Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/Archiv/Firms/AMP/D19790510Elc041.shtml

Разъемы с нулевым усилием стыковки

УДК 621.316.543.049.75

Джеймс Тейлор (J.Taylor)
Фирма AMP Inс. (Гаррисберг, шт.Пенсильвания)

J.Taylor. Zero-insertion-force connector ousts conventional backplane, pp.133—138.

Описываются печатные разъемы с боковой установкой плат. Малое усилие стыковки сочетается у них со значительным контактным давлением, обеспечивающим надежное электрическое соединение.

Для микропроцессорных систем экономичная и надежная конструкция не менее важна, чем правильный выбор микропроцессора. Изменение топологии интегральных схем, приведшее к созданию микропроцессоров с шинной организацией, и появление разъема с нулевым усилием стыковки (НУС) позволили инженерам-разработчикам компоновать микропроцессорные системы по-новому, не так, как это делается при обычных схемах компоновки, основанных на применении общей кроссировочной панели.

До настоящего времени в изделиях цифровой техники и устройствах связи все еще доминирует конструкция, основу которой составляет так называемая кроссировочная (задняя) панель, или плата первого уровня. На ней закрепляются в ряд ответные (гнездовые) части печатных разъемов, в которые вставляются печатные платы второго уровня. Однако такая традиционная конструкция становится по ряду причин все более неудобной:

— У современных БИС микропроцессоров число выводов достигает 40 и более. В результате разъем платы второго уровня должен иметь свыше 100 контактов.

— Все более усложняется проблема охлаждения такой конструкции: плотно размещенные БИС выделяют все больше тепловой энергии, которую необходимо отводить наружу.

— В конструкциях с кроссировочной панелью приходится применять золоченые контакты, а это становится недопустимо дорого.

Наиболее важная часть любой конструкции, основанной на кроссировочной панели, — электрические соединения между платами первого и второго уровней. До сих пор они чаще всего выполнялись посредством так называемых торцевых разъемов с консольными выводами. Однако таким разъемам свойственны существенные ограничения.

Проблемы большой платы

Первый недостаток здесь тот, что, когда размер участка, на котором размещены печатные контакты, достигает 375 мм, сильно возрастает вероятность коробления платы. Если такая большая плата испытывает изгиб, то некоторые контакты ненормально отклоняются, и в гнездовой части эта деформация может оказаться остаточной. Если затем покоробленную плату заменить новой, без изгибов или изогнутой в противоположном направлении, то неправильно разжатые контакты могут потерять электрическое соединение со своими ответными частями на плате второго уровня.

Например, когда число контактов, необходимое для соединения между платами второго и первого уровней, приближается к 50, возможности обычного торцевого разъема фактически исчерпываются: слишком большой становится его длина и слишком большое усилие требуется для стыковки и расстыковки разъема. Это усилие связано с числом контактов линейной зависимостью. Если для стыковки или расстыковки одной контактной пары (штырь и гнездо) требуется усилие порядка 5 Н, то сочленение разъема, содержащего более 50 контактов, становится практически невозможным.

Пакетная конструкция. Соединяя платы второго уровня пакетными НУС-разъемами, можно вообще обойтись без кроссировочной панели и без рамы для установки
Рис.1. Пакетная конструкция. Соединяя платы второго уровня пакетными НУС-разъемами, можно вообще обойтись без кроссировочной панели и без рамы для установки плат. Этот способ сборки системы особенно хорошо подходит для печатных плат большого размера. При этом соединения можно осуществлять через гибкие кабели.

Казалось бы, можно решить эту проблему, уменьшив контактное давление. Но разработчики стремятся как раз повысить контактное давление: это позволяет заменить золоченые контакты гораздо более дешевыми контактами с покрытием из олова и его сплавов.

Таким образом, задача состоит в том, чтобы уменьшить усилие стыковки — расстыковки и в то же время повысить контактное давление. Сегодня, к счастью, мы уже знаем, как решить эту задачу: ответ дает недавно изобретенный разъем с нулевым усилием стыковки.

Термин «НУС-разъем» охватывает целое семейство разъемов, у которых усилие стыковки или расстыковки сопрягающихся частей фактически равно нулю (см. «Как работает НУС-разъем»). Сопрягающимися частями чаще всего являются печатная плата и ответная часть разъема.

Когда плату ставят на место, контакты разжимаются, и на каждой контактной паре развивается давление, величина которого зависит от величины отклонения пружинящей части контакта. Это давление должно быть достаточным, чтобы обеспечивалось надежное электрическое соединение.

Усилие, развивающееся в процессе стыковки или расстыковки платы второго уровня, равно не сумме контактных давлений (∑Fn на рис.2), а сумме сил трения, возникающих в результате контактных давлений, нормальных к поверхности контакта (µ∑Fn). Причина тут просто в том, что направление стыковки — расстыковки лежит под прямым углом к направлению давления, развивающегося на каждой контактной поверхности. Это усилие выполняет еще одну важную роль. Оно удерживает плату на месте, прочно закрепляя ее в разъеме.

Двухшаговая стыковка

Стыковка НУС-разъема производится в два шага. Сначала схемную плату ставят на место, и поскольку никакого усилия для этого не требуется, плата стоит свободно. Потом осуществляют механическое запирание разъема. Для этого нажимают рычаг или поворачивают валик, в результате чего контакты замыкаются между собой. Расстыковка выполняется в обратном порядке.

Главное преимущество НУС-разъема в том, что число контактов у него может быть каким угодно: усилие стыковки остается нулевым, сколько бы контактов ни было в разъеме. Для стыковки или расстыковки разъема, имеющего до 120 контактных пар, достаточно нажать пальцем на рычаг, а если число контактных пар до 280, то пользуются поворотной ручкой. Не менее важно, что НУС-разъемы позволяют разработчику создавать новые конструкции механической части аппаратуры без кроссировочной панели.

Одна из таких конструкций — рама с боковой установкой плат. Здесь нет специальных направляющих, как в обычной раме с кроссировочной панелью, где установка каждой платы требует большого усилия: необходимо провести ее по направляющим и замкнуть торцевой разъем; только в этом случае плата второго уровня будет прочно удерживаться на месте.

Трение скольжения. В обычном торцевом разъеме усилие стыковки или расстыковки возникает вследствие трения, действующего, когда схемную плату вставляют
Рис.2. Трение скольжения. В обычном торцевом разъеме усилие стыковки или расстыковки возникает вследствие трения, действующего, когда схемную плату вставляют в разъем или вынимают из него. Направление стыковки — расстыковки перпендикулярно к направлению силы, действующей на поверхность каждого контакта.

Конструкция с боковой установкой плат показана на рис.3. Каждая плата второго уровня удерживается двумя НУС-разъемами — по одному с обоих торцов платы. Таким образом, разъем одновременно служит и для электрического подсоединения, и для механического удержания платы. Благодаря тому что связь с платой первого уровня осуществляется теперь не по заднему торцу платы второго уровня, а по двум боковым краям, максимально возможное число контактов (при том же размере платы) удваивается. Одновременно обеспечивается прекрасная развязка цепей. Например, сигналы и шины питания можно развести по разным сторонам или пустить некоторые сигнальные цепи и питание по одной стороне, а другие, более чувствительные цепи — по второй.

Конструкция с боковой установкой плат. Используя два НУС-разъема, разработчик может расположить две платы первого уровня по обе стороны плат второго у
Рис.3. Конструкция с боковой установкой плат. Используя два НУС-разъема, разработчик может расположить две платы первого уровня по обе стороны плат второго уровня. При этом разъемы обеспечивают не только электрические соединения, но и механическую прочность системы. Конструкция этого типа хорошо подходит для систем с шинной организицей.

Еще одно преимущество такой конструкции в том, что охлаждающий воздух в ней проходит от передней стороны рамы к задней. Так что нетрудно смонтировать на задней стенке приточные вентиляторы, обеспечив ламинарный поток воздуха вдоль поверхностей плат.

НУС-разъемы, используемые в раме с боковой установкой плат, могут иметь по 175 контактных пар каждый (350 контактов) с шагом 2,54 мм. Толщина корпуса НУС-разъема достаточно мала, чтобы схемные платы можно было располагать с шагом всего 15 мм.

Поворот ключа

Один из способов запирания НУС-разъема показан на рис.4. При повороте ключа все контакты перемещаются примерно на 0,8 мм вдоль оси, перпендикулярной плате второго уровня. Столь большая величина перемещения контактов выбрана с той целью, чтобы любая контактная пара могла охватить плату максимальной толщины. Тем самым гарантируется, что операции стыковки и расстыковки не потребуют никакого усилия и при этом не будет истирания контактов.

Кулачковый привод. Оператор, поворачивая против часовой стрелки кулачковый ключ, размыкает контакты и отпирает замок, расположенный на ближнем краю пл
Рис.4. Кулачковый привод. Оператор, поворачивая против часовой стрелки кулачковый ключ, размыкает контакты и отпирает замок, расположенный на ближнем краю платы. После этого плату легко вынуть. Ключ можно сделать съемным, чтобы плату не мог вынуть человек, которому это не позволено.

Имеется ряд вариантов конструкции разъема с кулачковым приводом, показанного на рис.4. В них для запирания разъема используются различные рычаги, стержни или ключ с шестигранным кулачком. Кулачковый ключ, изображенный на рис.4, можно сделать съемным, чтобы плату не мог вынуть человек, которому это по должности не полагается.

Еще одно преимущество конструкций с боковой установкой плат в том, что она позволяет инженеру-конструктору обеспечить поочередное замыкание контактов в разъеме. Например, в НУС-разъеме с поворотным кулачковым приводом, изображенным на рис.4, замыкание контактов производится в последовательности «2—4 — все остальные». Это означает, что когда оператор начинает поворачивать ручку кулачка, сперва замыкаются два контакта, потом четыре и затем все остальные. Размыкание происходит в обратной последовательности. Можно, например, подключить землю к двум первым контактам, цепи питания к следующим четырем и сигналы и вспомогательные цепи ко всем остальным.

Такая возможность разделения цепей желательна во многих случаях, особенно в цифровых и связных системах, где важно иметь возможность снять или поставить плату второго уровня, не нарушая питания системы в целом. В таким системах НУС-разъемы выполняют роль переключателей, устанавливающих последовательность подключения электрических цепей.

Дальнейшие преимущества конструкции с двусторонним подключением плат первого уровня состоят в том, что облегчается разводка сигнальных цепей и питания на плате второго уровня. Поскольку внешние соединения располагаются на обеих сторонах платы второго уровня, проводники становятся короче и уменьшается число Г-образных поворотов проводников.

На фотоснимке, приведенном в начале статьи (см. рис.1), показана чрезвычайно оригинальная конструкция без задней панели. В этой конструкции вообще отсутствует какая-либо рама для установки плат второго уровня. Платы собраны воедино с помощью пакетных НУС-разъемов, монтируемых на штырьках квадратного сечения со стороной 0,6 мм, расположенных со стандартным шагом 2,54 мм. Эти штырьки на 8 мм выступают над печатной платой толщиной 1,6 мм. Шинная структура, если она нужна, создается в направлении поперек плат посредством ответных частей разъемов.

Разъем, монтируемый на поверхности платы. У этого варианта пакетного НУС-разъема монтаж на поверхности платы производится без пайки (а). У разъема име
Рис.5. Разъем, монтируемый на поверхности платы. У этого варианта пакетного НУС-разъема монтаж на поверхности платы производится без пайки (а). У разъема имеются контактные язычки, выступающие за его нижнюю поверхность (б). Когда штыревая и гнездовая части свинчены вместе, эти язычки прижимаются к проводникам печатной платы.

Пакетные разъемы

НУС-разъемы пакетного типа, показанные на рис.1, имеют контакты в виде штырьков квадратного сечения со стороной 0,6 мм, запрессованных в печатную плату подобно тому, как это делается во многих торцевых разъемах и других сборках для монтажа накруткой. При этом в отличие от других конструкций в пакетном НУС-разъеме обеспечивается прямое сопряжение с разъемами многих иных типов, в том числе с широко распространенными разъемами для плоского кабеля.

При соединении «этажей» в пакет разъемы можно произвольным образом располагать по периметру сопрягаемых плат. Фактически нет даже необходимости размещать их по периметру — лишь бы имелся доступ к приводным рычагам для запирания и отпирания разъема.

Здесь открывается еще одно преимущество — возможность добавлять платы, когда надо придать системе некоторые дополнительные функции: в корпусе или в кожухе, в который заключается система, остается достаточно свободного места. Разработчик просто добавляет нужные платы к одной или нескольким, заранее собранным в пакет.

Разъемы в пакетной конструкции располагают так, чтобы они доходили до середины платы — это позволяет осуществлять сборку плат сравнительно большого размера. При этом вводят добавочные пакетные разъемы, размещая их так, чтобы увеличить жесткость всей конструкции.

Кроме пакетного НУС-разъема, имеется еще междуплатный НУС-разъем, монтируемый на поверхности платы, он показан на рис.5. У этого разъема штыревая и гнездовая части закрепляются винтами на поверхности печатной платы таким образом, что подпружиненные луженые ушки каждого разъема прижимаются к соответствующим печатным проводникам платы. Минимальное усилие 2,6 Н, прикладываемое к каждому контакту по нормали, достаточно, чтобы обеспечить высоконадежное соединение с луженой контактной площадкой платы. Каждый разъем имеет также поддерживающие элементы из нержавеющей стали. Соединяя их на поверхности печатной платы с плоскостью земли, можно получить соединительную систему с номинальным волновым сопротивлением 90 Ом.

Привлекательной чертой пакетной конструкции является также ее высокая ремонтопригодность. Установив, на какой плате имеет место дефект, можно сразу же разобрать пакет и собрать его таким образом, чтобы подозрительная плата оказалась наверху; тогда техник получит легкий доступ ко всем ее компонентам.

Сильноточная конструкция. В этой конструкции платы с установленными на их поверхности НУС-разъемами образуют пакет, по общим цепям которого можно пере
Рис.6. Сильноточная конструкция. В этой конструкции платы с установленными на их поверхности НУС-разъемами образуют пакет, по общим цепям которого можно передавать как маломощные сигналы, так и токи питания до 50 А. Токи питания проходят по соединительным стержням, причем падение напряжения пренебрежимо мало.

Разрыв шин в такой системе можно производить двумя способами: во-первых, можно убрать из группы плат целый разъем; во-вторых, как в случае разъема, показанного на рис.5,6, штырьки квадратного сечения можно вырезать из платы в нужных местах.

Разъемы, предназначаемые для подключения схемных плат, редко рассчитывают на ток больше 3 А. Однако во многих случаях в цепи питания нескольких плат с большим потреблением мощности проходит гораздо больший ток. Один из способов повысить максимальный ток, пропускаемый через контакты разъема, показан на рис.6. Здесь роль мощных контактов играют стержневые направляющие, проходящие с обоих торцов схемной платы. Такие стержни способны пропускать ток до 50 А при пренебрежимо малом падении напряжения.

Распределение сигналов и питающих напряжений

НУС-разъем, помещенный в середине платы, позволяет осуществлять прямые соединения между платами и обеспечивает естественное разделение сигнальных цепей и питающих напряжений. После сборки направляющих для платы можно установить контакты, через которые производится электрическое соединение между контактной площадкой и соединительными стержнями (рис.6). Путем надлежащего размещения контактных площадок и выбора их длины можно обеспечить требуемую последовательность подключения цепей питания, так что при установке или вынимании каждой схемной платы они будут замыкаться и размыкаться в требуемом порядке.

В конструкции, показанной на рис.6, особенно привлекает то, что длины проводников, по которым на каждой плате сигналы и питающие напряжения подводятся к компонентам, очень малы. Фактически на каждой плате длина проводника, по которому сигнал может быть подведен к любому компоненту, не превышает расстояния между серединой платы, где находится НУС-разъем, монтируемый на поверхности платы, и краем платы. Линии питания располагаются при этом по краям платы. Это существенно облегчает разработчику задачу трассировки проводников на плате.

Для многих изделий цифровой техники решающим является вопрос удачного соединения подсистем между собой, осуществляемого через шины. Шины имеют отдельные линии для данных, адресов и сигналов управления и организуются таким образом, чтобы обеспечивалась связь между несколькими функциональными модулями. В традиционной конструкции на основе кроссировочной панели никакой развязки цепей данных фактически нет. Все эти цепи приходится проводить через одну-единственную соединительную поверхность — поверхность разъема между платами второго и первого уровней. С другой стороны, все описанные выше конструкции систем на основе НУС-разъемов позволяют удачно организовать шины данных, так как в них легко осуществить развязку отдельных цепей.

Организация шин

В конструкции с боковой установкой плат, показанной на рис.3, шину можно провести с одной стороны, а цепи питания — с другой. Пакетная конструкция открывает перед разработчиком еще большие возможности для организации шин. Здесь разъем, через который проводится шина, можно расположить фактически в любом месте на поверхности платы. То же относится и к конструкции со специальным распределением питания, показанной на рис.6.

Примечательной особенностью двух последних конструкций является то, что на плате шина проходит необычным образом — в поперечном направлении. Ее приходится проводить к цепям платы от междуплатного разъема.

Как работает НУС-разъем

Основное различие между обычным торцевым разъемом с консольными контактами и разъемом с нулевым усилием стыковки можно видеть из рисунка (а). На торцевом разъеме печатная плата сама раздвигает пружины консольного контакта, когда ее ставят на место. При этом развивается усилие стыковки, представляющее собой сумму силы трения и силы, требуемой для отклонения контактных пружин и направленной по нормали к их поверхности.

При использовании НУС-разъема плату вставляют в его корпус, а поскольку приводное устройство удерживает контакты в разомкнутом (раздвинутом) состоянии, сопротивления стыковке нет, и плата ставится прямо на дно разъема. Когда плата уже стоит на месте, оператор поворачивает на 90° приводное устройство (в данном случае поворотный кулачок). При этом гнездовые контакты входят в плотное соединение со штыревыми контактами, имеющимися на печатной плате.

НУС-разъемы выполняют многими способами, но цель при этом всегда одинаковая: исключить усилие стыковки — расстыковки и одновременно обеспечить на каждом контакте достаточное контактное усилие, когда печатная плата или разъем установлены на место.

На рис.4 показан НУС-разъем с приводом от поворотного кулачка, который можно привести в действие специальным ключом или обычным гаечным. Такие разъемы выпускаются на число контактов до 65 пар (130 контактов) с расстоянием между их центрами 2,54*5,08 мм; 3,1*6,2 мм и 4,5*5,08 мм. Изготавливаются варианты разъемов с поочередным или одновременным замыканием контактов.

Существует второй тип НУС-разъема, именуемый разъемом с замыканием платой (б и в). В обоих случаях замыкание контактов вызывает сама плата. На этих рисунках не показаны защелки или другие устройства, удерживающие плату в плотном соприкосновении с контактами.

Еще одна конструкция НУС (г) — это так называемый разъем со скользящей рейкой. Здесь для замыкания контактов используется рейка с наклонными зубьями. Однако, если контакты расположены с шагом 2,54 мм, то длина каждого зуба на рейке не может быть больше этого шага. Для замыкания контактов приходится делать крутые зубья. Это вызывает некоторые трудности, ограничивающие применение такой конструкции.

От этих ограничений свободна конструкция НУС-разъема с плоскими кулачками (д). Разъем такой конструкции вполне может иметь до 175 контактных пар (350 контактов), расположенных с шагом до 2,54 мм. При этом кулачок способен обеспечить перемещение каждого контакта на расстояние до 0,8 мм. Назначение промежуточного плоского кулачка в том, чтобы поднять кверху контакты, лежащие на поверхности печатной платы. При этом механические напряжения в контактах максимальны, когда разъем находится в разомкнутом положении, а это имеет место лишь на протяжении малой доли срока службы разъема. Такая конструкция представляет собой прямую противоположность конструкции торцевого разъема, где механические напряжения в контактах максимальны, когда разъем замкнут.

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 52, No.10 (562), 1979г - пер. с англ. М.: Мир, 1979, стр.59

Electronics Vol.52 No.10 May 10, 1979 A McGraw-Hill Publication

J.Taylor. Zero-insertion-force connector ousts conventional backplane, pp.133—138.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Конструирование и производство





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:55 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/Archiv/Firms/AMP/D19790510Elc041.shtml