利用坚固的小型工业连接器在增加功率的同时减小互连系统的尺寸和重量
作者：Bill Giovino
进行尺寸、重量、功率和成本 (SWaP-C) 优化时，通常会要求设计者将更多的功能挤进日益尴尬和狭窄的空间中。这在便携式设备、工业机器人系统和航空系统中尤其如此。在这些系统中，互连器件要在很近的距离内同时传递电源和数据信号。
虽然设计者必须关注可靠性和信号完整性，但他们还必须确保互连系统易于针对不同的引脚分配和使用情况进行配置，在安装过程中能够可靠地连接和断开，并且在使用时易于维护。
本文将解释电子系统的设计者如何通过使用适当的连接器来确保可靠的连接，以应对小型和紧密的互连情形。随后将讨论如何通过对 Harwin 的一个互连系列进行标准化，来实现 SWaP-C 优化，以应对广泛的互连挑战。最后将介绍两个针对小型系统互连的实例解决方案。
为什么小型系统需要 SWaP-C？
像便携式设备和通信设备这样的电子系统，通常会要求设计者将更多的功能挤进更小的空间。因此，他们必须减少现有组件所需的空间，以缩小系统尺寸，同时也要在相同的区域内为更多的组件腾出空间。此外，互连系统必须足够坚固，能够经受住掉在硬地板上而不破裂或损坏。猛烈摔跌可能导致连接器出现间歇性连接问题，如果不加以诊断，可能导致设备被弃用，这对用户以及制造商的声誉来说可谓是后果严重、成本高昂。
工业机器人系统是另一个非常需要进行 SWaP-C 优化的实例。虽然一个沉重的机器人系统通过减少几个连接器的尺寸，可能不会有明显的收益，但真正的 SWaP-C 收益不是通过一个优化，而是通过数百个子系统的综合优化来实现的。机器人重量更轻、尺寸更小可以提高效率，移动手臂或镜头时所需的动力就更少，从而降低了成本。机器人手臂也经常受到刚性启动和停止的影响，随着时间的推移，会给互连系统带来压力，导致间歇性故障。机器人系统还需要在同一线束中携带电源和数字信号，这导致了在同一连接器中可靠地、无干扰地传递这两种类型信号的互连挑战。
航空系统也是一个明显需要进行 SWaP-C 优化的领域，因为如果其互连系统重量较轻、尺寸较小并能传输更多动力，那么飞机就会更轻，效率就更高。航空系统也要进行定期检修，连接器经常要进行拆装。其互联系统必须能够承受多次拆装，同时还要有各种带键选项，以防止许多连接器在同一区域时发生错配事件。
SWaP-C 优化对无人机设计特别有利，因为每节省一盎司都会对电池寿命和飞行时间有明显的改善。无人机也非常注重尺寸。无人机越小，保持无人机重心平衡所需的动力就越小。
智能家电是另一个需要 SWaP-C 优化的领域。电器较小、较轻对于安装在狭窄的厨房空间总是一个优势。洗碗机、洗衣机和干衣机等电器需要一个坚固的互连系统，随着时间的推移，振动会导致互连系统断开。连接器还必须容易拆装，可承受拆装次数要在合理范围，以便于维护。
由于应用的要求各不相同，导致出现各种创新的互连设计方法，其中许多方法用在一条互连线路上，以确保最佳性能、可靠性和易用性。
用于 SWaP-C 优化的螺丝锁定互连器件
例如，为了便于使用，连接器应易于配接以实现快速设备组装，也要易于解配以方便维护，但仍要有足够的强度以承受冲击和振动，并且要足够轻，对电缆组件中的低电流导线不会造成任何压力。针对在任何情况下都需要稳固互连的 SWaP-C 互连优化，Harwin 提供了 Gecko SL 1.25 毫米 (mm) 间距螺丝锁定互连系统。这些都是高可靠性的连接器，其设计比同等应用中常用的微型 D 型连接器小 45%，轻 75%。
Harwin G125-2241096F1 10 针位插座和 Harwin G125-3241096M2 10 针位面板安装插头是一组配对的 Gecko SL 连接器实例（图 1）。右边的插头外壳在顶部和底部表面都有凹陷并带键。这可以防止不当插座插入，从而导致设备故障。Gecko-SL 连接器有多种带键配置，以防止系统中的多个连接器相互靠近时出现错误的插入。
图 1：Harwin G125-2241096F1 10 针位插座外壳（左）与匹配的 Harwin G125-3241096M2 10 针位面板安装插头外壳（右）。接触面在顶部和底部都带键，而接触标记使连接器更容易配对。（图片来源：Harwin）
Gecko SL 互连系统使用压接触头，并有两个锁定螺丝来固定连接器的位置。这对于遭受振动和高冲击的系统来说，这是一个优势，因为连接器可能会很难被强行拆开。不锈钢螺丝锁定能确保在任何情况下都紧密连接。该连接器系统采用了一种“先接后锁”机制，甚至在两颗螺丝被固定之前就提供了牢固的电气连接。这允许技术人员在维护和测试的情况下临时接合连接器。由于互连系统在水平轴上看起来是对称的，每个连接器的顶面都有一个三角形的接触标记，使技术人员更容易配对。该连接器的额定配接次数为 1000 次，因此适用于存在定期解配检查和维护需要的航空应用。
十个针位中的每一个触头都可处理额定最大 2.8 安培 (A) 电流。如果所有的触头都同时用来承载电流，则每个触头最多可处理 2.0 A 电流。由于有五个电源和五个接地触头，因此该连接器的最大功率传输能力为 10.0 A。
连接后，该连接器系统具有很高的抗滥用能力，可以承受 100 g 6 毫秒 (ms) 冲击，以及 20 g 振动持续 6 小时，因此适用于苛刻的机器人和工业系统。外壳由玻璃填充热塑性塑料制成，可在 -65°C 至 +150°C 的温度范围内工作。因此该连接器适用于可能遭遇极端温度的航空系统，从炎热的沙漠跑道到高空的极致寒冷。对于可能出现高频振动的系统，建议在压接组件上涂抹背底灌封胶，以提供进一步的加固。
用于 SWaP-C 优化的信号和功率互连
在某些情况下，一个互连系统需要在同一个线束中同时处理大电流控制信号和甚至更大电流的电源连接。这些互连应用需要一个混合布局的连接系统，可以处理需要两种尺寸的触头。对于这些系统，Harwin 提供了 Gecko-MT 1.25 mm 间距混合布局互连系统。这些是非常小而轻的连接器，设计用于在同一互连器件中安全地携带混合的控制和电源信号。对于这些应用，设计者可以使用 Harwin G125-FV10805F3-2AB2ABP 插座，它有八个信号和四个电源连接，以及相应的 G125-32496M3-02-08-02 插头（图 2）。
图 2：Harwin Gecko-MT G125-FV10805F3-2AB2ABP 插座（左）和Gecko-MT G125-32496M3-02-08-02 插头（右）组成了一个 8 信号、4 电源的互连系统，每个电源触头的容量为 10A，每个信号触头的容量为 2 A。（图片来源：Harwin）
该互连系统中的八个信号触头的每一个都可以处理最高 2 A 的电流，而四个较大的电源触头中每一个都可以处理最高 10 A 的电流。这为常见于像航空电子控制这样的航空航天系统的狭小空间带来了互连灵活性。此外，大多数机器人系统必须沿着机器人手臂和其他机械控制机构传输控制信号和电力的混合体，这种类型的互连器件就成为了这些应用的最佳选择。
与 Gecko-SL 一样，Harwin Gecko-MT 也是通过键来防止误插入的。如图 2 所示，该连接器底部有一个狭窄的键槽，顶部有一个非常宽的键槽。Gecko-MT 连接器有多种带键配置，以确保连接器的正确插入，同时还有三角接触标记，使技术人员更容易插入。图 2 左边的插座安装在带有通孔触头的 PC 板上。插座用两个螺栓/螺母在下面固定在 PC 板上，实现牢固安装。这可以防止连接器在高振动环境中被扭动或拉出电路板。插头插入插座后，拧入不锈钢插座螺纹插口。
Gecko-MT 互连系统还采用“先接后锁”机制，以确保牢固的电气连接，并在维护活动中方便测试。该互连系统的额定拆装次数为 1000 次，便于在维护和重新配置时实现高连接可靠性。
配接后的 Gecko-MT 连接器系统还能承受 100g、6 ms 的冲击以及 20 g 振动 6 小时，因此适用于机器人和工业应用中需要将信号和电源一起布线以节省空间的情况。其玻璃填充热塑性塑料外壳可在 -65°C 至 +150°C 的温度范围内工作，因此可用于温度极端的航空应用。
结语
许多电子系统的设计者需要对新的和现有系统进行 SWaP-C 优化，以提高效率，降低成本，并改善操作性能。选择合适的互连系统可以帮助实现这种 SWaP-C 优化。此外，便携式设备、工业机器人系统、航空系统和智能家电的系统设计者需要确保其连接能够承受应用中的恶劣振动，同时要能够在狭小的空间内承载大电流。为了帮助简化设计过程，设计者可以对一个互连系统进行标准化，以确保系统的可靠性和连接器的易用性。
