عملکرد انتقال سیگنال یک برد مدار چاپی pogo چگونه است؟

سلام، اگر تا به حال با الکترونیک کار کرده اید - چه مهندس طراحی، چه یک مدیر تدارکات، یا فقط کسی که از نحوه اتصال شارژر تلفن شما یا صحبت کردن بردهای مدار پهپاد با یکدیگر مطلع است - احتمالاً با PCB های pogo تلاقی کرده اید. صبر کنید، بیایید نسخه پشتیبان تهیه کنیم: PCBهای pogo فقط یک برد مدار معمولی نیستند، درست است؟ آنها با پین های pogo (کوچولوهای کوچک فنری که ارتباط فیزیکی بین دو قسمت را برقرار می کنند) برای انتقال سیگنال جفت شده اند. امروز، می‌خواهم نحوه عملکرد انتقال سیگنال آن‌ها را دقیقاً توضیح دهم، زیرا به‌عنوان یک تامین‌کننده پین ​​pogo که سال‌ها در این بازی بوده‌ام، از نزدیک دیده‌ام که چگونه راه‌اندازی صحیح PCB pogo باعث می‌شود یا قابلیت اطمینان دستگاه را خراب می‌کند.

اول، بیایید اصول اولیه را به طور مستقیم بیان کنیم: عملکرد انتقال سیگنال در اینجا اساساً به سه چیز خلاصه می شود: کاهش سیگنال، ثبات امپدانس و تداخل. برای زمینه، وقتی سیگنالی از طریق سیم یا کانکتور عبور می کند، مقداری از آن خاموش می شود (این از دست دادن است)، اگر به دلیل یکنواخت نبودن اتصال که همه چیز را به هم می زند (عدم تطابق امپدانس)، و اگر سیگنال های خطوط مجاور به یکدیگر بریزند (تقاطع)، باعث ایجاد خطا می شود. PCB های Pogo، از آنجایی که از آن پین های pogo با فنر برای ایجاد اتصال بین دو لایه PCB (مانند برد اصلی و یک تخته فرعی، یا یک دستگاه تست و یک محصول) استفاده می کنند، باید هر سه را میخکوب کنند تا به خوبی کار کنند.

بیایید با از دست دادن سیگنال شروع کنیم، زیرا این بزرگترین نقطه درد است که اکثر مردم از آن شکایت دارند. چه چیزی باعث از بین رفتن PCB های pogo می شود؟ دو مقصر اصلی: مقاومت در خود پین های پوگو و شکاف در نقطه اتصال. پین‌های پوگو معمولاً از آلیاژهای مس (مانند برنج یا مس بریلیم) با روکش طلا برای مقاومت در برابر خوردگی و رسانایی ساخته می‌شوند. اما طلا نازک است - معمولاً در حدود 5 تا 10 میکرو اینچ، بسته به کاربرد - و اگر در آبکاری بسیار ارزان قیمت باشید، یا اگر پین‌های pogo در هنگام فشار دادن به PCB درست در یک راستا قرار نگیرند، شکاف‌های کوچکی بین پین و صفحه تماس PCB ایجاد می‌شود. این شکاف‌ها مقاومت تماسی را اضافه می‌کنند که سیگنال شما را کاهش می‌دهد. به‌عنوان تامین‌کننده پین ​​پوگو، من با مهندسانی کار کرده‌ام که سعی کردند از پین‌های پوگو با نام تجاری غیرمعمول با آبکاری خشن استفاده کنند، و تلفات سیگنال آن‌ها 2 تا 3 برابر بیشتر از حد انتظار بود – به اندازه‌ای که باعث از کار افتادن یک سنسور با سرعت بالا می‌شد.

صبر کنید، اما این فقط پین نیست. طرف PCB نیز مهم است. PCB های Pogo برای برنامه های با فرکانس بالا (مانند دستگاه های 5G یا تجهیزات تست داده با سرعت بالا) از عرض ردیابی و فاصله تنظیم شده برای یک امپدانس خاص استفاده می کنند، معمولاً 50 اهم برای سیگنال های تک سر یا 100 اهم برای جفت های دیفرانسیل. اگر صفحه های تماس PCB برای پین های pogo اندازه ای برای مطابقت با قطر پین نداشته باشند (ما کنتاکت های pogo 1 میلی متری داریم که با ردهای استاندارد 1 میلی متری کاملاً کار می کنند)، یک تغییر امپدانس ناگهانی در نقطه اتصال دریافت می کنید. این عدم تطابق امپدانس باعث انعکاس می شود که نوعی از دست دادن سیگنال است که از دست دادن بازگشت نامیده می شود. برای سیگنال‌های پرسرعت (بالاتر از 1 گیگابیت در ثانیه)، حتی عدم تطابق 0.1 میلی‌متری می‌تواند 1-2 دسی‌بل تلفات را در هر اتصال اضافه کند. آن را در چند اتصال ضرب کنید، و به سیگنالی نگاه می کنید که برای خواندن در انتهای دیگر آنقدر ضعیف است.

سپس تداخل وجود دارد، که مهمان ناخوانده در مهمانی سیگنال است. PCB های Pogo دارای یک دسته پین ​​pogo هستند که در کنار یکدیگر قرار گرفته اند، درست است؟ بنابراین اگر دو پین سیگنال‌های پرسرعت را به موازات یکدیگر حمل کنند، میدان الکترومغناطیسی یکی می‌تواند به دیگری نشت کند. این یک تداخل است، و وقتی پین ها خیلی نزدیک به هم هستند یا صفحات زمین PCB درست قرار نگرفته اند بدتر است. طراحی پین pogo به اینجا می‌آید: اگر پین‌ها یک پوشش غیر رسانا در طرفین بین کنتاکت‌های سیگنال داشته باشند، این نشتی را کاهش می‌دهد. همچنین، ردپای زمین PCB بین ردیابی سیگنال مانند یک مانع عمل می کند، بنابراین یک PCB pogo که به خوبی طراحی شده است، یک صفحه زمینی خواهد داشت که به هر نقطه زمین دیگر پین pogo متصل است، نه فقط با فاصله. من تجهیزات آزمایشی را با طراحی بد PCB pogo دیده‌ام که دارای سطوح تداخل -20 دسی‌بل بودند، که برای اترنت 10 گیگابیت در ثانیه بسیار زیاد است—شما شروع به مشاهده خطاهای بیتی هر چند دقیقه می‌کنید. با فاصله دو برابر قطر پین ها و اضافه کردن سطوح زمین، این مشکل را برطرف کنید و تداخل به -35 دسی بل کاهش یابد که کاملاً قابل قبول است.

حالا بیایید در مورد موارد استفاده در دنیای واقعی برای ساختن این بتن صحبت کنیم. لوازم الکترونیکی مصرفی را در نظر بگیرید: وقتی یک کیس هدفون بی‌سیم را برای شارژ وصل می‌کنید، پین‌های pogo روی PCB کیس باید هم نیرو و هم داده را (برای بررسی سطح باتری) بدون از دست دادن مقدار زیادی انتقال دهند. اگر از دست دادن سیگنال خیلی زیاد بود، قاب هدفون به اشتباه باتری را کامل نشان می‌دهد، وقتی واقعاً کم است. مثال دیگر: تجهیزات تست صنعتی برای بردهای مدار. این وسایل از PCB های pogo برای اتصال به نقاط تست برد استفاده می کنند که اغلب سیگنال هایی را با سرعت 5 گیگابیت در ثانیه برای انتقال داده با سرعت بالا در طول آزمایش اجرا می کنند. در اینجا، امپدانس ثابت غیرقابل مذاکره است – اگر اتصال هر پین pogo دارای امپدانس کمی متفاوت باشد، داده‌های تست مخدوش می‌شوند و منجر به خرابی‌های کاذب می‌شوند. و اینجاست که کار با یک تامین‌کننده معتبر پین پوگو (برای جزئیات، صفحه تامین‌کننده پین ​​پوگو ما را بررسی کنید) تفاوت بزرگی ایجاد می‌کند، زیرا ما پین‌هایی را با تلورانس‌های ابعادی دقیق مهندسی می‌کنیم تا هر بار با پدهای PCB همسطح قرار گیرند.

صبر کنید، بیایید به یک افسانه رایج بپردازیم: مردم فکر می کنند PCB های pogo فقط برای سیگنال های با سرعت پایین کار می کنند، اما این درست نیست. من PCBهای pogo را دیده‌ام که سیگنال‌های دیفرانسیل تا 20 گیگابیت در ثانیه را زمانی که طراحی درست است، کنترل می‌کنند. کلید تطبیق ویژگی های پین pogo با PCB است. برای مثال، پین‌های پوگو بدون سرب (یکی دیگر از خطوط ما، می‌توانید آن‌ها را اینجا ببینید) ضخامت آبکاری کمی متفاوت از پین‌های قلع‌کاری شده دارند، بنابراین باید اندازه پد PCB را برای ثابت نگه داشتن امپدانس تنظیم کنید. ما تنظیمات سفارشی را برای ماژول‌های دوربین 10 گیگابیت بر ثانیه انجام داده‌ایم که PCB pogo تنها رابط بین سنسور و برد اصلی بود و از دست دادن سیگنال کمتر از 0.5 دسی‌بل بود - بسیار پایین‌تر از آستانه مشکلات یکپارچگی سیگنال.

چیز دیگری که بر عملکرد تأثیر می گذارد: نیروی تماسی. پین‌های Pogo باید هنگام فشار دادن به PCB نیروی کافی وارد کنند تا اتصال خوبی برقرار کنند، اما نه آنقدر که خم شوند یا به PCB آسیب برسانند. اگر نیرو خیلی کم باشد، پین کمی جهش می کند و منجر به از دست دادن متناوب سیگنال می شود - مانند شارژر تلفن که با حرکت دادن آن قطع می شود. اگر نیرو خیلی زیاد باشد، فنر پین سریعتر فرسوده می شود و در طول زمان منجر به تخریب سیگنال می شود. به عنوان تولیدکنندگان پین pogo، ما کشش فنر مناسب را برای هر کاربرد PCB pogo مشخص می‌کنیم: برای اتصالات آزمایشی، از نیروی بیشتری (حدود 100 گرم در هر پین) استفاده می‌کنیم، زیرا آنها یک بار در طول آزمایش فشار داده می‌شوند، در حالی که برای لوازم الکترونیکی مصرفی، از نیروی کمتر (30 تا 50 گرم) برای افزایش طول عمر محصول استفاده می‌کنیم.

بیایید عوامل محیطی را نیز لمس کنیم، زیرا این نیز بخشی از انتقال سیگنال است. اگر PCB pogo در یک محیط گرد و غبار و رطوبت بالا استفاده شود، خوردگی روی پین های pogo می تواند مقاومت تماس را افزایش دهد. آبکاری طلا در اینجا کمک می کند، اما اگر گوگرد در هوا وجود داشته باشد، حتی طلا نیز می تواند کدر شود. به همین دلیل است که ما کنتاکت‌های پوگو با چگالی بالا 1 میلی‌متری را با روکش طلای ضخیم‌تر برای برنامه‌های صنعتی در فضای باز ارائه می‌کنیم—آنها در برابر خوردگی بهتر مقاومت می‌کنند، بنابراین از دست دادن سیگنال در طول سال‌ها ثابت می‌ماند، نه فقط چند ماه.

حالا، رایج ترین اشتباهی که با PCB های pogo می بینم چیست؟ یا با استفاده از پین‌های pogo که با طراحی PCB مطابقت ندارند، یا برش دادن گوشه‌ها روی آبکاری. بسیاری از طراحان به دنبال ارزان‌ترین پین پوگو که می‌توانند پیدا کنند، می‌روند، بدون اینکه متوجه شوند که یک پین 0.01 دلاری با آبکاری بد می‌تواند بعداً به دلیل خطاهای سیگنال، 100 دلار به کار مجدد اضافه کند. یا از یک پین pogo 0.8 میلی متری روی یک ردیاب PCB 1 میلی متری استفاده می کنند که منجر به عدم تطابق امپدانس می شود. به همین دلیل است که ارزش همکاری با تامین‌کننده‌ای را دارد که راه‌حل‌های مناسب ارائه می‌دهد - تیم سازنده پین ​​pogo ما با طراحان برای تنظیم طول پین، آبکاری و اندازه ردیابی روی PCB pogo همکاری می‌کند تا بهترین انتقال سیگنال را دریافت کند.

صبر کنید، بیایید به هسته اصلی برگردیم: عملکرد انتقال سیگنال PCB pogo یک ورزش گروهی است، نه فقط پین ها یا فقط PCB. پین‌های پوگو به رسانایی خوب، کشش فنر ثابت و تحمل‌های محکم نیاز دارند. PCB برای کاهش تداخل به پدهایی با اندازه مناسب، امپدانس همسان و سطوح زمینی نیاز دارد. و نحوه مونتاژ آنها نیز مهم است - اگر پین‌های pogo هنگام لحیم کردن یا فشار دادن به PCB به درستی در یک راستا قرار نگیرند، با شکاف‌هایی مواجه می‌شوید که سیگنال را از بین می‌برند.

در پایان، اگر با سیگنال‌های پرسرعت، قابلیت اطمینان بیش از هزاران چرخه اتصال/قطع، یا محیط‌های عملیاتی سخت سروکار دارید، راه‌اندازی صحیح PCB pogo بسیار مهم است. فقط ارزان‌ترین پین‌های پوگو را انتخاب نکنید و آن‌ها را روی یک PCB تصادفی قرار ندهید – برای مطابقت دادن مشخصات پین با برنامه‌تان وقت بگذارید و با تامین‌کننده‌ای کار کنید که می‌داند چگونه از دست دادن سیگنال، امپدانس و تداخل را متعادل کند. اگر به دنبال تهیه پین ​​های pogo برای پروژه بعدی PCB pogo خود هستید، با تیم ما تماس بگیرید تا در مورد نیازهای خاص خود صحبت کنید. ما می توانیم به شما کمک کنیم تا تنظیمی را طراحی کنید که انتقال سیگنال را بدون توجه به موارد استفاده، قوی، سازگار و قابل اعتماد نگه می دارد.

مراجع

1. جانسون، اچ، و گراهام، ام. (2017). یکپارچگی سیگنال با سرعت بالا: کتابچه راهنمای تکنیک های طراحی پیشرفته. سالن پرنتیس
2. وانگ، ی.، و همکاران. (2020). "تجزیه و تحلیل تلفات سیگنال در اتصالات پین بارگذاری شده با فنر برای کاربردهای فرکانس بالا". معاملات IEEE در مورد قطعات، بسته بندی، و فناوری ساخت، 10(8)، 1345-1352.
3. IPC-2221A. (2018). استاندارد عمومی در طراحی تابلو چاپی. انجمن اتصال صنایع الکترونیک.
4. اسمیت، اس. (2021). "کاهش متقاطع در اتصال دهنده های متراکم فنری برای وسایل تست". مجله ساخت الکترونیک، 31 (2)، 215-222.