù)和測試的情況下臨時(shí)接合連接器。由于互連系統(tǒng)在水平軸上看起來是對(duì)稱的，每個(gè)連接器的頂面都有一個(gè)三角形的接觸標(biāo)記，使技術(shù)人員更容易配對(duì)。該連接器的額定配接次數(shù)為 1000 次，因此適用于存在定期解配檢查和維護(hù)需要的航空應(yīng)用。
十個(gè)針位中的每一個(gè)觸頭都可處理額定最大 2.8 安培 (A) 電流。如果所有的觸頭都同時(shí)用來承載電流，則每個(gè)觸頭最多可處理 2.0 A 電流。由于有五個(gè)電源和五個(gè)接地觸頭，因此該連接器的最大功率傳輸能力為 10.0 A。
連接后，該連接器系統(tǒng)具有很高的抗濫用能力，可以承受 100 g 6 毫秒 (ms) 沖擊，以及 20 g 振動(dòng)持續(xù) 6 小時(shí)，因此適用于苛刻的機(jī)器人和工業(yè)系統(tǒng)。外殼由玻璃填充熱塑性塑料制成，可在 -65°C 至 +150°C 的溫度范圍內(nèi)工作。因此該連接器適用于可能遭遇極端溫度的航空系統(tǒng)，從炎熱的沙漠跑道到高空的極致寒冷。對(duì)于可能出現(xiàn)高頻振動(dòng)的系統(tǒng)，建議在壓接組件上涂抹背底灌封膠，以提供進(jìn)一步的加固。
用于 SWaP-C 優(yōu)化的信號(hào)和功率互連
在某些情況下，一個(gè)互連系統(tǒng)需要在同一個(gè)線束中同時(shí)處理大電流控制信號(hào)和甚至更大電流的電源連接。這些互連應(yīng)用需要一個(gè)混合布局的連接系統(tǒng)，可以處理需要兩種尺寸的觸頭。對(duì)于這些系統(tǒng)，Harwin 提供了 Gecko-MT 1.25 mm 間距混合布局互連系統(tǒng)。這些是非常小而輕的連接器，設(shè)計(jì)用于在同一互連器件中安全地?cái)y帶混合的控制和電源信號(hào)。對(duì)于這些應(yīng)用，設(shè)計(jì)者可以使用 Harwin G125-FV10805F3-2AB2ABP 插座，它有八個(gè)信號(hào)和四個(gè)電源連接，以及相應(yīng)的 G125-32496M3-02-08-02 插頭（圖 2）。
圖 2：Harwin Gecko-MT G125-FV10805F3-2AB2ABP 插座（左）和Gecko-MT G125-32496M3-02-08-02 插頭（右）組成了一個(gè) 8 信號(hào)、4 電源的互連系統(tǒng)，每個(gè)電源觸頭的容量為 10A，每個(gè)信號(hào)觸頭的容量為 2 A。（圖片來源：Harwin）
該互連系統(tǒng)中的八個(gè)信號(hào)觸頭的每一個(gè)都可以處理最高 2 A 的電流，而四個(gè)較大的電源觸頭中每一個(gè)都可以處理最高 10 A 的電流。這為常見于像航空電子控制這樣的航空航天系統(tǒng)的狹小空間帶來了互連靈活性。此外，大多數(shù)機(jī)器人系統(tǒng)必須沿著機(jī)器人手臂和其他機(jī)械控制機(jī)構(gòu)傳輸控制信號(hào)和電力的混合體，這種類型的互連器件就成為了這些應(yīng)用的最佳選擇。
與 Gecko-SL 一樣，Harwin Gecko-MT 也是通過鍵來防止誤插入的。如圖 2 所示，該連接器底部有一個(gè)狹窄的鍵槽，頂部有一個(gè)非常寬的鍵槽。Gecko-MT 連接器有多種帶鍵配置，以確保連接器的正確插入，同時(shí)還有三角接觸標(biāo)記，使技術(shù)人員更容易插入。圖 2 左邊的插座安裝在帶有通孔觸頭的 PC 板上。插座用兩個(gè)螺栓/螺母在下面固定在 PC 板上，實(shí)現(xiàn)牢固安裝。這可以防止連接器在高振動(dòng)環(huán)境中被扭動(dòng)或拉出電路板。插頭插入插座后，擰入不銹鋼插座螺紋插口。
Gecko-MT 互連系統(tǒng)還采用“先接后鎖”機(jī)制，以確保牢固的電氣連接，并在維護(hù)活動(dòng)中方便測試。該互連系統(tǒng)的額定拆裝次數(shù)為 1000 次，便于在維護(hù)和重新配置時(shí)實(shí)現(xiàn)高連接可靠性。
配接后的 Gecko-MT 連接器系統(tǒng)還能承受 100g、6 ms 的沖擊以及 20 g 振動(dòng) 6 小時(shí)，因此適用于機(jī)器人和工業(yè)應(yīng)用中需要將信號(hào)和電源一起布線以節(jié)省空間的情況。其玻璃填充熱塑性塑料外殼可在 -65°C 至 +150°C 的溫度范圍內(nèi)工作，因此可用于溫度極端的航空應(yīng)用。
結(jié)語
許多電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者需要對(duì)新的和現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行 SWaP-C 優(yōu)化，以提高效率，降低成本，并改善操作性能。選擇合適的互連系統(tǒng)可以幫助實(shí)現(xiàn)這種 SWaP-C 優(yōu)化。此外，便攜式設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)、航空系統(tǒng)和智能家電的系統(tǒng)設(shè)計(jì)者需要確保其連接能夠承受應(yīng)用中的惡劣振動(dòng)，同時(shí)要能夠在狹小的空間內(nèi)承載大電流。為了幫助簡化設(shè)計(jì)過程，設(shè)計(jì)者可以對(duì)一個(gè)互連系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，以確保系統(tǒng)的可靠性和連接器的易用性。
