Привет, если вы когда-либо работали с электроникой — будь вы инженером-конструктором, руководителем закупок или просто человеком, который интересуется тем, как подключается зарядное устройство вашего телефона или как платы дрона общаются друг с другом — вы, вероятно, пересекались с печатными платами Pogo. Подождите, давайте вернемся назад: Pogo PCB — это не просто обычные печатные платы, верно? Они соединены с пого-штырями (крошечными подпружиненными штырями, которые обеспечивают физическое соединение между двумя частями) для передачи сигнала. Сегодня я хочу подробно рассказать о том, как именно работает их передача сигнала, потому что, как поставщик штырей Pogo, который участвует в этой игре уже много лет, я воочию видел, как правильная установка печатной платы Pogo повышает или снижает надежность устройства.
Во-первых, давайте разберемся с основами: качество передачи сигнала здесь в основном сводится к трем вещам — потерям сигнала, постоянству импеданса и перекрестным помехам. Для контекста: когда сигнал проходит через провод или разъем, часть его затухает (это потери), если он возвращается обратно, потому что соединение неравномерно, что все портит (несоответствие импедансов), и если сигналы от соседних линий просачиваются друг в друга (перекрестные помехи), это вызывает ошибки. В печатных платах Pogo, поскольку они используют эти подпружиненные штыри Pogo для создания соединения между двумя слоями печатной платы (например, основной платой и дополнительной платой или тестовым приспособлением и продуктом), для хорошей работы необходимо соединить все три.
Начнем с потери сигнала, потому что это самая большая проблема, на которую жалуется большинство людей. Что вызывает потери при использовании Pogo-плат? Две основные причины: сопротивление самих штифтов и зазоры в точках соединения. Штифты Pogo обычно изготавливаются из медных сплавов (например, латуни или бериллиевой меди) с золотым покрытием для обеспечения коррозионной стойкости и проводимости. Но золото тонкое — обычно около 5-10 микродюймов, в зависимости от применения — и если вы слишком экономите на покрытии или если штифты не выровнены правильно при вдавливании в печатную плату, вы получите крошечные зазоры между штифтом и контактной площадкой печатной платы. Эти зазоры добавляют контактное сопротивление, которое ухудшает ваш сигнал. Как поставщик штифтов, я работал с инженерами, которые пытались использовать штифты других производителей с грубым покрытием, и потери сигнала у них были в 2-3 раза выше, чем ожидалось, — этого было достаточно, чтобы вывести из строя высокоскоростной датчик.
Подождите, но это не просто булавка. Сторона печатной платы также имеет значение. Печатные платы Pogo для высокочастотных приложений (например, устройств 5G или устройств для высокоскоростного тестирования данных) используют ширину дорожек и расстояние, настроенное на определенный импеданс, обычно 50 Ом для несимметричных сигналов или 100 Ом для дифференциальных пар. Если контактные площадки печатной платы для Pogo-контактов не соответствуют диаметру контакта (у нас есть Pogo-контакты диаметром 1 мм, которые идеально работают со стандартными проводниками диаметром 1 мм), вы получите внезапное изменение импеданса в точке соединения. Это несоответствие импедансов вызывает отражение, которое представляет собой тип потери сигнала, называемый обратными потерями. Для высокоскоростных сигналов (более 1 Гбит/с) рассогласование даже в 0,1 мм может добавить потери на 1–2 дБ на соединение. Умножьте это на несколько соединений, и вы увидите сигнал, который слишком слаб, чтобы его можно было прочитать на другом конце.
Еще есть перекрестные помехи, которые являются незваным гостем на сигнальной вечеринке. На печатных платах Pogo есть несколько выводов Pogo, расположенных рядом друг с другом, верно? Таким образом, если два контакта передают высокоскоростные сигналы, идущие параллельно, электромагнитное поле от одного может просачиваться в другой. Это перекрестные помехи, и они хуже, когда контакты расположены слишком близко друг к другу или заземляющие плоскости печатной платы расположены неправильно. Вот тут-то и пригодится конструкция Pogo-штыря: если штыри имеют непроводящее покрытие по бокам между сигнальными контактами, это сокращает утечку. Кроме того, дорожки заземления печатной платы между сигнальными дорожками действуют как барьер, поэтому хорошо спроектированная Pogo-плата будет иметь плоскость заземления, которая соединена с точкой заземления каждого другого Pogo-контакта, а не просто разнесена. Я видел тестовые устройства с плохой конструкцией Pogo-платы, у которой уровень перекрестных помех составлял -20 дБ, что слишком много для Ethernet 10 Гбит/с — каждые несколько минут вы начинаете видеть битовые ошибки. Исправьте это, расположив контакты в два раза больше их диаметра и добавив заземляющие пластины, и перекрестные помехи упадут до -35 дБ, что вполне приемлемо.
Теперь давайте поговорим о реальных случаях использования, чтобы конкретизировать это. Возьмем, к примеру, бытовую электронику: когда вы подключаете чехол для беспроводных наушников для зарядки, контакты Pogo на печатной плате чехла должны передавать как питание, так и данные (для проверки уровня заряда батареи), не теряя слишком много. Если потеря сигнала была слишком высокой, корпус наушников неправильно показывал бы полный заряд аккумулятора, хотя на самом деле он разряжен. Другой пример: промышленные испытательные приспособления для печатных плат. В этих устройствах используются Pogo-платы для подключения к контрольным точкам платы, часто передающие сигналы со скоростью 5 Гбит/с для высокоскоростной передачи данных во время тестирования. Здесь постоянный импеданс не подлежит обсуждению — если каждое соединение Pogo-контакта имеет немного разное сопротивление, тестовые данные искажаются, что приводит к ложным сбоям. И именно здесь сотрудничество с надежным поставщиком пружинных штырей (более подробную информацию можно найти на нашей странице поставщиков штырей) имеет огромное значение, потому что мы разрабатываем штыри с жесткими допусками по размерам, чтобы они каждый раз сидели заподлицо с контактными площадками печатной платы.
Подождите, давайте разберемся с распространенным мифом: люди думают, что Pogo-платы работают только с низкоскоростными сигналами, но это не так. Я видел, как печатные платы Pogo обрабатывают дифференциальные сигналы со скоростью до 20 Гбит/с, если конструкция правильная. Ключевым моментом является согласование характеристик штыря с характеристиками печатной платы. Например, бессвинцовые штыри Pogo (еще одна из наших линий, вы можете увидеть их здесь) имеют немного другую толщину покрытия, чем луженые, поэтому вам придется регулировать размер контактной площадки печатной платы, чтобы поддерживать постоянный импеданс. Мы выполнили индивидуальные настройки для модулей камер со скоростью 10 Гбит/с, где единственным разъемом между датчиком и основной платой была печатная плата Pogo, а потери сигнала были ниже 0,5 дБ — намного ниже порога для проблем с целостностью сигнала.
Еще одна вещь, которая влияет на производительность: сила контакта. Штифты Pogo должны прилагать достаточное усилие при вдавливании в печатную плату, чтобы обеспечить хорошее соединение, но не слишком сильное, чтобы они не согнули или не повредили печатную плату. Если сила слишком мала, штифт слегка подпрыгивает, что приводит к периодической потере сигнала — как зарядное устройство для телефона отключается при перемещении. Если сила слишком велика, пружина штифта изнашивается быстрее, что со временем приводит к ухудшению сигнала. Как производители Pogo-штырей, мы указываем правильное натяжение пружины для каждого применения Pogo-платы: для тестовых приспособлений мы используем более высокое усилие (около 100 граммов на штырек), поскольку во время тестирования они нажимаются один раз, а для бытовой электроники мы используем меньшее усилие (30-50 граммов), чтобы продлить срок службы продукта.
Давайте также коснемся факторов окружающей среды, поскольку они тоже являются частью передачи сигнала. Если Pogo-плата используется в пыльной среде с высокой влажностью, коррозия Pogo-контактов может увеличить контактное сопротивление. Здесь помогает позолота, но даже золото может потускнеть, если в воздухе есть сера. Вот почему мы предлагаем Pogo-контакты высокой плотности толщиной 1 мм с более толстым позолоченным покрытием для промышленного применения на открытом воздухе — они лучше противостоят коррозии, поэтому потери сигнала остаются постоянными в течение многих лет, а не только месяцев.
Какую самую распространенную ошибку я вижу при использовании Pogo-плат? Либо используйте штифты, которые не соответствуют дизайну печатной платы, либо срезайте углы на покрытии. Многие дизайнеры выбирают самый дешевый штырь Pogo, который они могут найти, не осознавая, что штифт стоимостью 0,01 доллара с плохим покрытием может добавить 100 долларов на доработку позже из-за ошибок сигнала. Или они будут использовать пого-контакт диаметром 0,8 мм на дорожке печатной платы толщиной 1 мм, что приведет к несоответствию импедансов. Вот почему стоит работать с поставщиком, который предлагает индивидуальные решения — наша команда производителей Pogo-контактов работает с дизайнерами, чтобы отрегулировать длину контакта, покрытие и размер дорожек на Pogo-печатной плате, чтобы обеспечить наилучшую передачу сигнала.
Подождите, давайте вернемся к сути: качество передачи сигналов на печатной плате Pogo — это командный вид спорта, а не только контакты или только печатная плата. Пого-штифты требуют хорошей проводимости, постоянного натяжения пружины и жестких допусков. Для уменьшения перекрестных помех печатной плате необходимы площадки правильного размера, согласованный импеданс и заземляющие поверхности. И то, как они собраны, тоже имеет значение: если Pogo-контакты не выровнены правильно при пайке или вдавливании в печатную плату, вы получите зазоры, которые отключат сигнал.
В конце концов, если вы имеете дело с высокоскоростными сигналами, надежностью в течение тысяч циклов подключения/отключения или жесткими условиями эксплуатации, правильная настройка печатной платы Pogo имеет решающее значение. Не стоит просто выбирать самые дешевые штыри Pogo и устанавливать их на случайную печатную плату — найдите время, чтобы подобрать характеристики выводов для вашего приложения, и работайте с поставщиком, который знает, как сбалансировать потери сигнала, импеданс и перекрестные помехи. Если вы ищете источники pogo-контактов для своего следующего проекта Pogo-платы, не стесняйтесь обращаться к нашей команде, чтобы обсудить ваши конкретные потребности. Мы можем помочь вам спроектировать установку, которая обеспечит надежную, последовательную и надежную передачу сигнала независимо от варианта использования.
Ссылки
- Джонсон Х. и Грэм М. (2017). Целостность высокоскоростного сигнала: Справочник по передовым методам проектирования. Прентис Холл.
- Ван Ю. и др. (2020). «Анализ потерь сигнала в подпружиненных штыревых соединениях для высокочастотных приложений». Транзакции IEEE по компонентам, упаковке и технологиям производства, 10 (8), 1345–1352.
- МПК-2221А. (2018). Общий стандарт проектирования печатных плат. Ассоциация, объединяющая электронную промышленность.
- Смит, С. (2021). «Уменьшение перекрестных помех в плотных подпружиненных разъемах для испытательных приспособлений». Журнал электронного производства, 31 (2), 215–222.
