PCB コネクタの主な目的は次の 3 つになります。
1. PCB相互接続:2つのPCB間の剛性(または柔軟な)接続。
2.PCBケーブル接続:外付け周辺機器用の有線接続。
3. PCBプログラミング/デバッグ接続:デバッグやプログラミングに使用されるコネクタ(またはテストポイントアレイ)は、通常、マイクロコントローラやフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)などに使用されます。
これら 3 種類の PCB 接続では、すべての形態の接続と機能は、アプリケーションによって異なります。まず、コネクタをPCBに取り付ける方法として、表面実装とスルーホールの2つの方法があります。もちろん、多くの表面実装方法がありますが、すべての目的のために、コネクタは、ピンビアまたはピンパッドを介してマウントすることができます。これは、設計プロセスで考慮すべきいくつかの初期のトレードオフをもたらします。
設計時に考慮すべきトレードオフ
穴を通してコネクタを取り付けることは多くの利点をもたらしますが、主な利点は通常、機械的な接続を強化することです。これは、ピン/リードがPCBを通過し、通常は上層と下部層にはんだ付けされているためです。アプリケーションによっては、特に信頼性と安全性が最も重要な場合は、このことが非常に重要です。シンプルで使いやすく、頻繁に使用するサイクルがある場合、スルーホール接続は間違いなく信頼性が高くなり、時間の経過とともにデバイスの損傷の可能性が減少します。スルーホールコンポーネントのもう1つの大きな利点は、プロトタイプや修理のために、より簡単にプローブして再加工できることです。
一方、表面実装コネクタは回路基板のスペースを大幅に節約でき(コンポーネントは1つの層にしかはんだ付けされていないため)、用途によっては製造コストや組み立てコストも節約できます。多くのコネクタには線形のポストがありますが、はんだ付けは必要ありません。同様に、表面実装コネクタには多くの場合、より高いピン数密度が含まれ、より小さな領域に信号をパックし、貴重なボードスペースを節約するのに役立ちます図1を参照してください。
図1:PCB上のスルーホール(左)と表面実装(右)接続
回路基板スペースの節約と密度/体積の最適化が製品開発の一般的な原動力であるため、多くの設計には複数の剛性またはフレキシブルな相互接続回路基板が含まれています。この方法は、ボードスペースを節約するだけでなく、より多くのコストを節約します。たとえば、設計に 10 層以上を必要とする 256 ピン ボール グリッド アレイ (BGA) プロセッサ (PCB の製造コストが大幅に増加する) が含まれているが、多くの周辺機器/コネクタと対話する必要がある場合 (2 つのレイヤーまたは 4 層の接続インターフェイスのみが必要な場合があります)。 スペースとコストを節約する方法は、それらを 2 つの PCB に分割することです: 10 層を超える小さな組み込み PCB と、4 つの層とほとんどのペリフェラルコンポーネント (コネクタなど) を持つ別のセカンダリ PCB。一般的に、高密度で高ピン数のボード間接続は、「バックプレーンPCB」に「MCU PCB」を取り付けるために使用されます。
ディスプレイやボタンなど、多くのサテライト PCB が必要な場合は、柔軟な接続を使用できます。フレックスケーブルと呼ばれることが多く、LCDとモーターの接続によく見られ、通常は曲げ半径(構造をコンパクトで小さくするのに役立ちます)とアセンブリに関連する物理的なストレスを減らすのに役立ちます。フレキシブル接続は、コネクタに挿入された別のケーブルでも、PCBを使用して直接行うことができます。図 2 は、多くの (プラグ不可) フレキシブル ケーブル接続を備えたカメラ レンズを示し、図 3 は、フレキシブル ケーブルを統合した "リジッドフレキシブル" PCB の違いを示しています。設計とサプライヤーへの割り当てが困難な場合がありますが、リジッドフレックス技術を使用すると、生産コストを大幅に削減し、設計の信頼性とタイト化を大幅に支援できます。ただし、2 つの PCB は物理的に分離できないため、リジッドフレキシブルな組み合わせの組み立てがより困難になる場合があります。
図2:フレキシブルケーブル付きカメラレンズアセンブリ
図 3: 剛性に優れた PCB テクノロジ
コネクタの適用を検討する
ケーブル接続をテーマにしながら、考慮すべき他の重要な問題を迅速に解決しましょう。1つのテーマは使いやすさであり、完璧な例は標準のUSBポートです。
USB コネクタは、現在の容量、信号密度、USB-C を使用したリバーシブルな非指向性接続など、さまざまな方法で強化されてきました。逆に、一方向 (従来の USB 2.0 コネクタなど) のみを許可する矢印キーを持つコネクタは、ユーザーを誘導し、接続エラーを防ぐのに役立ちます。ロック接続は通常、機械的サポートを向上させ、回転プラグ(BNCコネクタ)または圧縮ラグ(RJ-45ネットワークケーブル)を必要とする場合があります。基本的に、コネクタを再利用する必要がある場合は、使いやすさがユーザーにとって最優先の原則となります。
一部のアプリケーションでは、長距離にわたって高速で敏感な接続が必要であり、光ファイバーを使用する必要があります。光ファイバ接続には、シングルモード、マルチモード、およびプラスチック光ファイバ(POF)の3つのタイプがあります。マルチモード接続では、帯域幅が高くなりますが、分散と減衰率が高いため、長距離アプリケーションでは通常損失が発生するため、短い LAN ベースの接続に最適です。シングルモードは長距離にわたって十分に機能するので、RFブロードバンド(お住まいの地域のケーブル会社)などのアプリケーションに最適です。さらに、周辺機器コンポーネント相互接続 (PCI) などの接続を経由した並列データ バスは、一般的に USB などのシリアル接続よりはるかに高速です (ただし、USB-C では並列接続も可能です)。アプリケーションの速度とパフォーマンスにより、これらの相互接続の定義方法が決まります。
航空宇宙や軍事などの特定のアプリケーションでは、過酷な労働条件が最終的に需要の増加につながる可能性があります。一部のコネクタは、電磁干渉(EMI)、静電放電(ESD)、振動、および/または湿気に対して特別な保護を備えています。設計者にとって、コネクタをシールドするかどうかは一般的な決定です。シールドコネクタ(一部の導電性金属で覆われており、EMIガスケットを含む場合もあります)は、有害な放射線や局在する磁場に対してより高いレベルの保護を提供できますが、一般的には非シールド代替手段よりもかさばったり高価です。シェルと対応するピンを備えたコネクタは、ヒューマンタッチまたは他のローカルな過渡的なソースによって導入されたESDを支援するために接地することができます。一部のコネクタには、衝撃性と高信頼性のアプリケーションに対応するための衝撃吸収コンタクトが含まれています。最後に、外部の水分から保護する必要がある接続には、シールが含まれる(または使用できるようにする)ことがよくあります。図 4 は、共通接続におけるこれら 4 つのバリエーションをすべて示しています。
図4 :(LR) シールド DC 電源ジャック、シールド/接地 RJ-45 ジャック、防振に耐えるボード間コネクタ、および防水 USB コネクタ
高負荷のアプリケーションでは、最大の電流または電圧定格を持つコネクタを選択すると、設計プロセスをスピードアップできます。一部のコネクタには、データと電源接続をサポートする混合信号ピンが含まれています。一般に、電源ピンの電流容量が大きく、太くなる可能性があるため、2 つの電源コネクタとデータ コネクタ/ケーブルを使用しないようにすることができます。
AC電圧アプリケーションは、コネクタの選択を駆動することができ、各ピン間の最小ギャップまたは間隔を必要とします(最大電圧に応じて)。これはアークを防ぐのに役立ち、システムとオペレータに有害な可能性があります。コネクターは常に定格電力をリストします。設計時にこれらの仕様に従い、良好なマージンを確保することが重要です。
最後に、場合によっては最良の(そして最も安い)ソリューションは、コネクタを露出し、単にバネロードインターフェイス用に露出銅パッドを使用することです。より小さなフォームファクタを提供しながら、コンポーネントコストを削減し、(PCBの位置の柔軟性に基づいて)より簡単に検出することができます。プログラミングまたはテストインターフェイスは、最も一般的なアプリケーションの 1 つです。埋め込み設計には通常、デバッグポートやプログラミングポートが含まれますが、通常はコネクタが使用されない場合(運用またはサービスでのみコネクタを使用する理由)?Tag-Connect などのケーブル (図 5 参照) テクノロジーは、より小さなフォーム ファクタと低コストのソリューションを提供できます。通常はテストポイントとしてのみ使用されますが、ポゴピンベースの接続ではパッド配列も考慮する必要があります。
図 5: タグ接続のポゴピン ケーブル技術
PCB設計キットは助けることができる
今日では、多くのCADプログラムは3Dビジュアライゼーションと機械ファイルのインポート/エクスポートのサポートを持っています。例として、ソリッドワークス電気(SWE)があります。従来は機械設計用のCADプログラムで、Solidworks用の電気キットを、回路図的に定義されたPCBおよび関連する接続と容易に統合することができます。設計者の利点としては、相互接続の定義やケーブル仕様の生成、配線図、他の PCB 設計プログラムで使用できるファイルを作成し、システム相互接続を完全に視覚化できる電気設計ツールがあります。多くのPCB設計プログラムには3D可視化機能が含まれていますが、一部のプログラムでは、PCBシェイプ(2Dファイル経由)の定義やコンポーネントパッケージのインポート(3Dファイル経由)を可能にし、干渉のチェックやコネクタ位置の最適化に大きく役立ちます。
結論として
PCB接続の設計は、通常、ユーザーの要件から始まり、設計要件を考慮し、特別な機能が必要かどうかを判断するアプリケーションに完全に依存します。忘れられがちなのは、合理的なシンプルさとコストで製造および組み立てられるように、製造要件も考慮する必要があるということです。
さまざまな形状およびサイズの PCB 設計キットには、設計反復のリスクを大幅に軽減し、コネクタの配置を最適化するのに役立つ機械的関連機能が含まれています。
