คุณเคยคำนึงถึงรอบการเชื่อมต่อของตัวเชื่อมต่อในช่วงที่ผ่านมานี้หรือไม่

ไม่ นี่ไม่ใช่เรื่องล้อเล่น ถ้าปล่อยทิ้งไว้ ตัวเชื่อมต่อของคุณสร้างรูปแบบใหม่ของตัวเองหรือเพิ่มตำแหน่งการเชื่อมใหม่ได้อย่างอัศจรรย์ ในทางกลับกัน ก็อาจเป็นปัญหาร้ายแรงที่มองข้ามและละเลยได้ง่าย จนส่งผลกระทบต่อนักออกแบบด้วยผลลัพธ์อันน่าผิดหวังระหว่างการดีบัก การประเมินระยะยาว หรือแม้แต่ใช้งานจริง

ตัวเชื่อมต่อมีไว้เพื่อเสียบ (เชื่อมต่อ) และถอด (ไม่เชื่อมต่อ) นั่นคือบทบาทของพวกมัน แต่ตัวเชื่อมต่อคู่สามารถรองรับรอบการเชื่อมต่อได้กี่ครั้ง ก่อนที่ประสิทธิภาพจะลดลงโดยมีความต้านทานสูงและการเชื่อมต่อไม่ต่อเนื่อง ซึ่งนำไปสู่ปัญหาระบบที่ติดตามได้ยาก นักออกแบบอาจจะไม่ค่อยได้คำนึงถึงพิกัดรอบการเชื่อมต่อของตัวเชื่อมต่อ ซึ่งอยู่ในช่วงตั้งแต่เลขสองหลักต่ำไปจนถึงหลายพัน ขึ้นอยู่กับผลิตภัณฑ์ ผู้ใช้ และการใช้งาน แต่พวกเขาควรจะนำมาพิจารณาด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานของผู้บริโภค และเมื่อใช้ตัวเชื่อมต่อระหว่างการสร้างต้นแบบและวงจรการพัฒนา

ผู้จำหน่ายให้ข้อมูลจำเพาะของตัวเชื่อมต่อเกี่ยวกับรอบดังกล่าว โดยข้อมูลจำเพาะเหล่านี้เป็นฟังก์ชันของการออกแบบตัวเชื่อมต่อโดยรวม ตลอดจนการออกแบบหน้าสัมผัส วัสดุ และการชุบ ภายในค่าแรงดันและกระแสที่กำหนด ทว่าเป็นการเกินจำนวนรอบนั้นเป็นสิ่งที่เกิดขึ้นได้ง่ายในการดีบั๊กและประเมินผลการออกแบบอย่างคร่าว ๆ ผลที่ตามมามีตั้งแต่สามารถจัดการได้ เช่น แรงใส่ที่เพิ่มขึ้น ไปจนถึงสร้างความหงุดหงิด เช่น การเชื่อมต่อที่ไม่ต่อเนื่อง

ตัวเชื่อมต่อ: มักถูกมองข้าม

หน้าสัมผัสอาจดูเหมือนเป็นสิ่งที่ง่ายแต่แท้จริงแล้วไม่ง่ายเลย ประสิทธิภาพของตัวเชื่อมต่อรวมถึงพารามิเตอร์พื้นฐานของความต้านทานหน้าสัมผัสและแรงเชื่อมต่อ/ไม่เชื่อมต่อ ซึ่งทั้งสองค่านี้ควรอยู่ในระดับต่ำและคงที่ (เว้นแต่จะเป็นตัวเชื่อมต่อคู่แบบล็อค) ส่วนใหญ่หน้าสัมผัสเป็นโครงสร้างคล้ายนิ้วโลหะที่ขึ้นรูปอย่างแม่นยำ ข้อยกเว้นคือการใช้ขอบบอร์ดพีซีเป็นตัวเชื่อมต่อตัวผู้ครึ่งเดียว สำหรับการออกแบบหน้าสัมผัสสัญญาณที่ไม่มีการจัดการพลังงาน มักชุบหน้าสัมผัสด้วยทองหรือดีบุก (ราคาถูกกว่า) ไม่กี่ไมโครเมตร (µm) เพื่อลดความต้านทานไฟฟ้า ลดการกัดกร่อน และทนต่อการสึกหรอที่พื้นผิวที่เชื่อมต่อ นั่นคือการสัมผัสเพียงเล็กน้อยกับพื้นที่สัมผัสที่น้อยกว่าหลายครั้ง

ตัวเชื่อมต่อจำเป็นต้องมีรอบการเชื่อมต่อเท่าไร คำตอบนั้นขึ้นอยู่กับลักษณะการใช้งาน ในบางกรณีรอบการเชื่อมต่อเพียงสองหลักก็เพียงพอ แต่ในบางกรณีอาจจะจำเป็นต้องมีค่าหลายร้อยหรือหลายพัน (ลองนึกถึงตัวเชื่อมต่อ USB บนโทรศัพท์ของคุณ) ตัวเชื่อมต่อที่ออกแบบมาให้ทำงานอย่างเหมาะสมที่ช่วงรอบสูงนั้นแตกต่างกันในด้านการออกแบบพื้นฐาน การก่อสร้าง วัสดุ และการชุบ มากกว่าช่วงรอบต่ำ โดยไม่ได้สะท้อนถึงคุณภาพของตัวเชื่อมต่อ แต่เป็นการจับคู่กับความต้องการอย่างเหมาะสม

ตัวอย่างแสดงการเชื่อมต่อที่หลากหลาย

สังเกตตัวอย่างตัวเชื่อมต่อคร่าว ๆ จะเห็นถึงช่วงของรอบเชื่อมต่อและความต้านทานหน้าสัมผัสที่มี:

• JAE Electronics SM3ZS067U410AMR1000 เป็นตัวเชื่อมต่อขอบการ์ดตัวเมีย 67 ตำแหน่งที่เป็นไปตามข้อกำหนด PCI-SIG M.2 โดยมีระยะห่างหน้าสัมผัส 0.020 นิ้ว (in.)/0.50 มิลลิเมตร (mm) (รูปที่ 1) มีพิกัดรอบเชื่อมต่อเท่ากับ 60 ที่ความต้านทานหน้าสัมผัสสูงสุด 55 มิลลิโอห์ม (mΩ)

รูปที่ 1: ตัวเชื่อมต่อขอบการ์ด SM3ZS067U410AMR1000 จาก JAE Electronics มีระยะห่างหน้าสัมผัส 0.50 มิลลิเมตรตามข้อกำหนด PCI-SIG M.2 และมีพิกัดรอบเชื่อมต่อเท่ากับ 60 (แหล่งที่มารูปภาพ: JAE Electronics)

• ในทางกลับกัน Hirose Electric Co Ltd UX60A-MB-5ST ตัวเชื่อมต่อขั้วรับ USB 2.0 แบบ Mini-B หัวฉากติดตั้งบนพื้นผิว (5 ตำแหน่ง) มีพิกัด 5000 รอบและความต้านทานสูงสุด 70 mΩ (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: เต้ารับ USB UX60A-MB-5ST ที่เน้นผู้บริโภคจาก Hirose มีพิกัด 5000 รอบและความต้านทานหน้าสัมผัสสูงสุด 70 mΩ (แหล่งที่มารูปภาพ: Hirose Electric)

• ตัวเชื่อมต่อสายแพแบน (หรือเรียกว่า Insulation Displacement Connector, IDC) ในตระกูล 490107671012 SKEDD ของ Würth Elektronik’s โดยปกติจะใช้ภายในกล่องอุปกรณ์ และไม่ต้องการรอบการเชื่อมต่อมากเท่ากับตัวเชื่อมต่อที่ผู้ใช้เข้าถึงได้ (รูปที่ 3) ตัวเชื่อมต่อ 10 ตำแหน่งนี้มีเอกลักษณ์เฉพาะตรงที่มันเข้ากับรูชุบบนบอร์ดพีซีได้โดยตรง แทนที่จะใช้อุปกรณ์เชื่อมต่อเสริม เนื่องจากการใช้รูปแบบรูบนบอร์ด เส้นผ่านศูนย์กลาง และการชุบที่ผู้จำหน่ายกำหนด จึงมีพิกัดรอบการเชื่อมต่อที่ 10 รอบที่ 20 mΩ สำหรับการดำเนินการผลิต Würth ยังระบุค่าที่แตกต่างกันเล็กน้อยและทนทานกว่าสำหรับการสร้างต้นแบบ ซึ่งช่วยเพิ่มพิกัดรอบการเชื่อมต่อดังกล่าวเป็น 25 รอบ

รูปที่ 3: ตัวเชื่อมต่อสายแพ 490107671012 จาก Würth Elektronik มีพิกัดรอบการเชื่อมต่อ 10 รอบและมีรูปแบบการเจาะกับบอร์ดพีซีสองแบบ: รูปแบบหนึ่งสำหรับต้นแบบ และอีกรูปแบบหนึ่งสำหรับผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย (แหล่งที่มารูปภาพ: Würth Elektronik)

• สุดท้าย Harting 09332062648 เป็นตัวเชื่อมต่อตำแหน่งกราวด์หกหน้าสัมผัสสำหรับสายไฟที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่ 0.14 ถึง 2.5 mm² (AWG 26 ถึง AWG 14) มีหน้าสัมผัสที่สามารถรองรับถึง 500 โวลต์ที่ 16 แอมป์ (รูปที่ 4) คาดการณ์ว่ามีรอบการเชื่อมต่อ/ตัดการเชื่อมต่อบ่อยครั้ง จึงได้รับการออกแบบมาเพื่อรองรับรอบการเชื่อมต่อกว่า 10,000 รอบโดยมีความต้านทานการสัมผัสสูงสุดเพียง 3 mΩ

รูปที่ 4: ชุดตัวเชื่อมต่อไฟฟ้า 09332062648 จาก Harting กำหนดไว้ว่ามีความต้านทานหน้าสัมผัสต่ำกว่า 3 mΩ และมีรอบการเชื่อมต่อมากกว่า 10,000 รอบ (แหล่งที่มารูปภาพ: Harting)

ตัวเชื่อมต่อที่แตกต่างกันข้างต้นแสดงให้เห็นว่าผู้จำหน่ายปรับเปลี่ยนรอบการเชื่อมต่อและพิกัดความต้านทานสูงสุดของตัวเชื่อมต่อ เพื่อให้สามารถนำมาใช้กับการประยุกต์ใช้งานเป้าหมายได้อย่างไร โดยไม่อาจระบุค่าเหล่านี้ได้จากขนาดหรือรูปลักษณ์เพียงอย่างเดียว

บอร์ดทดลอง ต้นแบบ และดีบัก: เวลาใช้งานของตัวเชื่อมต่อที่แตกต่างกัน

ตัวเชื่อมต่อมีกับการทำงานที่แตกต่างกันอย่างมากในขั้นตอนการออกแบบผลิตภัณฑ์ เมื่อเทียบกับบทบาทของการใช้งานขั้นสุดท้าย หลายปีก่อน ผมได้เข้าไปมีส่วนร่วมในโครงการที่ใช้บอร์ดพีซีฟอร์มแฟคเตอร์มาตรฐานที่เสียบเข้ากับชั้นเสียบการ์ด เรากำลังมีปัญหาที่หาต้นตอไม่ได้ทุกประเภทระหว่างการดีบัก ซึ่งในที่สุดเราก็พบว่ามีสาเหตุมาจากรอบใส่/ถอดจำนวนมากที่บอร์ดที่กำลังทดสอบ

บอร์ดขยายจะลดรอบการเชื่อมต่อลง เนื่องจากจะทำให้เราเข้าถึงบอร์ดที่ "ยังทำงานอยู่" ได้ แต่จะทำให้ความสมบูรณ์ของสัญญาณลดลง วิธีแก้ปัญหาแบบคร่าว ๆ แต่ได้ผลของเราคือ นำเสียบการ์ดมาตัดด้านบนออก แล้วเสียบบอร์ดของเราในช่องด้านบน เพื่อให้เราเข้าถึงได้ในขณะที่อยู่ในชั้นนั้น ในความเป็นจริง เราสามารถตรวจดู ปรับเทียบ และปรับแต่งช่องสัญญาณอะนาล็อกในขณะที่อยู่ในสภาพแวดล้อมการทำงาน วิธีการแก้ปัญหาชั่วคราวนั้นได้ผลสำหรับเรา แต่ไม่สามารถใช้ได้กับโครงการส่วนใหญ่ได้

กลยุทธ์การเลือกที่เหมาะสมสามารถลดปัญหาตัวเชื่อมต่อได้

คุณจะทำอย่างไรได้บ้างเมื่อเลือกตัวเชื่อมต่อ โดยเฉพาะอย่างยิ่งตัวเชื่อมต่อที่จะต้องผ่านรอบการเชื่อมต่อในระยะทดสอบ

1: ขั้นแรก หาความรู้: ศึกษาเอกสารข้อมูลด้วยความใส่ใจเป็นพิเศษว่าผู้จำหน่ายระบุจำนวนรอบการเชื่อมต่ออย่างไรและภายใต้เงื่อนไขใด (ไม่มีมาตรฐานอุตสาหกรรม): ความต้านทานหน้าสัมผัสเพิ่มขึ้นตามที่ระบุหรือไม่ แรงใส่เป็นเท่าไหร่? มีข้อมูลอีกไหม?

2: ใช้ส่วนขยาย ถ้าเป็นไปได้ (มักจะไม่ใช้ แต่อาจใช้ในบางกรณี)

3: หากใช้บอร์ดพีซีที่มีขอบบอร์ดเป็นจุดเชื่อมต่อ (นิ้ว) เป็นครึ่งหนึ่งของตัวเชื่อมต่อคู่ ให้ทำงานร่วมกับผู้ผลิตบอร์ด เพื่อพิจารณาว่าต้องการการชุบพิเศษแบบใด (ใช้ทองแดงชุบหนึ่งหรือสองออนซ์ของบอร์ดอาจใช้งานได้ไม่ดีเป็นเวลานาน)

4: พิจารณาใช้ขั้วต่อแบบสองชิ้นที่ทนทานมากกว่าการใช้ขอบนิ้วของบอร์ดพีซี ถ้าเป็นไปได้

5: ตรวจสอบว่าผู้จำหน่ายตัวเชื่อมต่อเสนอการชุบหน้าสัมผัสตัวเชื่อมต่อที่หนาขึ้นเป็นตัวเลือกมาตรฐานหรือแบบกำหนดเอง อย่างที่หลายรายทำหรือไม่ (พิจารณาด้วยว่าเหมาะสมกับรายการวัสดุขั้นสุดท้ายหรือไม่)

6: สำหรับสายเคเบิล ให้ลองดูว่าคุณสามารถใช้สายต่อแบบสั้นที่เปลี่ยนได้ง่าย เพื่อลดการสึกหรอของขั้วต่อหลักหรือไม่ (รูปที่ 5)

7: สุดท้าย ระบุปัญหาที่อาจเกิดขึ้นและพยายามลดรอบการเชื่อมต่อ (แน่นอนว่าพูดง่ายกว่าทำ)

รูปที่ 5 คุณอาจใช้สายต่อแบบสั้นเพื่อลดรอบการเชื่อมต่อของตัวเชื่อมต่อแบบที่ติดกับผลิตภัณฑ์ (แหล่งที่มารูปภาพ: Bill Schweber)

บทสรุป

โดยทั่วไปตัวเชื่อมต่อจะเชื่อถือได้เมื่อใช้ภายในข้อมูลจำเพาะที่กำหนดไว้ อย่างไรก็ตามก็เป็นเรื่องง่ายที่จะมองข้ามขีดจำกัดและเกินพิกัดของรอบการเชื่อมต่อและพารามิเตอร์อื่น ๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในขั้นดีบักและการประเมิน ซึ่งผลลัพธ์อาจเป็นปัญหาที่ไม่ต่อเนื่องที่น่ารำคาญใจและการทำงานผิดปกติของวงจรที่ไม่สามารถอธิบายได้ ใช้เวลาพิจารณาว่าจะใช้ตัวเชื่อมต่ออย่างไรในระยะนี้ และพัฒนากลยุทธ์เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหา

อ่านเพิ่มเติม:

“ใช้ตัวเชื่อมต่อสายแพแบบเสียบโดยตรง เพื่อเพิ่มความคล่องตัวในการประกอบและจำนวน BOM ที่ลดลง”

https://www.digikey.com/en/articles/use-direct-plug-in-insulation-displacement-connectors

“ลดความซับซ้อนในการปรับใช้อุปกรณ์อุตสาหกรรม โดยใช้ตัวเชื่อมต่อโมดูลาร์แบบกำหนดค่าได้”

https://www.digikey.com/en/articles/simplify-industrial-equipment-deployment-using-configurable-modular-connectors