使用自定义Pogo引脚设计构建更好的设备连接器

行业标准的连接器并不总是能完成工作。久经考验的连接器在公众场合的失败促使一支设计团队使用pogo pin设计了一种灵活而可靠的新解决方案。这是他们的做法。
 
几年前,当一个主要的OEM手机品牌在智能手机和平板电脑上展示用于智能手机和平板电脑的支架设备时,互连在展示的第一天就失败了。尽管标准的微型USB和微型HDMI连接器在设备市场中得到了广泛使用,但该通讯座设备是为跨多个智能手机和平板电脑产品线使用而设计的,因此无法针对特定的主体设计其结构。从通讯座中取出设备时发生故障。需要一个新的连接。

重新设计过程的第一步确定,必须控制插入和拔出的角度以保护连接器不受损坏。包装结构将限制方向并防止损坏问题,但也将设计的多功能性限制为单个特定设备。另一个有效的对策是设计一个比连接器稍大的导轨,但这与智能手机和平板电脑等终端设备所要求的小而薄的连接器尺寸相反。该解决方案所需要的设计必须能够防止破损,同时又能在小型,薄型和优雅的最终产品中提供出色的性能。

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设计师研究了各种概念,包括支架侧连接器在拆卸时会旋转并跟进的结构以及带百叶窗的选件,但最人性化的连接器似乎是所谓的品牌配对型连接器带有磁性端口。但是,这种大型连接器不适用于便携式设备,而在小型化的连接器中,其触点太弱了。为了结合用户友好性和小型化,开发了带有可保护触点的百叶窗的连接器的概念。

这种称为Mag-Fit的概念被归类为表面型连接,而不是插入型,并在行业标准连接器中采用。在这种类型中,插头侧仅具有接触垫。这是一种非常简单的结构,可以保持较小的尺寸,并且可以低成本生产。相对/插座连接器具有配合触点和通过弹簧压靠在垫上的结构。通过使用磁体,可以仅通过磁力将连接器引导到正确的位置。可以通过较小的旋转力或轻微的扭转作用实现断开。

Mag-Fit概念的第一个版本充分保护了连接器并且易于使用,但是高速信号传输受到限制。尽管它能够应付当时被广泛使用的USB 2.0规范,但它在处理信号方面比USB 3.0设备的5Gb / s更快。连接器的信号触点具有弹簧结构,在许多情况下,其结构变得过于复杂,无法获得足够的记忆力和作用力。当弹簧旋转两圈或更多时,就会产生线圈特性,因此不适用于高速传输。尽管仅需转两圈,它就有可能对应于某个速度。弹簧可以处理的圈数取决于所需的弹簧特性和可用的物理空间。如果宽度有限制,则匝数将增加。在便携式消费电子设备中,宽度和高度通常都受到限制。因此,最初的Mag-Fit需要一个新的概念,该概念独立于复位弹簧的结构,并且如果弹簧具有两个或更多的匝数,则仍允许高速传输。这个想法是机械和电力的分离。

对于高速信号路由,该团队选择了细同轴电缆和柔性印刷电路(FPC)连接器。对于表面类型,他们选择了简单的伸缩弹簧,也称为弹簧加载触点或弹簧针。

Pogo Pins的优缺点

如果简单的弹簧足够大,则其强度足以抵御外力,但由于其容易变形,因此无法小型化以适合较小的空间。另一方面,pogo pin是一种非常传统的产品,是作为测试探针应用程序开发的。在测试探针应用中,弹簧针被设置为由夹具从上方直接按压。如今,弹簧针被用于可穿戴手表的充电终端,与台式键盘的连接以及其他消费电子设备。

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弹簧针的基本结构。图片由CCP Contact Probes Co. Ltd.,Wikimedia,CC BY-SA 4.0提供。 

但是,弹簧针仍会引起一些问题。为了抵消它们,可以在销子周围设计一种壁式设备,以防止侧面损坏。但是,它们对于表面型连接几乎没有用处,而必须进行简单的连接和拆卸。如果在装卸方向上没有度数自由度,则弹簧针只能沿笔直的方向接受,这并不总是有用的。另外,根据保护触点的结构,Mag-Fit连接器可以以任何180°的角度拆卸,并且可以承受100,000次或更长时间的插入和移除寿命。

对于便携式电子设备,小尺寸和轻量是基本需求。随着设备功能的增加,外部连接所需的引脚数也趋于增加,进一步减小间距的需求也随之增加。为了减小弹簧针的间距,必须缩小针的直径,该直径通常已经小到2.5mm。为了进一步减小间距,可以将一排弹簧针重新排列为两行排列。但是,在两排构造中,旋转中心和触点布置线在拆卸和旋转时会移位,并且在这种状态下,始终在对角线方向上的力施加到弹簧针,这增加了产生弹簧力的可能性。接触失败。0.8mm间距是Mag-Fit系列中目前可用的最小解决方案,

弹簧针由三个部分组成:一个由两个外部固定装置组成的磁芯和一个螺旋弹簧。外部零件的机加工需要切割,并且必须在整个外部零件上镀金,这意味着制造成本高。另外,当使用多个引脚时,有必要添加零件以对齐这些引脚。

Mag-Fit配置允许信号通过复位弹簧传递,并通过普通的连接器顺序压制过程批量生产触点。这些连接器由保护器和主体(绝缘体)组成,因此其制造成本低于pogo pin的制造成本。但是,Mag-Fit连接器确实需要定制开发和工具成本。这样,在小批量生产和小数量的情况下,弹簧狗的总成本可能会更便宜。

电子元件的进步继续以巨大的势头发展。通过如上所述将复位弹簧与信号线分开,Mag-Fit有望实现20Gb / s的传输速度,这是普通pogo pin当前无法达到的。

Mag-Fit连接器设计
 

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在基本的Mag-Fit中,触点(即复位弹簧)被保护器覆盖,垫片侧接触触点,触点在弹性结构中变形,并且保护器也同时移动。触点以配合配置将焊盘向上推。释放配合垫时,触点将保护器向上推。上推部被设置用于保护器中的接触。触点高度设置为从保护器突出至0.2mm。为了稳定接触高度,预装了Mag-Fit。即,在初始状态下,复位弹簧将保护器向上推。

基本的高速传输Mag-Fit结构遵循基本类型,但复位弹簧和传输路径是分开的。传输路径具有微型触点和薄的同轴电缆或FPC,并且彼此焊接。

刀片类型和表面类型的选择标准

在决定选择插入类型还是表面类型时,有必要考虑连接器易于装卸​​的重要性。对于仅需要一次至几次拆卸的应用,插入式连接器解决方案更为可取。一旦装配完成,插入类型就可以独自保持装配状态。尽管在施加外力(例如张力)的应用中,可以通过添加机械锁来进一步提高保持强度。表面型连接器在模块到模块的应用中更有利。

第二个检查点是可用空间。在插入类型中,插座和插头都重叠并装配在一起,并且两者都需要相同的高度。在表面类型中,只有一侧具有垫,因此可以减小高度。当需要在主设备侧上减小外形时,选择表面类型。另一方面,另一侧可能需要用于复位弹簧的空间,因此需要相应的尺寸。

随着消费类设备功率的不断增加而尺寸的减小,标准连接器可能无法满足所有需求。创意和灵活性将迎来下一波连接器概念的浪潮,这些概念如Mag-Safe都建立在强大的现有设计基础上,但会使其变得更好。
 
【摘自Bishop杂志,作者:ACES Electronics的Nobukazu Kato和ACES North America的 Sam Martin ,September 3, 2019】

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