SWaP-C高可靠性连接器选择和应用指南

作者：Kenton Williston

投稿人：DigiKey 北美编辑

2025-01-02

国防和航空航天应用系统的设计人员面临着日益严格的尺寸、重量、功耗和成本 (SWaP-C) 优化要求。随着他们的设计变得更加复杂和紧凑，他们必须在这些要求与高性能和可靠性之间取得平衡。传统连接器常常难以满足这些相互冲突的需求，这给设计人员带来了挑战，他们需要寻找替代方案来满足系统设计和性能要求。

本文探讨了专门为 SWaP-C 设计的先进连接器技术如何满足国防和航空航天应用的独特需求。然后介绍了Harwin的[高可靠性解决方案]，并展示了它们如何应用于各种国防和航空航天场景，以实现可靠的 SWaP-C 性能。

推动连接器小型化的因素

从潜艇潜望镜系统升级到多光谱成像，再到携带不断扩大的传感器阵列的无人机 (UAV)，有限空间内对复杂电子设备的要求逐年变得更加复杂。最小化组件尺寸允许使用额外的传感器和其他功能来增强系统功能并改善空气动力学性能。

连接器传统上属于体积较大的组件，对于成功实现小型化至关重要。减小连接器尺寸需要缩小接触间距并减轻重量，同时保持耐用性并确保在极端条件下保持一致的电气性能。

Harwin 通过专为 SWaP-C 优化而设计的全面连接器系列来应对这些挑战。他们的方法以三个关键设计原则为中心：

1. 将节距尺寸缩小至小至 1.25 毫米 (mm)，同时保持高载流能力
2. 使用多指铍铜触点确保极端条件下的信号完整性
3. 采用高温热塑性外壳并选择性地使用轻质金属以提高耐用性

这种设计理念延伸到他们的高可靠性产品系列，从高密度信号连接器到混合技术和高功率解决方案。

连接器减重对移动性和效率的影响

减轻重量对于 SWaP-C 优化至关重要，特别是对于机载和移动应用。更轻的组件可以提高飞行时间和机动性，同时可以携带更多设备。

通过战略性的材料选择，现代微小型连接器与传统工业连接器相比可以显着减轻重量。例如，玻璃填充的高温热塑性塑料可用于主外壳。同时，设计人员可以仅在需要金属来实现电磁干扰 (EMI) 和射频干扰 (RFI) 防护以及机械耐用性的情况下选择性地采用轻质铝合金。

即使在传统设计严重依赖金属元件的高电流应用中，这些材料组合也可以保持强大的电气和机械性能，同时最大限度地减少连接器质量。

在不牺牲可靠性的情况下管理连接器成本

在 SWaP-C 设计中，平衡降低成本和高可靠性对于任务关键型系统的设计人员来说是一个持续的挑战。对于连接器来说，这意味着选择能够以最低成本确保长期耐用性的设计和材料。

管理成本的一个关键策略是关注总拥有成本，而不仅仅是前期组件价格。虽然高可靠性连接器的初始成本可能较高，但其延长的使用寿命和减少的维护要求可以带来显着的长期节省。这对于连接器必须承受极端条件（包括高振动、温度波动和重复插拔周期）的应用尤其有价值。

此外，标准化和模块化连接器设计可以通过更轻松的集成和更换来降低生产和维护成本。符合通用行业标准的连接器可实现互换性并简化库存管理，从而降低产品生命周期的费用。

平衡功率输出与尺寸

连接器在电源管理中也发挥着至关重要的作用。挑战在于开发能够处理大量功率负载的连接器，同时保持紧凑的外形尺寸并确保最小的功率损耗。高可靠性连接器必须支持高效的电力传输、最大限度地减少热量产生并防止电弧，同时满足现代系统设计的空间和重量限制。

实现效率和可靠性需要提供低电阻的材料和触点设计。连接器具有坚固的触点电镀、先进的绝缘和优化的触点几何形状，即使在极端的操作条件下也能提供稳定的电力。

一个关键的考虑因素是将信号和电源连接结合在一个紧凑的连接器中。虽然集成信号和电源线减少了连接器的整体占地面积并释放了宝贵的空间，但它也给管理电源和信号路径之间的潜在干扰带来了挑战。

应用示例：喷气式战斗机驾驶舱

检查典型用例有助于说明这些设计原则如何在实践中发挥作用。例如，喷气式战斗机中的照明控制单元 (LCU) 需要可靠的连接器来管理不同飞行条件和任务的照明。这些系统控制驾驶舱、外部、夜视和应急照明，这些系统需要能够在紧凑的环境中提供可变照明强度的组件。 LCU 的空间有限，需要能够在不影响性能的情况下有效集成的薄型组件。

[Harwin 的Gecko SL]连接器节距为 1.25 mm，提供紧凑、轻便的解决方案，比 Micro-D 连接器轻 75%，小 45%。这使得它们特别适合 LCU 等密集环境。 Gecko SL 系列的主要特性包括：

• 每个触点隔离电流为 2.8 安培 (A)，所有触点同时电流为 2.0 A
• 四指铍铜触点设计，可靠性高
• 由玻璃填充热塑性塑料 UL94V-0（不含卤素和红磷）制成的模制品

[G125-MC10605M1-0150L]型号具有六位插头，端接于单独的导线（图 1）。还有多种其他组装方式可供选择，以及可提供增强的电气连续性、电缆保护和有效 EMI/RFI 屏蔽的轻质铝制罩。

图 1：Gecko SL 连接器有助于空间受限的环境，例如喷气式飞机驾驶舱。 G125-MC10605M1-0150L 型号具有六位插头，端接于单独的导线。 （图片来源：哈尔文）

除了尺寸紧凑之外，Gecko SL 连接器还非常坚固耐用。它们可承受 6 毫秒 (ms) 的 100 g冲击和 6 ​​小时 20 g 的振动，非常适合航空航天环境。这些连接器的耐用等级为 1000 次插拔，可通过重复连接和断开确保可靠性，这是维护密集型应用中的常见要求。

应用示例：混合信号无人机连接器

另一个例子，在国防环境中运行的无人机需要坚固且紧凑的连接器，以在恶劣条件下保持功能。这些车辆会经历严重的振动和冲击，因此信号完整性对其车载系统至关重要。

[Harwin 的Datamate Mix-Tek]连接器通过将电源和信号线集成在一个紧凑的封装中来解决这些挑战。这种节省空间的设计具有 2 毫米间距，可在印刷电路板 (PC 板) 上留出足够的空间安装其他组件，最终增强无人机的功能和性能。这些连接器通过信号触点 6 毫欧 (mΩ) 和电源触点 25 mΩ 的低接触电阻值最大限度地减少功率和信号损失。它们的额定插拔次数为 500 次，可确保在需要频繁维护和重新连接的应用中的耐用性。

[M80-5T10805M1-02-331-00-000]就是一个例子，它结合了两个每个可处理 20 A 电流的电源触点和八个每个可处理 3 A 电流的信号触点（图 2）。此配置支持关键系统的电源要求以及大多数无人机应用中控制和通信的数据需求。

图 2：M80-5T10805M1-02-331-00-000 连接器将两个电源触点和八个信号触点（间距为 2 mm）组合到一个外壳中，适用于无人机等空间受限的应用。 （图片来源：哈尔文）

应用实例：大功率无人机电池

以国防为重点的无人机通常需要大量电力，由提供数十至数百千瓦的电池系统运行。将这些电池连接到电机等关键部件的连接器必须可靠地处理高电流，同时最大限度地减少功率损耗。

Harwin 的[Kona]高可靠性连接器通过每个触点处理 60 A 电流和 3000 V 电压来满足这些要求。其 8.50 毫米间距可支持巨大的功率负载，同时保持国防级的稳健性。 2 mΩ 的接触电阻可确保最小的功率损耗。

[KA1-MV10205M1]（图 3）就是一个很好的例子，它具有两个公接触针，最大组合电流容量为 120 A。该连接器非常适合需要强大电力传输同时满足 SWaP-C 要求的无人机电池连接。

图 3：KA1-MV10205M1 连接器的每个触点额定电流为 60 A，额定电压为 3000 V，并采用六指触点设计，可在高冲击条件下保持稳定性。 （图片来源：哈尔文）

Kona 连接器采用镀金铍铜触点，采用六指触点设计，可在高冲击条件下实现稳定连接，间距为 8.5 毫米。铝合金后壳和不锈钢螺丝锁提供轻巧耐用的设计。

结论

选择合适的连接器对于平衡 SWaP-C 优化的不同要求至关重要。 Harwin 的先进连接器解决方案表明，将紧凑性、轻量化设计、功效和耐用性结合在一起是可能的，使设计人员能够满足航空航天和国防应用的复杂需求。

审核编辑 黄宇