進行尺寸、重量、功率和成本 (SWaP-C) 優(yōu)化時，通常會要求設(shè)計者將更多的功能擠進日益尷尬和狹窄的空間中。這在便攜式設(shè)備、工業(yè)機器人系統(tǒng)和航空系統(tǒng)中尤其如此。在這些系統(tǒng)中，互連器件要在很近的距離內(nèi)同時傳遞電源和數(shù)據(jù)信號。
雖然設(shè)計者必須關(guān)注可靠性和信號完整性，但他們還必須確保互連系統(tǒng)易于針對不同的引腳分配和使用情況進行配置，在安裝過程中能夠可靠地連接和斷開，并且在使用時易于維護。
本文將解釋電子系統(tǒng)的設(shè)計者如何通過使用適當(dāng)?shù)倪B接器來確保可靠的連接，以應(yīng)對小型和緊密的互連情形。隨后將討論如何通過對 Harwin 的一個互連系列進行標(biāo)準(zhǔn)化，來實現(xiàn) SWaP-C 優(yōu)化，以應(yīng)對廣泛的互連挑戰(zhàn)。最后將介紹兩個針對小型系統(tǒng)互連的實例解決方案。
為什么小型系統(tǒng)需要 SWaP-C？
像便攜式設(shè)備和通信設(shè)備這樣的電子系統(tǒng)，通常會要求設(shè)計者將更多的功能擠進更小的空間。因此，他們必須減少現(xiàn)有組件所需的空間，以縮小系統(tǒng)尺寸，同時也要在相同的區(qū)域內(nèi)為更多的組件騰出空間。此外，互連系統(tǒng)必須足夠堅固，能夠經(jīng)受住掉在硬地板上而不破裂或損壞。猛烈摔跌可能導(dǎo)致連接器出現(xiàn)間歇性連接問題，如果不加以診斷，可能導(dǎo)致設(shè)備被棄用，這對用戶以及制造商的聲譽來說可謂是后果嚴(yán)重、成本高昂。
工業(yè)機器人系統(tǒng)是另一個非常需要進行 SWaP-C 優(yōu)化的實例。雖然一個沉重的機器人系統(tǒng)通過減少幾個連接器的尺寸，可能不會有明顯的收益，但真正的 SWaP-C 收益不是通過一個優(yōu)化，而是通過數(shù)百個子系統(tǒng)的綜合優(yōu)化來實現(xiàn)的。機器人重量更輕、尺寸更小可以提高效率，移動手臂或鏡頭時所需的動力就更少，從而降低了成本。機器人手臂也經(jīng)常受到剛性啟動和停止的影響，隨著時間的推移，會給互連系統(tǒng)帶來壓力，導(dǎo)致間歇性故障。機器人系統(tǒng)還需要在同一線束中攜帶電源和數(shù)字信號，這導(dǎo)致了在同一連接器中可靠地、無干擾地傳遞這兩種類型信號的互連挑戰(zhàn)。
航空系統(tǒng)也是一個明顯需要進行 SWaP-C 優(yōu)化的領(lǐng)域，因為如果其互連系統(tǒng)重量較輕、尺寸較小并能傳輸更多動力，那么飛機就會更輕，效率就更高。航空系統(tǒng)也要進行定期檢修，連接器經(jīng)常要進行拆裝。其互聯(lián)系統(tǒng)必須能夠承受多次拆裝，同時還要有各種帶鍵選項，以防止許多連接器在同一區(qū)域時發(fā)生錯配事件。
SWaP-C 優(yōu)化對無人機設(shè)計特別有利，因為每節(jié)省一盎司都會對電池壽命和飛行時間有明顯的改善。無人機也非常注重尺寸。無人機越小，保持無人機重心平衡所需的動力就越小。
智能家電是另一個需要 SWaP-C 優(yōu)化的領(lǐng)域。電器較小、較輕對于安裝在狹窄的廚房空間總是一個優(yōu)勢。洗碗機、洗衣機和干衣機等電器需要一個堅固的互連系統(tǒng)，隨著時間的推移，振動會導(dǎo)致互連系統(tǒng)斷開。連接器還必須容易拆裝，可承受拆裝次數(shù)要在合理范圍，以便于維護。
由于應(yīng)用的要求各不相同，導(dǎo)致出現(xiàn)各種創(chuàng)新的互連設(shè)計方法，其中許多方法用在一條互連線路上，以確保最佳性能、可靠性和易用性。
用于 SWaP-C 優(yōu)化的螺絲鎖定互連器件
例如，為了便于使用，連接器應(yīng)易于配接以實現(xiàn)快速設(shè)備組裝，也要易于解配以方便維護，但仍要有足夠的強度以承受沖擊和振動，并且要足夠輕，對電纜組件中的低電流導(dǎo)線不會造成任何壓力。針對在任何情況下都需要穩(wěn)固互連的 SWaP-C 互連優(yōu)化，Harwin 提供了 Gecko SL 1.25 毫米 (mm) 間距螺絲鎖定互連系統(tǒng)。這些都是高可靠性的連接器，其設(shè)計比同等應(yīng)用中常用的微型 D 型連接器小 45%，輕 75%。
Harwin G125-2241096F1 10 針位插座和 Harwin G125-3241096M2 10 針位面板安裝插頭是一組配對的 Gecko SL 連接器實例（圖 1）。右邊的插頭外殼在頂部和底部表面都有凹陷并帶鍵。這可以防止不當(dāng)插座插入，從而導(dǎo)致設(shè)備故障。Gecko-SL 連接器有多種帶鍵配置，以防止系統(tǒng)中的多個連接器相互靠近時出現(xiàn)錯誤的插入。
圖 1：Harwin G125-2241096F1 10 針位插座外殼（左）與匹配的 Harwin G125-3241096M2 10 針位面板安裝插頭外殼（右）。接觸面在頂部和底部都帶鍵，而接觸標(biāo)記使連接器更容易配對。（圖片來源：Harwin）
Gecko SL 互連系統(tǒng)使用壓接觸頭，并有兩個鎖定螺絲來固定連接器的位置。這對于遭受振動和高沖擊的系統(tǒng)來說，這是一個優(yōu)勢，因為連接器可能會很難被強行拆開。不銹鋼螺絲鎖定能確保在任何情況下都緊密連接。該連接器系統(tǒng)采用了一種“先接后鎖”機制，甚至在兩顆螺絲被固定之前就提供了牢固的電氣連接。這允許技術(shù)人員在維護和測試的情況下臨時接合連接器。由于互連系統(tǒng)在水平軸上看起來是對稱的，每個連接器的頂面都有一個三角形的接觸標(biāo)記，使技術(shù)人員更容易配對。該連接器的額定配接次數(shù)為 1000 次，因此適用于存在定期解配檢查和維護需要的航空應(yīng)用。
十個針位中的每一個觸頭都可處理額定最大 2.8 安培 (A) 電流。如果所有的觸頭都同時用來承載電流，則每個觸頭最多可處理 2.0 A 電流。由于有五個電源和五個接地觸頭，因此該連接器的最大功率傳輸能力為 10.0 A。
連接后，該連接器系統(tǒng)具有很高的抗濫用能力，可以承受 100 g 6 毫秒 (ms) 沖擊，以及 20 g 振動持續(xù) 6 小時，因此適用于苛刻的機器人和工業(yè)系統(tǒng)。外殼由玻璃填充熱塑性塑料制成，可在 -65°C 至 +150°C 的溫度范圍內(nèi)工作。因此該連接器適用于可能遭遇極端溫度的航空系統(tǒng)，從炎熱的沙漠跑道到高空的極致寒冷。對于可能出現(xiàn)高頻振動的系統(tǒng)，建議在壓接組件上涂抹背底灌封膠，以提供進一步的加固。
用于 SWaP-C 優(yōu)化的信號和功率互連
在某些情況下，一個互連系統(tǒng)需要在同一個線束中同時處理大電流控制信號和甚至更大電流的電源連接。這些互連應(yīng)用需要一個混合布局的連接系統(tǒng)，可以處理需要兩種尺寸的觸頭。對于這些系統(tǒng)，Harwin 提供了 Gecko-MT 1.25 mm 間距混合布局互連系統(tǒng)。這些是非常小而輕的連接器，設(shè)計用于在同一互連器件中安全地攜帶混合的控制和電源信號。對于這些應(yīng)用，設(shè)計者可以使用 Harwin G125-FV10805F3-2AB2ABP 插座，它有八個信號和四個電源連接，以及相應(yīng)的 G125-32496M3-02-08-02 插頭（圖 2）。
圖 2：Harwin Gecko-MT G125-FV10805F3-2AB2ABP 插座（左）和Gecko-MT G125-32496M3-02-08-02 插頭（右）組成了一個 8 信號、4 電源的互連系統(tǒng)，每個電源觸頭的容量為 10A，每個信號觸頭的容量為 2 A。（圖片來源：Harwin）
該互連系統(tǒng)中的八個信號觸頭的每一個都可以處理最高 2 A 的電流，而四個較大的電源觸頭中每一個都可以處理最高 10 A 的電流。這為常見于像航空電子控制這樣的航空航天系統(tǒng)的狹小空間帶來了互連靈活性。此外，大多數(shù)機器人系統(tǒng)必須沿著機器人手臂和其他機械控制機構(gòu)傳輸控制信號和電力的混合體，這種類型的互連器件就成為了這些應(yīng)用的最佳選擇。
與 Gecko-SL 一樣，Harwin Gecko-MT 也是通過鍵來防止誤插入的。如圖 2 所示，該連接器底部有一個狹窄的鍵槽，頂部有一個非常寬的鍵槽。Gecko-MT 連接器有多種帶鍵配置，以確保連接器的正確插入，同時還有三角接觸標(biāo)記，使技術(shù)人員更容易插入。圖 2 左邊的插座安裝在帶有通孔觸頭的 PC 板上。插座用兩個螺栓/螺母在下面固定在 PC 板上，實現(xiàn)牢固安裝。這可以防止連接器在高振動環(huán)境中被扭動或拉出電路板。插頭插入插座后，擰入不銹鋼插座螺紋插口。
Gecko-MT 互連系統(tǒng)還采用“先接后鎖”機制，以確保牢固的電氣連接，并在維護活動中方便測試。該互連系統(tǒng)的額定拆裝次數(shù)為 1000 次，便于在維護和重新配置時實現(xiàn)高連接可靠性。
配接后的 Gecko-MT 連接器系統(tǒng)還能承受 100g、6 ms 的沖擊以及 20 g 振動 6 小時，因此適用于機器人和工業(yè)應(yīng)用中需要將信號和電源一起布線以節(jié)省空間的情況。其玻璃填充熱塑性塑料外殼可在 -65°C 至 +150°C 的溫度范圍內(nèi)工作，因此可用于溫度極端的航空應(yīng)用。
結(jié)語
許多電子系統(tǒng)的設(shè)計者需要對新的和現(xiàn)有系統(tǒng)進行 SWaP-C 優(yōu)化，以提高效率，降低成本，并改善操作性能。選擇合適的互連系統(tǒng)可以幫助實現(xiàn)這種 SWaP-C 優(yōu)化。此外，便攜式設(shè)備、工業(yè)機器人系統(tǒng)、航空系統(tǒng)和智能家電的系統(tǒng)設(shè)計者需要確保其連接能夠承受應(yīng)用中的惡劣振動，同時要能夠在狹小的空間內(nèi)承載大電流。為了幫助簡化設(shè)計過程，設(shè)計者可以對一個互連系統(tǒng)進行標(biāo)準(zhǔn)化，以確保系統(tǒng)的可靠性和連接器的易用性。
