【導(dǎo)讀】眾所周知，PCB板設(shè)計(jì)是電子設(shè)計(jì)工程師必須具備的一項(xiàng)基本功，也是檢驗(yàn)硬件工程師技術(shù)實(shí)力的試金石。不過，如果你希望在“畫板子”這種板級設(shè)計(jì)之外，還能夠向電子產(chǎn)品的系統(tǒng)級設(shè)計(jì)進(jìn)階，那么PCB之間的互連設(shè)計(jì)，就成了一個(gè)必須掌握的技能點(diǎn)。
之所以要考慮PCB之間的互連，原因很好理解：如今電子系統(tǒng)日趨復(fù)雜，再考慮到系統(tǒng)擴(kuò)展性的要求，想要將所有功能在一塊大PCB上實(shí)現(xiàn)顯然是不可能的，因此就需要化整為零，將不同的功能放在不同的PCB上來實(shí)現(xiàn)，再將這些“小”PCB相互連接起來構(gòu)建完整的大系統(tǒng)。
但是這說起來容易，在實(shí)戰(zhàn)中，如何通過優(yōu)化的布局讓PCB各就其位，合理地安放在系統(tǒng)中，往往是一件令工程師困擾的麻煩事。在許多設(shè)備的機(jī)箱中，我們都能見到由于“無處安放”而被草草放置的PCB。
想要合理地“安放”好所用的PCB，讓它們各得其所，又能夠彼此可靠互連，這其中有不少技術(shù)問題要仔細(xì)考慮。
#1 首先，要充分考慮空間利用最大化的問題，這就要求在設(shè)計(jì)中盡可能使用高密度、緊湊型的互連解決方案。
#2 其次，也需要考慮互連方案的可擴(kuò)展性，確保其能夠提供足夠多的產(chǎn)品選項(xiàng)以應(yīng)對多樣化的設(shè)計(jì)需求，提供更大的設(shè)計(jì)靈活性。
#3 再有，現(xiàn)場的易裝配、可維修性也十分關(guān)鍵，這可以大大減少設(shè)備維護(hù)、檢修等成本和勞動強(qiáng)度，同時(shí)也有利于減少人員操作失誤的發(fā)生。
#4 此外，在工業(yè)等復(fù)雜環(huán)境的應(yīng)用中，在EMC和安全防護(hù)方面通常還會有更高的要求。
#5 最后，最終設(shè)計(jì)的方案還需要考慮美觀、井然有序，并符合設(shè)計(jì)規(guī)范，這才是“工程師美學(xué)”的更高境界。
想要實(shí)現(xiàn)以上這些設(shè)計(jì)目標(biāo)，就需要PCB方案產(chǎn)品來提供助力。今天，我們就來為大家介紹兩種常用且非常實(shí)用的解決方案：板對板連接器和模塊化的電子殼體。
板對板連接器
硬件工程師對板對板連接器一定不會陌生，與其他連接器相比，板對板連接器無需線纜，通過針腳直接將PCB板連接在一起，讓電源、信號與數(shù)據(jù)的傳輸鏈路更短，設(shè)計(jì)也更為緊湊，因此其在低功耗、信號完整性、小型化設(shè)計(jì)等方面發(fā)揮著不可替代的作用。同時(shí)，板對板連接器對于實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展、提升設(shè)計(jì)靈活性、優(yōu)化系統(tǒng)成本等也大有裨益。
總而言之，板對板連接器能夠在有限的空間內(nèi)，讓不同PCB之間的連接更加“隨心所欲”，以避免出現(xiàn)PCB難于“安放”的尷尬問題。
Phoenix Contact的FINEPITCH系列產(chǎn)品就是一個(gè)優(yōu)秀的板對板連接器系列。該系列中0.8mm和1.27mm間距的產(chǎn)品，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)16Gbps，額定測試電壓為500VAC，工作溫度范圍-55°C至+125°C，能夠?qū)崿F(xiàn)在較小空間內(nèi)的信號和數(shù)據(jù)傳輸，非常適合于工業(yè)PCB連接。
圖1：FINEPITCH系列板對板連接器
（圖源：Phoenix Contact）
FINEPITCH系列板對板連接器之所以性能表現(xiàn)不俗，其中0.8mm版本采用的ScaleX雙面觸點(diǎn)系統(tǒng)更是功不可沒，該技術(shù)對于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定而靈活的PCB連接起到了關(guān)鍵的作用。
圖2：ScaleX雙面觸點(diǎn)系統(tǒng)
（圖源：Phoenix Contact）
首先，ScaleX技術(shù)采用內(nèi)外雙觸頭設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)孔式和針式兩種連接，即使在緊湊的空間內(nèi)也具有良好的抗振性能，確保了穩(wěn)固而可靠的連接。
其次，ScaleX觸點(diǎn)系統(tǒng)還有相當(dāng)出色的“容錯(cuò)”設(shè)計(jì)——其提供的公差補(bǔ)償功能，在配接時(shí)允許±0.7mm的中心偏移，以及2°/4°的傾斜度偏差，可有效防止殼體內(nèi)部觸頭因錯(cuò)配造成的損壞，令連接器更加堅(jiān)固耐用。
圖3：ScaleX技術(shù)出色的公差補(bǔ)償功能
（圖源：Phoenix Contact）
此外，ScaleX觸點(diǎn)系統(tǒng)具有針式和孔式兩種連接方式，可實(shí)現(xiàn)不同的堆疊高度——0.8mm系列堆疊高度為6mm至12mm（未來會擴(kuò)展到20mm），1.27mm系列堆疊高度在8mm到13.8mm之間，給用戶提供更多產(chǎn)品選項(xiàng)。同時(shí)，插配時(shí)針式連接器可完全插入孔式連接器，這時(shí)僅留最小的PCB板間距；而如果想增大板間距，針式連接器可露出接觸區(qū)域外最多1.5mm，且保始終留有至少0.9mm可靠的接觸區(qū)域，這樣的特性使其能夠在產(chǎn)品設(shè)計(jì)或應(yīng)用場景發(fā)生變化時(shí)，提供足夠的互連靈活性。
圖4：ScaleX技術(shù)可擴(kuò)展的堆疊高度支持更大的靈活性
（圖源：Phoenix Contact）
在上述這些共同的優(yōu)勢特性基礎(chǔ)上，F(xiàn)INEPITCH系列連接器0.8mm和1.27mm兩個(gè)子系列產(chǎn)品還各具特色，以滿足特定目標(biāo)應(yīng)用的要求。
0.8mm間距FINEPITCH連接器的一大特色，在于可以提供出色的EMC屏蔽性能。在該屏蔽型連接器的設(shè)計(jì)上，孔式連接器和針式連接器之間有很多屏蔽轉(zhuǎn)換點(diǎn)，可將干擾電流快速釋放，同時(shí)良好的焊接工藝確保了與PCB間的穩(wěn)固連接，將兩個(gè)外部觸頭同時(shí)接地，即可實(shí)現(xiàn)出色的屏蔽，防止信號干擾。
圖5：0.8mm FINEPITCH連接器具有出色的EMC屏蔽性能
（圖源：Phoenix Contact）
1.27mm系列產(chǎn)品的一大突出特點(diǎn)就是可以實(shí)現(xiàn)多種連接方式，包括夾層連接、共面連接、母板與子卡連接，以及采用扁平電纜的線對板連接，這使其可適應(yīng)多樣化的互連需求，讓PCB的連接更為靈活。
圖6：1.27mm FINEPITCH連接器可實(shí)現(xiàn)多種連接
（圖源：Phoenix Contact）
由此可見，F(xiàn)INEPITCH系列這樣的板對板連接器，集PCB連接的可靠性、耐用型、靈活性于一身，可以幫助開發(fā)者在有限的空間內(nèi)將不同的PCB“安放”妥帖。這樣的解決方案在廣泛的工業(yè)應(yīng)用中自然會大受歡迎。
模塊化的殼體系統(tǒng)
在人們傳統(tǒng)的認(rèn)知中，電子設(shè)備的殼體主要的功能是對內(nèi)部的PCB和組件提供保護(hù)，使其免受外部環(huán)境的影響，同時(shí)也能夠防止人員受到電氣傷害。而實(shí)際上在保護(hù)功能之外，電子設(shè)備殼體還兼具互連的作用，是殼體內(nèi)部電路或模塊與外部系統(tǒng)相互連接的界面。
在復(fù)雜的控制系統(tǒng)（如PLC）中,如何通過殼體讓PCB與系統(tǒng)中其他組件完美地“融”為一體，而非成為“格格不入”的存在，是一個(gè)十分考驗(yàn)工程師系統(tǒng)級設(shè)計(jì)能力的課題。面對這一挑戰(zhàn)，Phoenix Contact解決方案選擇的技術(shù)路徑是標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化。
大家知道，在工業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，DIN導(dǎo)軌由于為電氣組件提供了一種便捷的安裝方式，被廣泛應(yīng)用并成為了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，支持該標(biāo)準(zhǔn)的組件無需螺絲固定而是被“卡”在DIN導(dǎo)軌上，整個(gè)裝配過程十分簡便。由此，Phoenix Contact產(chǎn)生了一個(gè)殼體的設(shè)計(jì)思路：
開發(fā)出一種符合DIN導(dǎo)軌標(biāo)準(zhǔn)的殼體，這樣就能夠讓PCB和電子模塊像其他電氣組件一樣也被整齊地“安放”在DIN導(dǎo)軌上，并與其他外部功能模塊實(shí)現(xiàn)有序地連接；同時(shí)，在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，再通過模塊化的設(shè)計(jì)，形成多功能、系列化的殼體產(chǎn)品，以適應(yīng)不斷擴(kuò)展的應(yīng)用所需。
按照這一設(shè)計(jì)思路，Phoenix Contact打造出了ME-IO系列多功能電子模塊殼體。
圖7：ME-IO系列多功能電子模塊殼體
（圖源：Phoenix Contact）
ME-IO殼體系統(tǒng)的優(yōu)勢特性包括：
1. 采用正面接線，支持正面直插式連接，可輕松實(shí)現(xiàn)信號、數(shù)據(jù)和電源線的現(xiàn)場連接。
2. 接線密度高，腳距3.45mm和5.0mm，可提供4位和6位連接器，18.8mm的單個(gè)設(shè)備總寬度可實(shí)現(xiàn)多達(dá)54個(gè)接線位。
3. 提供三種模塊寬度（18.8mm、37.6mm和75.2mm），適用于多種應(yīng)用場合。
4. 拆裝便捷，采用鎖放系統(tǒng)，可快速輕松地鎖緊和松開連接器，無需特殊工具和耗時(shí)的接線作業(yè)即可快速更換模塊。
5. 連接器和插座配備多種防插錯(cuò)編碼元件，可提高插接接口時(shí)的可靠性。
6. 提供8位DIN導(dǎo)軌底部連接器，可輕松實(shí)現(xiàn)模塊間通信。
7. 借助模塊固定帶，可在有限空間內(nèi)對連接器進(jìn)行任意機(jī)械分組，進(jìn)一步簡化操作，提高效率。
想象一下，在有限的空間內(nèi)，將PCB置于ME-IO系列模塊化的殼體內(nèi)，安裝方便，連接便捷，兼顧安全和美觀，還能不斷擴(kuò)展出新的殼體模塊滿足新的設(shè)計(jì)要求，這無疑可以將工業(yè)PCB互連設(shè)計(jì)提升到一個(gè)新境界！
本文小結(jié)
當(dāng)硬件工程師將視野從PCB的板級設(shè)計(jì)擴(kuò)展到整個(gè)產(chǎn)品或方案的系統(tǒng)級設(shè)計(jì)時(shí)，就會發(fā)現(xiàn)各個(gè)PCB的布局和安放，是繞不過去的一道坎兒。邁不過去，就會出現(xiàn)PCB“無處安放”的現(xiàn)象。
表面上這看似是一個(gè)設(shè)計(jì)“美觀”的問題，而深層次反應(yīng)出的則是PCB互連設(shè)計(jì)上的短板。想要補(bǔ)齊這一短板，板對板連接器、模塊化的殼體系統(tǒng)都是不錯(cuò)的解決方案。本文所介紹的Phoenix Contact提供的相關(guān)產(chǎn)品和方案，就是一個(gè)很好的例證。掌握了這些技能點(diǎn)，你的系統(tǒng)級設(shè)計(jì)水平，也能上一個(gè)新臺階！
相關(guān)技術(shù)資源
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來源：貿(mào)澤電子
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