PCB 边缘连接器：高速性能

 

本文要点

PCB 边缘连接器是实现高速数据传输和模块化组装的首选系统集成解决方案。 

在电路板边缘和连接器之间的适当匹配中，需要采用斜切工艺来保护连接器引脚。 

边缘连接器的选型取决于连接板的组装要求和制造约束条件。 

 

PCB 边缘连接器采用多条并行数据线实现高数据吞吐量。

 

在系统集成中，各器件的形状和尺寸不一：设计人员可以根据电路板的制造需求调整连接器，而在所有连接器中，PCB 边缘连接器最为突出。边缘连接器摒弃了电缆或柔性电路等接口设备，允许 PCB 直接插入插座，实现板间连接。虽然这种连接方式不太适合高度集成的系统或紧凑的外壳结构，但对于要求高速数据吞吐量和重复插拔的应用来说，PCB 边缘连接器是一个理想的选择。

 

系统集成方法对比

 

PCB 边缘连接器的设计考虑因素

PCB 边缘连接器利用电路板边缘的镀铜（仍然遵守边缘间隙规则），将次级电路板直接集成到主电路板中。最著名的应用可追溯到 20 世纪 90 年代中期光盘介质兴起之前使用的台式机扩展卡和视频游戏卡带。其优势在于只需一个插座即可实现连接，因为电路板本身充当了插头。为此，子板的前缘采用斜切设计，以引导 PCB 插入插座并锁定到位；斜切角度通常为 30°，分布在电路板两侧，但也可以采用不同的斜切角度（请注意，更宽的斜切会影响电路板边缘间隙约束）。此外，虽然标准斜切操作仅在电路板的外边缘进行，但一些高级工艺支持在前缘或边界轮廓内侧进行斜切，具体取决于制造商的操作能力。 

 

斜切是对连接器设计的补充，引脚从垂直方向以较小的角度升至配接板。连接器的宽度可确保紧密贴合，而倾斜的引脚可最大限度地与斜角接触，并在卡缘移除期间最大限度地减少引脚上的垂直拉力。从机械角度来看，边缘连接器可承受多次插拔，确保连接的可靠性。与板对线连接相比，单独的连接器减少了故障点，避免因连接而产生额外电阻（即总电阻是边缘连接器和引脚之间的接触电阻）。 

 

与线对板连接相比，板对板连接的成本更高，且由于电路板之间采用垂直安装方式，空间利用率较低。但板对板连接特别适用于高性能系统，因为边缘连接器具有极高的引脚排列密度：数百个引脚背靠背排列，支持多个高速信号，有助快速传输数据。新型边缘连接器技术将整体数据吞吐量分至多个独立的通道（而非早期的串行格式），以实现点对点连接。与早期的拓扑结构相比，外围设备的通信能力大幅提升，每个外围设备与总线的连接均可以总线标准速率进行通信，同时确保彼此间互不干扰（假设 EMI 因素可忽略不计）。  

 

可能影响边缘连接器性能的设计因素

与标准插头/插座连接器相比，PCB 边缘连接器凭借其坚固的结构而具备出色的耐用性和可靠性，可用于多板组装。不过，在使用时需要注意以下限制： 

板厚

由于连接器基于整个 PCB 的宽度构建，极厚或极薄的电路板无法与标准连接器兼容。但可以接受 1.6 毫米/63 密耳的标准板厚，并且在允许的厚度范围内（无论是增加还是减少）仍有较大的灵活性，能够支持多种设计配置。

安装

在多次插拔中，会施加较大的外力，因此连接器需要额外的机械性能，以确保在其整个使用寿命期间的稳定性。通常，这可以通过焊接片来实现，焊接片是标准制造工艺的一部分，但不具备电气功能。此外，还可以采用通孔引脚和匹配的钻孔，确保连接器固定到位。表面贴装和通孔之间存在标准差异，前者更适用于 HDI 设计，并且在自动组装过程中有助于降低成本；然而，由于边缘连接器的尺寸限制，可能需要手动组装和焊接，即便是在中等批量生产中，也可能会显著增加制造成本。

背板复杂性

电路板可能采用通用设计，包括一个或多个边缘连接器以及其他电路，也可能专为围绕边缘连接器集成而设计，形成专用背板。后者具有良好的可靠性：电路板上的有源元件较少（或根本没有），因此更换卡或日常维护导致电路板损坏的可能性很小。换句话说，所有或几乎所有电路都集中在子卡上。虽然这种方法有一定优势，但极大地限制了设计灵活性，而电路板上包含冗余层的有源元件通常是更好的选择。 

 

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PCB 设计解决方案

PCB 边缘连接器是一种独特的连接器，支持多次插拔操作，而非单一的永久组装配置。尽管与板对线或线对线连接相比，这种连接器对空间的要求更高，但其在高速操作中表现出色。设计人员必须了解边缘连接器的 DFM 要求；Cadence 的 PCB 设计和分析软件套件提供全面的工具支持，可满足约束驱动应用的需求。