使用高速板对板连接器在提高性能的同时增加电路密度

电子设备在不断缩小，而数据传输速率却在不断提高。对于设计人员来说，要顺应这种趋势，就必须既能在更小的空间内集成更多的电路，又能保持数据传输速率、可靠性和信号完整性。设计人员还必须解决风冷和物理隔离的问题，以尽可能减少电磁干扰 (EMI)。

以堆叠方式使用印刷电路板（PC 板）是提高电路密度的一种常见方法。使用子板和夹层子板可获得更多的电路板空间，同时构建冷却和信号隔离路径。

本文简要梳理了高速电路设计人员所面临的各类挑战。然后介绍 Würth Elektronik 的板对板连接器，并说明如何使用这些连接器在保持信号完整性的同时实现可靠的信号连接。

夹层板

夹层板的布局由两块上下堆叠的平行电路板组成，二者通过板对板连接器实现电气连接（图 1，左）。

图 1：左图为多款夹层安装式印制电路板 (PCB) 示例；右图展示了副板的安装方式，可通过连接器安装，或采用表面贴装工艺、螺纹隔离柱安装。(图片来源：Würth Elektronik）

这种由两块电路板组成的板对板排列方式为电路带来了更多的物理空间。这种结构可用于提高容积效率，实现互换性，或形成物理隔离以改善气流和减少 EMI。板对板连接器直接连接电路板，不使用电缆。夹层板连接器可实现多种确定板间距的堆叠高度。上层电路板可以由连接器支撑和固定，也可以用表面贴装或螺纹隔离柱固定，以增强抗振性和抗冲击性（图 1，右）。

信号完整性考虑因素

信号完整性描述了信号通过连接器从一块电路板传输到另一块电路板时如何失真或衰减。其中一些效应（如接触电阻）与频率无关，可方便地纳入计算并进行修正。

然而，两个与频率有关的关键信号完整性参数是反射系数 (ρ) 和传输系数 (t)（图 2）。传输系数通常用插入损耗表示，单位为分贝 (dB)。反射系数（回波损耗）是由于数据信号在遇到阻抗值阶跃时被反射回信号源造成的。插入损耗用于对传输路径的衰减进行量化。两者均取决于相对于 PC 板线路阻抗 (Z_s) 的连接器阻抗 (Z_CAB) 。

图 2：回波损耗和插入损耗取决于相对于 PC 板线路阻抗的连接器阻抗。（图片来源：Würth Elektronik）

传输损耗会降低信号通过连接器时的幅度，并与路径长度和连接器的几何结构成正比。近端串扰 (NEXT) 或远端串扰 (FEXT) 也会造成一些能量损失。回波损耗和传输系数是与频率相关的参数，取决于连接器阻抗（模拟为电缆）和电路板传输线阻抗（本例中假设为 50 Ω）之差。反射系数和传输系数由所示公式定义。

图 2 显示了这些参数随连接器（电缆）阻抗变化的情况。如果连接器阻抗为 50 Ω，则理论回波损耗为零，传输系数为 100% ，表示没有损耗。如果连接器的阻抗偏离 50 Ω，则相关参数的变化将随连接器阻抗与 50Ω 的偏差值及频率成比例变化。在连接器中，阻抗取决于所使用的绝缘材料和引脚的几何结构，包括宽度、长度和距离（间距）。此外，相邻引脚的布线也会对其产生影响。

传输高速数据有两种常见的布线配置（图 3）：一种是单端结构，其数据信号以地为参考；另一种是差分结构，采用两条互补信号线，数据信号幅度为两条信号线的电压差值。差分信号用于减少双信号线上的噪声和干扰。一般来说，差分信号用于最高数据速率的应用。数据信号通常与一个或多个接地信号配对，以减少噪声拾取。

图 3：所示为三种常见的信号接线配置，说明使用中间接地导体可减少噪声和干扰拾取。(图片来源：Würth Elektronik，作者修改）

单端接线的设计特性阻抗通常为 50 Ω，而差分接线的设计特性阻抗为 100 Ω。从连接器到电路板的引脚选择会影响接地导体的性能。

从信号完整性的角度来看，板对板连接器的设计必须满足规定的阻抗和数据传输速率要求。

板对板连接器示例

Würth Elektronik 的 WR-BTB 系列连接器是高速数据应用中信号连接器的理想选择。这些表面贴装板对板连接器提供 40、80 或 100 引脚选择（间距为 0.80 mm），以及 64 引脚（间距为 1.00 mm）。1.00 mm 间距、64 引脚连接器符合 IEEE 1386 夹层连接器的要求。0.80 mm 间距连接器采用极化设计，可防止反向配接。每种引脚数的版本都提供多种堆叠高度选择。

所有 WR-BTB 连接器均采用铜合金触点，执行选择性镀金工艺；接触电阻不超过 50 mΩ，具体由引脚数决定。连接器本体均采用合规无卤塑料制成，既提升了环保性能，又确保了机械强度、电气绝缘性能、印制电路板 (PCB) 组装过程中的耐焊接温度性能，以及阻燃防火等级。这类连接器的工作温度范围为 -55 至 85°C。此外，这类连接器还符合 RoHS 3 标准。

与射频连接器不同，WR-BTB 连接器没有固定的特性阻抗；其阻抗取决于触点尺寸、底层基板的介电常数和 PC 板布线布局等许多因素。WR-BTB 连接器的设计最大程度地减少了高速电路板系统中 50 Ω 单端或 100 Ω 差分对传输线的信号反射。例如，0.8 mm 和 1 mm 间距连接器可兼容 PCIe 2.0 信号或每秒 480 兆比特 (Mb/s) 的 USB 2.0 差分信号。

例如 658158303064 64 引脚插头（图 4 左）及其 658101003064 配接插座（图 4 右）就是一款 WR-BTB 插头/插座连接器对。这两款都是带护罩的 64 引脚连接器，间距为 1.00 mm，触点宽度为 0.30 mm，其额定工作电压为 100 V_AC，额定电流为 1000 毫安 (mA)，且最大接触电阻为 30 mΩ。这两款连接器都具有一体式表面贴装板端导正柱，并包括贴片机 (PnP) 的取放盖。这两款器件均为具有平整表面，供贴片机 (PnP) 真空吸嘴吸取连接器，以避免损伤触点。

图 4：所示为一对 64 引脚、1.0 mm 间距、带 PnP 取放盖插头/插座对。(图片来源：Würth Elektronik）

该产品系列的最高引脚数为 100，如 658855603100 0.80 mm 间距 100 引脚插头，可与 658807713100 插座配接使用。这些连接器的额定电压为 50 VAC，可处理高达 500 mA 的电流，其最大接触电阻为 50 mΩ。

通过选择插头和插座对的特定组合来确定堆叠高度。有效堆叠高度取决于引脚数和间距（图 5）。

图 5：可根据连接器间距和引脚数量来确定堆叠高度。(图片来源：Würth Elektronik，作者修改）

为了解其工作原理，658158303064 插头和 658101003064 插座（蓝色高亮显示）配接时的堆叠高度为 14.75 mm。如果将插座更换为 658105303064（绿色突出显示），则堆叠高度为 9.75 mm。64 引脚 1.0 mm 连接器有两个插头组件和三个插座，堆叠高度从 7.75 mm 到 14.75 mm 不等。0.80 mm 间距连接器可提供更多的堆叠高度。

相比之下，658855603100 0.80 mm 间距 100 引脚插头与 658807713100 插座配对使用时，堆叠高度仅为 10 mm。

应用

板对板连接器应用广泛，包括消费电子产品、车辆系统、工业自动化、医疗设备等。

搭载板对板连接器的夹层板，适用于以下情况：

• 需要改善气流和冷却物理空间的组件
• 在多个产品型号中使用通用的子组件，以降低成本
• 在连接两块电路板之前，可先将其分别装配起来，以简化装配过程
• 允许电路板断开和重新连接，提高设计灵活性
• 用于专用电路，如射频 (RF) 或高压 (HV) 电源，可作为夹层组件进行隔离
• 轻松升级电路板

以上仅为搭载板对板连接器的夹层板可实现的部分功能。

环境安全证书

WR-BTB 连接器要么通过认证，要么符合关于连接器常见的环境和安全标准（图 ·6）。

认证

图 6：所示为 WR-BTB 连接器的环境和安全认证。(图片来源： Würth Elektronik）

结语

夹层配置中使用的 Würth Elektronik 板对板连接器可提高电子设备的体积效率、信号完整性和可靠性。这种连接器还能提供更高效的冷却气流，改善电磁隔离性能，简化装配。