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高速微型连接器解决方案
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高速微型连接器解决方案

2021-01-12 13:52:11 来源:连接器世界网 作者:ODU GmbH & Co. KG

【大比特导读】本文探讨了制造商在设计高速数据传输的加固型连接器时面临的挑战——不仅涉及尺寸,还涉及易用性、性能、耐用性和传输可靠性等因素。

摘要

对于商业应用,以太网、USB®、HDMI®等高速数据电缆连接器具有多种不同的形状和尺寸,通常被指定为其支持的协议标准的一部分。

对于许多工业和恶劣环境应用,需要这些连接器更坚固,以防止由于灰尘或流体污染而导致的故障,以及由于过大的外力而引起的损坏。许多制造商采用的传统解决方案一直是创建包含当前外形尺寸的通用解决方案——在尺寸、性能和可用性方面有不同的结果。

微型连接器

结果是许多这种松散设计的连接器的直径为30 mm或更大。高速连接器制造商ODU采用了不同的方法,用自己设计的坚固型连接器系列代替了标准连接器,这使得诸如USB®3和10 G以太网之类的协议的连接器直径小至11.9 mm。

本文探讨了制造商在设计高速数据传输的加固型连接器时面临的挑战——不仅涉及尺寸,还涉及易用性、性能、耐用性和传输可靠性等因素。

战场测试

“未来士兵”目前的发展方向是努力提高为士兵设计的设备技术。它指向了轻型、小型化和定制化的设备,可以增强每种战机的特定作用。这些应用扩展到士兵使用的军用人载电子学的所有领域,包括通信系统、计算机和C2系统、导航系统、夜视设备、电子武器瞄准器、激光测距仪和指示器、战场恢复和IFF设备、枪火检测和定位系统、电池、配电和发电系统、生理状态监测器以及人类绩效增强系统(例如外骨骼)。例如,带有集成LED或光纤手电的手套减轻了携带传统手电的负担(图1)。同样,腕上安装的无线设备可最大限度地减少在紧急情况下与现场总部进行通信的时间。

最近有文章展示了一些可穿戴设备的示例,这些设备旨在挽救生命而不是夺走生命。一项名为BATMAN(战场空中目标辅助知识)的空军计划生产了一种系统,该系统可以使超速救援跳线(PJ)有效地处理分流情况,在这种情况下,危及生命的伤亡人数大于医护人员数量。该系统被称为BATDOK(战地空军伤员分布式观察套件)。

该系统包括生命体征传感器,可以将其放置在每个受伤的患者身上,并将数据传输到腕上或胸部安装的设备,例如PJ佩戴的智能手机或平板电脑。如果无人照管的患者进入危急状态,则他或她的可穿戴设备发出的警报会向PJ发出警报,从而可以立即将注意力转移到该患者身上。

微型连接器

图1:手套式LED手电筒

小型化的重要性

该团队认为,BATMAN项目的总体目标是从物理意义上和认知意义上减轻服务人员的负担。图2说明了使战斗机的设备尽可能紧凑和轻便是多么重要,腕上式平板电脑和胸式笔记本电脑设备的尺寸最佳,较小的屏幕内容可能不可读。但是,这些设备可能还需要电源和数据传输的互连电缆。图2中可见两根这样的电缆。

电缆的厚度取决于电气和物理约束。信号线的数量,加上信号电导率和屏蔽要求,都是电气方面的限制因素,而耐用性是主要的物理因素。如果电缆太细,则它们可能太细小,无法在作战人员操作的恶劣环境中使用。太厚了,它们将变得不那么柔软且太重。

在Warfighter的可穿戴设备中,起到重要作用的最后一类组件是电缆连接器,在图2中也可见。

微型连接器

图2:带有可穿戴设备的急救跳线

连接器的设计必须考虑几个因素:

•它们的直径必须尽可能小,以最大程度地减少在战斗机的路径中被树枝或刷子等物体卡住的可能性。

•它们必须支持广泛的协议。

•它们必须对所支持协议的数据传输速率没有重大影响,即使在极端环境条件下,其数据路径中的阻抗也可以忽略不计。

•它们必须是耐用的,能够连接和断开数千次,并且不影响其性能(即能够进行大量的配合循环)。

•如果电缆确实被卡住,则它们必须能够“脱离”(即在过大的力作用下脱开),以使所连接的设备不会损坏。

•它们必须是防污和防水的,并且能够在很宽的温度范围内工作。

尺寸注意事项

一些制造商提供了军事和工业应用的连接器。大多数采用图3所示的方法,其中标准连接器(USB®、以太网、HDMI®、FireWire®等)简单地封装在坚固的外壳中。这种方法的问题在于,外壳的直径不一,而且很大——25-30 mm或更大。尽管对于许多工业应用来说这是可以接受的,但是它们的尺寸和重量使它们无法在未来士兵装备中使用。

但是,ODU采用了不同的方法(图4)。他们没有沿用标准连接器,而是设计了可以满足所有电气要求的物理接口,该接口可以满足各种高速协议的所有电气和功能规范,但格式更紧凑。他们的ODUAMC®系列串联连接器使用标准尺寸的外壳,对于某些协议,其直径可小至11.9mm,并提供多种内部引脚/插座配置选项,以适应上述各种协议:

以太网(1Gbps – 10Gbps)

•USB®——最高3.2 Gen 1x11•FireWire®S4001•HDMI®1.31

当串扰不成问题时,ODU连接器还能够在单根电缆中支持多种协议(图5)。

与大多数竞争协议专用连接器相比,ODU的直径小2.5倍,体积小10倍,在微型化方面,ODU显然是最佳选择。

微型连接器

图3:典型的加固型USB®连接器

微型连接器

图4:ODUAMC®系列连接器

微型连接器

图5:USB®和千兆以太网的结合

数据传输率

各种高速协议的传输速率如图6所示。连接器制造商的设计目标是确保他们的产品不仅能够达到这些吞吐率,而且能够在挑战性条件下长时间达到这一目的。

为了提供与ODU的AMC产品线相当的微型化,一些制造商最近使用了他们现有的微型连接器来互连协议专用电缆。当从规格或方案(不能完全满足当前的要求)上“背负”工程时,这可能会导致各种问题。例如,有几个包含7个引脚的微型连接器可用。USB®*电缆仅需要4引脚;因此,如果在USB®*电缆中使用7引脚连接器,则有3个引脚仍未使用。

在实践中,这在较低的频率下可以令人满意地工作,但是在较高的数据速率下,吞吐量会明显下降。为了在每秒数千兆位的范围内运行时实现最大吞吐量,需要针对每种传输协议进行专门的连接器设计。

考虑到这一点,现在让我们回顾一下制造商在开发适用于恶劣工业或军事应用的高速连接器系列时必须考虑的最重要的电气、机械和环境因素。

微型连接器

图6:协议和传输速率

电气注意事项

连接器的几种电气特性决定着其操作能力。其中:

•额定电流——连接器引脚可以承载多少安培电流而不会过热。

•插入损耗——从连接器的一侧到另一侧的功率损耗;越小越好。

•回波损耗——系统阻抗与连接器阻抗不匹配的结果。这种不匹配会导致某些信号反射回源,这在高速数据传输中可能会导致数据错误。

•电磁干扰(EMI)的敏感性——连接器引脚和电缆周围的屏蔽质量越好,EMI的潜在破坏性影响就越小。

机械注意事项

连接器的相关机械特性(决定其在恶劣环境中的适用性)是耐用性和对物理应力的反应。在这种情况下,耐用性是指连接器的两个半部可以配对和不配对而不会降低其性能的次数,即最大配对次数。

在战场条件下,互连可穿戴设备的电缆(图2)很有可能受到实质性的影响——例如地面接触或被树枝钩住。

如果连接器的两个半部无法在物理压力下分离,则结果可能是设备本身会从作战人员的制服上撕下,从而可能造成无法弥补的损坏。连接器能够在压力下干净地分离的能力被称为“分离”(break-away——这是拆卸应用的基本选择。

环境注意事项

许多因素定义了恶劣的环境。这些包括极端温度、极端湿度、灰尘和污垢污染、暴露于化学物质和气体中以及浸入水中。

IEC标准60529定义了防止颗粒物和液体侵入的防护等级,该标准提供了一种对产品进行评级的方法,称为侵入保护(IP)标记。例如,IP67表示该产品完全防尘,当浸入水中的深度不超过1米时,仍可以运行。IP68适用于大于1米的深度,制造商通常将其解释为20米或以上。

增值支持

最后,无论电缆组件的中间和末端的连接器有多好,劣质的电缆或不良的制造都会完全抵消它们的优势。为了避免这种潜在的缺点,某些连接器制造商(例如ODU)向其客户提供了定制的电缆组装服务。

军事应用

本文重点讨论了尺寸和重量对于未来士兵应用中使用的电缆连接器的重要性。连接器(例如ODUAMC®系列)的相同优点也适用于大多数其他军事应用,因为许多互连设备驻留在敌对环境中运行的车载车辆上。

无论这些车辆是坦克、吉普车、飞机、火箭、轮船还是潜艇,空间和重量总是很重要的。这只是军事用途车载设备的几个示例。

图7显示了在白天和夜间运行期间用于观察、侦察和目标捕获的热像仪。图像数据通过高速电缆以高达10Gbps的速率传输到显示屏或传输设备。

电缆及其连接器当然必须高度可靠并提供出色的信号屏蔽。第二个示例如图8所示,它是一个多通信控制单元,用于将多达三个音频源手动切换到头戴式耳机。在这种情况下,该设备及其电缆连接器的IP68防护等级使其可以在水下20米的水下运行。此处显示的ODU连接器采用机械键控,以防止电缆连接错误,并使用颜色编码使正确选择更加容易。

工业应用

经常发生的是,为军事应用开发的前沿产品也满足了针对恶劣工业环境设计的设备的需求。对于此处讨论的微型连接器,确实是这种情况。

图9举例说明了一个例子——高速摄像机,该摄像机使用了ODUAMC®产品线中的几个面板安装连接器。这样的相机具有极高的帧捕获率,可以连续生成千兆字节的数据,这些数据必须快速传输到外部处理或存储设备。设备和电缆的可靠性至关重要,因为任何单点故障都可能导致关键视频数据丢失。

对设备和高速电缆有类似需求的其他工业应用包括车辆生产线、实验室测试和测量设施、重症监护医疗系统,当然还有所有类型的运输系统。

微型连接器

图7:带有10Gbps电缆的热像仪

微型连接器

图8:Multi-Com控制单元

微型连接器

图9:具有多个接口的高速摄像机

结论

最近一篇文章指出:“2015年由于军事技术上取得了长足的飞跃,其中许多是由于连接器设计和制造的发展而实现的。”推动这些进步的是不断增长的数据传输速率和小型化的需求,以适应相应更快、更小设备的互连需求。

本文说明了连接器制造商通过创新技术来响应这些需求的方式,ODU的协议专用ODUAMC®系列就是最好的例证。随着这些趋势的持续发展,连接器需要缩小多少和更快?可以肯定的是,未来3-5年将为连接器设计师带来一些激动人心的新挑战!

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