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 包含多个连接器，可用于板对板连接或电缆组件。

任何曾经看过旧台式计算机并拔下带状电缆的人都熟悉不起眼的排针。该连接器是一种简单但有效的方式，可将两块板以堆叠方式连接在一起。事实上，它非常受欢迎，已被用于为 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，我惊讶地看到他们如何堆叠多个 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。

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

多种类型的板对板连接器

板对板连接器有多种形状和尺寸，可为多板PCB系统提供模块化感觉。常见的板卡连接器种类很多，不同的厂商都有自己的产品线，一般属于下面列出的类别之一：

排针：大多数设计人员都熟悉间距为 1 mm 的 1 排或 2 排排针排列。这种风格有多种变化，包括堆叠的排针。排针可以被遮盖和键控（甚至是多键控），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电路板。有许多夹层连接器样式。请注意，排针可用作夹层连接器。 

边缘卡连接器：这种类型的连接器最常用于 RAM 棒和 COM/SoM。实际上，它可以用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自己的类别，因为它需要适应高数据速率和非常坚固的结构。

标准化连接器：一些连接器可能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（用于背板）、PCI-SIG（PCIe 卡）、IEEE（例如，用于夹层的 1386 标准）、JTAG、PC/104（方形柱式排针）等。 

还有许多其他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不同板对板连接器的一个子集。显然，这些连接器有许多变化，具有不同的引脚/焊盘数量、键/护罩样式、安装样式（SMD 与通孔）和规格。当您浏览供应商的网站或通过零件搜索引擎进行过滤时，供应商将采用几种不同的方式对其零件进行分类。

电气应用

在这些不同类型的板对板连接器中，它们可分为加固型、高速、高频、大电流/高功率或其他一些名称。这主要是营销说法，因为没有对高速连接器、大功率连接器等的通用定义。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、光纤或同轴电缆）。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

与许多其他组件一样，供应商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。因此，您将看到板对板连接器的样式，这些连接器在针对汽车、航空航天、工业系统或电力产品等领域时，可能会通过硬塑料屏蔽层进行高度加固。通常，您通常可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

板对板连接器有一些电气规格，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进行设计，或者您需要高速/高频或大电流，否则您可能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以满足您的电源要求，同时确保信号完整性。 

功率处理：这通常被引用为每个引脚特定电压下的电流。大多数连接器可以在典型应用电压下处理几安培。确保检查电压，因为通过电缆提供电源和数据是很常见的；您需要确保您的功率不超过额定电压。 

管理标准：任何有关连接器的行业标准都可以管理外形尺寸（上面讨论了一些示例），或者它们可以涵盖测试和应用规范。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、暴露于气体和高温测试的变化。这使您可以很好地了解连接器可用于确保可靠性的位置。

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，您可能能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，请务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能包含一些有关机械冲击、振动、拉力或其他规格的数据，以帮助设计人员了解耐用性。请注意，这些可能会被列为测试结果，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）可能相当笨重。其他连接器专门设计为薄型，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能是一个限制因素，因为您可能需要与现有系统连接，因此您无法自由选择任何连接器。在许多情况下，首先要考虑一些电气或机械限制，然后选择您需要满足配置文件/外壳要求的外形尺寸或连接器样式。

如果您确实可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一些优势。

一些板对板连接器样式的优点

市场上有如此多样式的板对板连接器，不可能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

边缘连接器使用滑动触点进行电气连接，在重复连接后最终会磨损。磨损可能发生在卡侧或插座侧。如果电路板需要反复连接和移除，替代样式可能是更好的选择，因为其中许多将具有更长的接触寿命。

我们可以看到这个边缘连接器上的金触点磨损。

全罩式或同轴式

一些连接器采用同轴式，可实现高功率传输，提供屏蔽，并为射频系统提供优势（见下文）。全罩式连接器是高功率应用的理想选择，并且具有更高的额定电流，而不会在电路板上过大。这是一个比排针更好的选择，排针的额定电流可能低至 1 A，而且没有有用的高速/RF 数据。

薄型水平连接器样式

您的连接器方向可能允许平行板，但板可能能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，但有边缘连接器和夹层连接器可以水平插入/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程序中是非常宝贵的。

这种边缘连接器通常用于 PCIe 附加卡

排针块

如果您不担心高电流、高隔离或高精度信号完整性，可堆叠排针是为您的系统添加多级模块化的好方法。可以选择排针块，使其可堆叠，从而允许将多张卡放置在总线上或允许为多块电路板并行供电。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，信号完整性成为选择板对板连接器时需要考虑的重要一点。在数据表或制造商的支持页面中查找以下一些指标：

阻抗：具有同轴拓扑结构的射频连接器将具有指定的阻抗，因为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效，可能是 -3 dB 频率。

S 参数数据：如果您想使用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 通道或更新的高速信号标准（PCIe、GDDR6 等）等技术非常重要，因为这些模拟是系统验证的重要组成部分。 

引脚对引脚隔离： RF 板对板连接器可能所有引脚都被完全屏蔽，而其他连接器类型并非总是如此。这些连接器将具有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可用的电缆连接器变体。