Os três principais propósitos dos conectores PCB são:
1. Interconexão do PCB: conexão rígida (ou flexível) entre dois PCB;
2. Conexão do cabo PCB: conexão com fio empacotada para equipamentos periféricos externos;
3. Conexão de programação/depuração do PCB: conector (ou matriz de ponto de teste) usado para depuração ou programação, geralmente usado para coisas como microcontroladores ou matrizes de portão programáveis de campo (FPGAs)
Nestes três tipos de conexões PCB, todas as formas de conexões e funções variam de acordo com o aplicativo. Primeiro, existem dois métodos principais de montagem do conector para o PCB: montagem superficial e através do orifício. Claro, existem muitos métodos de montagem de superfície, mas para todos os efeitos, o conector pode ser montado através de pin vias ou pin pads. Isso nos leva a algumas trocas iniciais que devem ser consideradas no processo de projeto.
Trade-offs a considerar ao projetar
A montagem de conectores através de furos traz muitos benefícios, mas o principal benefício geralmente é fortalecer a conexão mecânica. Isso ocorre porque os pinos/leads passam pelo PCB e geralmente são soldados para as camadas superior e inferior. Dependendo da aplicação, isso pode ser muito importante, especialmente quando a confiabilidade e a segurança são primordiais. Se for simples e fácil de usar e tiver um ciclo de uso frequente, a conexão através do furo definitivamente fornecerá maior confiabilidade, e a possibilidade de danos ao dispositivo diminuirá com o tempo. Outra grande vantagem dos componentes do furo é que ele pode ser mais facilmente sondado e reformulado para prototipagem ou reparo.
Por outro lado, os conectores de montagem de superfície podem economizar muito espaço na placa de circuito (porque o componente é apenas soldado para uma camada), e dependendo da aplicação, também pode economizar custos de fabricação e montagem. Muitos conectores possuem postes de alinhamento, mas não exigem solda. Da mesma forma, os conectores de montagem de superfície podem incluir densidades mais altas de contagem de pinos, que por sua vez podem ajudar a embalar mais sinais em uma área menor e economizar espaço valioso na placa, ver Figura 1.
Figura 1: Através de conexões orifam (esquerda) e de montagem de superfície (direita) no PCB
Como economizar espaço na placa do circuito e otimizar a densidade/volume são forças motrizes comuns para o desenvolvimento do produto, muitos projetos incluem múltiplas placas de circuito interconectadas rígidas ou flexíveis. Este método não só economiza espaço na placa, mas também economiza mais custo. Por exemplo, se um design inclui um processador BGA (Ball Grid Array, matriz de grade de esferas de 256 pinos) que requer mais de 10 camadas (o que aumenta muito o custo de fabricação do PCB), mas ele tem que interagir com muitos periféricos/conectores (pode exigir apenas duas camadas ou quatro camadas) interface de conexão, a maneira de economizar espaço e custo é dividi-los em dois PCB: um PCB incorporado menor com mais de 10 camadas, e outro PCB secundário com apenas quatro camadas e a maioria dos componentes periféricos (como conectores). Geralmente, uma conexão de alta densidade, de alta contagem de pinos para placa é usada para montar o "PCB MCU" no "PCB backplane".
Se coisas como displays e botões requerem muitos PCBs via satélite, conexões flexíveis podem ser usadas. Muitas vezes referido como um cabo flex, isso é comum em conexões LCD e motor, e geralmente ajuda a reduzir o raio de dobra (o que ajuda a tornar a estrutura compacta e pequena) e o estresse físico associado à montagem. A conexão flexível pode ser um cabo separado inserido no conector, ou pode ser feito diretamente com um PCB. A Figura 2 mostra uma lente de câmera com muitas conexões de cabo flexíveis (não plugáveis), enquanto a Figura 3 demonstra a diferença entre um PCB "rígido flexível" com cabos flexíveis integrados. Embora às vezes seja difícil projetar e atribuir aos fornecedores, o uso de tecnologia rígida-flex pode ajudar muito a economizar custos de produção e tornar o design mais confiável e mais apertado. No entanto, como os dois PCB não podem ser fisicamente separados um do outro, a montagem da combinação rígida-flexível pode ser mais difícil.
Figura 2: Montagem da lente da câmera com cabo flexível
Figura 3: Tecnologia PCB rígida-flexível
Considere a aplicação do conector
Ao tomar a conexão do cabo como tema, vamos resolver rapidamente algumas outras questões importantes a serem consideradas. Um tema é a facilidade de uso, e um exemplo perfeito é a porta USB padrão.
Ao longo dos anos, os conectores USB foram melhorados de várias maneiras, incluindo capacidade atual, densidade de sinal e conexões não direcionais reversíveis usando USB-C. Pelo contrário, um conector com teclas de seta que só permite um conector USB 2.0 clássico) ajuda a orientar os usuários e evitar erros de conexão. As conexões de bloqueio geralmente fornecem melhor suporte mecânico e podem exigir plugues rotativos (conectores BNC) ou cabos de compressão (cabos de rede RJ-45). Basicamente, se o conector precisa ser reutilizado, a facilidade de uso deve, naturalmente, ser a prioridade máxima para os usuários.
Algumas aplicações exigem conexões sensíveis de alta velocidade em distâncias mais longas, o que nos leva a usar fibras ópticas. Existem três tipos principais de conexões de fibra óptica: modo único, multi-modo e fibra óptica plástica (POF). Conexões multimoda permitem larguras de banda mais altas, mas devido às suas altas taxas de dispersão e atenuação, elas geralmente sofrem perdas em aplicações de longa distância, tornando-as ideais para conexões curtas baseadas em LAN. O modo único funciona bem em distâncias mais longas, tornando-o ideal para aplicações como banda larga RF (sua empresa de cabo local). Além disso, os ônibus de dados paralelos através de conexões como o PCI (Periférico Component Interconnect, conexão com componentes periféricos) são geralmente muito mais rápidos do que conexões seriais, como o USB-C, embora o USB-C também permita conexões paralelas). A velocidade e o desempenho do aplicativo determinarão como definir essas interconexões.
Para certas aplicações, como aeroespacial e militar, condições de trabalho severas podem eventualmente levar a um aumento da demanda. Certos conectores possuem proteção especial contra interferência eletromagnética (EMI), descarga eletrostática (ESD), vibração e/ou umidade. Para os designers, uma decisão comum é se o conector deve ser protegido. Conectores blindados (cobertos por algum metal condutor e podem incluir juntas EMI) podem fornecer um nível mais alto de proteção contra radiação prejudicial e campos magnéticos localizados, mas são geralmente mais volumosos ou caros do que alternativas não blindadas. Conectores com conchas e pinos correspondentes podem ser aterrados para ajudar o ESD introduzido por toque humano ou outras fontes transitórias locais. Alguns conectores incluem até contatos absorventes de choque para ajudar a lidar com aplicativos de alto impacto e alta confiabilidade. Finalmente, conexões que precisam ser protegidas contra umidade externa muitas vezes incluem (ou permitem o uso de) vedações. A Figura 4 demonstra todas as quatro variações em conexões comuns.
Figura 4 :(LR) Tomada de alimentação DC blindada, tomada RJ-45 blindada/aterrada, conector de placa a placa resistente à vibração e conector USB à prova d'água
Para aplicações de alta carga, escolher um conector com a maior classificação de corrente ou tensão também pode acelerar o processo de projeto. Alguns conectores incluem pinos de sinal mistos para suportar dados e conexões de energia. Geralmente, os pinos de alimentação têm maior capacidade de corrente e podem ser mais espessos, ajudando a impedir o uso de dois conectores/cabos de alimentação e dados separados.
As aplicações de tensão CA também podem conduzir a escolha dos conectores e exigir lacunas mínimas ou espaçamento entre cada pino (dependendo da tensão máxima). Isso ajuda a evitar arcos, que podem ser prejudiciais ao sistema e ao operador. O conector sempre listará a potência nominal. É importante seguir essas especificações ao projetar e garantir uma boa margem.
Finalmente, às vezes, a melhor (e mais barata) solução é expor o conector e simplesmente usar as almofadas de cobre expostas para a interface carregada de mola. Embora forneça um fator de forma menor, ele pode ajudar a reduzir os custos dos componentes e permitir uma detecção mais fácil (com base na flexibilidade da localização do PCB). A interface de programação ou teste é uma das aplicações mais comuns. Os designs incorporados geralmente incluem portas de depuração ou programação, mas se os conectores geralmente não são usados (apenas para produção ou serviço, por que usar conectores)? Cabos como Tag-Connect (como mostrado na Figura 5) A tecnologia pode fornecer uma solução com um fator de forma menor e menor custo. Embora geralmente usado apenas como pontos de teste, a matriz do pad também deve ser considerada para conexões baseadas em pogo-pin.
Figura 5: A tecnologia de cabo Pogo-pin da Tag-Connect
Kit de design PCB pode ajudar
Atualmente, muitos programas CAD possuem visualização 3D e suporte mecânico de importação/exportação de arquivos. Um exemplo é o Solidworks Electric (SWE). Tradicionalmente um programa CAD para design mecânico, existem kits elétricos para Solidworks que podem ser facilmente integrados com o PCB definido esquematicamente e conexões associadas. Os benefícios dos designers incluem ferramentas de design elétrico que podem ajudar a definir interconexões e gerar especificações de cabos, diagramas de fiação e até arquivos que podem ser usados em outros programas de design de PCB para ajudar com netlists, ao mesmo tempo em que fornecem visualização completa de interconexões do sistema. Embora muitos programas de design de PCB incluam recursos de visualização 3D, alguns programas permitem o intercâmbio de arquivos para ajudar a definir formas de PCB (via arquivos 2D) e importar embalagens de componentes (através de arquivos 3D), o que pode ajudar muito a verificar interferências e otimizar a posição dos conectores.
Em conclusão
O design da conexão PCB depende inteiramente do aplicativo, geralmente a partir dos requisitos do usuário, considerando os requisitos de design e determinando se algum recursos especiais são necessários. O que muitas vezes é esquecido é que os requisitos de fabricação também devem ser considerados para garantir que ele possa ser fabricado e montado com simplicidade e custo razoáveis.
Os kits de design pcb de várias formas e tamanhos contêm funções mecânicas que podem ajudar significativamente a reduzir o risco de iterações de design e otimizar a colocação do conector.
