在智能制造的浪潮下，工業(yè)自動(dòng)化正經(jīng)歷著深刻變革。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)忙碌的機(jī)器設(shè)備，已經(jīng)與無(wú)處不在的傳感器，以及算力日趨強(qiáng)大的控制中心整合在一起，構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的高密度、模塊化和分布式的自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)前所未有的高效率和靈活性。

這一趨勢(shì)正在重塑工業(yè)自動(dòng)化的底層技術(shù)邏輯，自然也包括作為自動(dòng)化系統(tǒng)神經(jīng)中樞的控制柜，進(jìn)而對(duì)高性能、高可靠性的柜內(nèi)互連，也提出了更嚴(yán)苛要求。

具體來(lái)講，工業(yè)自動(dòng)化柜內(nèi)互連方案面臨著三方面的核心挑戰(zhàn)：

1確?？煽康倪B接

高可靠性是工業(yè)應(yīng)用永恒的“底色”。因此，在持續(xù)振動(dòng)、粉塵油污、電磁干擾等復(fù)雜的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，提供穩(wěn)固的機(jī)械和電氣連接，實(shí)現(xiàn)更高的可靠性和耐用性，也是工業(yè)自動(dòng)化柜內(nèi)互連必備的一項(xiàng)“基本功”。

2實(shí)現(xiàn)更高的速率

既然是“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”，那么在確?？煽啃缘耐瑫r(shí)，能否支持更高的數(shù)據(jù)傳輸效率，確保數(shù)據(jù)完整性，也是工業(yè)自動(dòng)化互連必須考量的關(guān)鍵要素。

3突破空間的極限

自動(dòng)化控制柜內(nèi)空間有限，而功能的集成度卻越來(lái)越高，如何化解這一“矛盾”，在有限的柜內(nèi)空間容納更高密度的信號(hào)與電源傳輸，是自動(dòng)化柜內(nèi)互連必須面對(duì)的一個(gè)課題。

簡(jiǎn)而言之，面對(duì)工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)變革帶來(lái)的互連挑戰(zhàn)，如果一個(gè)產(chǎn)品或方案能夠滿(mǎn)足高可靠、高速率、小型化等復(fù)合要求，那無(wú)疑就是工程師的理想之選。

如何將這些美好的設(shè)計(jì)愿景變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，讓理想的方案在工業(yè)應(yīng)用中落地？接下來(lái)，本文將以全球知名連接器廠(chǎng)商Samtec的產(chǎn)品組合為例，圍繞上述三個(gè)核心技術(shù)要素，為大家做詳細(xì)地分解。

確?？煽康倪B接

提升連接器的可靠性和耐用性，以應(yīng)對(duì)嚴(yán)苛工業(yè)環(huán)境的挑戰(zhàn)，一般來(lái)講需要從以下幾個(gè)方面做綜合的技術(shù)優(yōu)化：

觸點(diǎn)材料：高可靠性連接器通常會(huì)選擇鈹銅 (BeCu) 作為觸點(diǎn)材料，雖然其成本相對(duì)較高，但成型并硬化后，在各種條件下都能保持形狀不變，提供更佳、更穩(wěn)定的機(jī)械和電氣性能，支持更高的插拔次數(shù)。

觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)：多指結(jié)構(gòu)，有助于提供冗余接觸，確保觸點(diǎn)在振動(dòng)條件下穩(wěn)固的電氣連接，因此是很常用的高可靠性觸點(diǎn)設(shè)計(jì)。有些連接器還會(huì)采用“浮動(dòng)”觸點(diǎn)設(shè)計(jì)，允許配接時(shí)在X/Y/Z方向上提供更大的錯(cuò)位容差，以應(yīng)對(duì)更復(fù)雜的機(jī)械應(yīng)力挑戰(zhàn)。

鍍層：金鍍層在惡劣環(huán)境中不會(huì)因氧化而導(dǎo)致接觸電阻的增加，所以常用于高插拔次數(shù)、高可靠性應(yīng)用。不過(guò)，鍍金的成本較高，因此Samtec推出了一種“選擇性鍍金-錫 (selective gold-tin )”鍍層工藝，在接觸區(qū)鍍金錫合金，而在焊接區(qū)鍍純錫，由此實(shí)現(xiàn)可靠性和成本的平衡。

外殼設(shè)計(jì)：提升連接器可靠性，在連接器的絕緣外殼設(shè)計(jì)上也有不少文章可做，相關(guān)措施包括但不限于：增加鎖定系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)抗振和防脫落；通過(guò)焊接片及螺絲固定，強(qiáng)化連接器與PCB連接的穩(wěn)固性；使用具有更高IP等級(jí)、阻燃等級(jí)的材料等。

綜合利用上述優(yōu)化設(shè)計(jì)，Samtec開(kāi)發(fā)出了一系列具有更高可靠性的耐用型互連產(chǎn)品。其中，采用Tiger Eye耐用型觸點(diǎn)系統(tǒng)的產(chǎn)品，在工業(yè)應(yīng)用中備受歡迎。

Tiger Eye觸點(diǎn)系統(tǒng)采用多指、熱處理過(guò)的鈹銅觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)能提供冗余接觸點(diǎn)，確保在強(qiáng)沖擊和持續(xù)振動(dòng)環(huán)境下保持電氣導(dǎo)通，且具有超過(guò)1,000次的插拔次數(shù)，非常適用于需要頻繁維護(hù)和長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的工業(yè)設(shè)備。

為了進(jìn)一步提升可靠性，Tiger Eye觸點(diǎn)還在端子尾部設(shè)計(jì)有微槽，增加了與焊錫的接觸表面積，回流焊時(shí)使其能更牢固地附著在PCB上，增強(qiáng)焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度。在鷗翼尾部和接觸區(qū)的過(guò)渡處，Tiger Eye觸點(diǎn)設(shè)有開(kāi)槽，可防止回流焊時(shí)焊錫因毛細(xì)作用爬升到接觸區(qū)域，確保觸點(diǎn)清潔和性能可靠。

基于Tiger Eye觸點(diǎn)，Samtec開(kāi)發(fā)出了板對(duì)板連接器、分立電纜組件、IDC電纜組件等適用于工業(yè)自動(dòng)化互連應(yīng)用的豐富產(chǎn)品組合，如TFM / SFM 1.27mm端子和插座，可提供高達(dá)100引腳數(shù)的極化單排和雙排配置，以及垂直、直角和水平方向安裝選項(xiàng)，還通過(guò)了嚴(yán)苛環(huán)境測(cè)試 (SET)，非常適合于堅(jiān)固耐用的高可靠性、長(zhǎng)壽命工業(yè)應(yīng)用。

URSAI/O超耐用型電源電纜系統(tǒng)，是Samtec高可靠工業(yè)互連產(chǎn)品組合中的另一個(gè)亮點(diǎn)產(chǎn)品，其通過(guò)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在超耐用型應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了極高的可靠性和超高的插拔次數(shù)，并兼具EMI防護(hù)特性，適用于在極小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)出色的機(jī)械耐用性和電氣可靠性的線(xiàn)對(duì)線(xiàn)、線(xiàn)對(duì)板等工業(yè)自動(dòng)化互連應(yīng)用，在一個(gè)1RU面板上的I/O總數(shù)可高達(dá)1,450個(gè)。

URSA I/O超耐用型系統(tǒng)高可靠性的奧秘在于其采用了Samtec獨(dú)特的Hyper Claw雙曲面型觸點(diǎn)：

Hyper Claw觸點(diǎn)采用四指結(jié)構(gòu)，即每個(gè)觸點(diǎn)通過(guò)四個(gè)接觸點(diǎn)同時(shí)連接，因此在振動(dòng)、沖擊等惡劣環(huán)境下的連接更可靠。

雙曲面型的籠式結(jié)構(gòu)，使其在插拔時(shí)產(chǎn)生柔和的刮擦動(dòng)作，同時(shí)保持穩(wěn)定的正向力，并承受極高的插拔次數(shù)。

集成了EMI屏蔽設(shè)計(jì)，可有效限制信號(hào)衰減，確保信號(hào)在嘈雜的工業(yè)環(huán)境中完整傳輸。

支持高達(dá)3.8A的額定電流和200VAC/ 282VDC的額定電壓，滿(mǎn)足更高的工業(yè)連接的需求。

實(shí)現(xiàn)更高的速率

在確保高可靠性和高耐用性的同時(shí)，為工業(yè)自動(dòng)化互連中的數(shù)據(jù)傳輸“提速”也是一大剛需。為此，需要對(duì)相關(guān)互連產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化。

Edge Rate就是Samtec專(zhuān)門(mén)針對(duì)高速信號(hào)傳輸和高可靠性應(yīng)用而優(yōu)化的觸點(diǎn)系統(tǒng)，其在觸點(diǎn)設(shè)計(jì)、信號(hào)完整性、插拔壽命等需求之間實(shí)現(xiàn)了出色的平衡。Edge Rate技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)包括：

獨(dú)特的觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)：Edge Rate觸點(diǎn)不同于傳統(tǒng)沖壓成型的連接器觸點(diǎn)，而是采用銑削加工，因此具有一個(gè)更平滑的配接表面，顯著減少了插拔時(shí)的摩擦和磨損，從而延長(zhǎng)插拔壽命和系統(tǒng)耐用性，可承受高達(dá)2,500次的插拔次數(shù)。

優(yōu)化的信號(hào)完整性：Edge Rate觸點(diǎn)在連接器絕緣體中經(jīng)過(guò)特殊定位，使引腳的窄邊相互平行，此舉更大限度地減少了引腳間的平行表面積，從而有效降低寬邊耦合和串?dāng)_。因此，Edge Rate技術(shù)支持高達(dá)56 Gbps PAM4 的數(shù)據(jù)速率，可滿(mǎn)足現(xiàn)代高速數(shù)據(jù)通信協(xié)議所需。

高耐用性與可靠性：Edge Rate觸點(diǎn)采用鈹銅合金材料，以確保其在各種環(huán)境條件下都能保持形狀和正向力。

Samtec的SEARAY SEAF和SEAM系列就是采用Edge Rate端子系統(tǒng)的1.27mm間距網(wǎng)絡(luò)連接器，具有高達(dá)56Gbps的數(shù)據(jù)傳輸性能，同時(shí)提供各種產(chǎn)品配置，滿(mǎn)足多樣化的高速、高可靠、高密度的工業(yè)自動(dòng)化互連應(yīng)用要求。

除了Edge Rate觸點(diǎn)系統(tǒng)，Razor Beam也是Samtec推出的一項(xiàng)高密度、高性能、無(wú)極性（即不分連接器不分公母端）觸點(diǎn)技術(shù)，其在極小尺寸內(nèi)，通過(guò)獨(dú)特的梁結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了極高的可靠性、出色的信號(hào)完整性和極大的機(jī)械設(shè)計(jì)靈活性。

Razor Beam采用了低串?dāng)_設(shè)計(jì)，連接器內(nèi)部的接地引腳和信號(hào)引腳排列經(jīng)過(guò)優(yōu)化，能有效控制阻抗，減少信號(hào)之間的串?dāng)_，因此可以支持高達(dá)28Gbps NRZ甚至更高的數(shù)據(jù)速率。

Samtec的LSHM系列高速連接器就是基于Razor Beam技術(shù)的產(chǎn)品，其可提供多達(dá)100個(gè)I/O口，對(duì)接和拆拔力約為普通微間距連接器的4至6倍，超緊密的排間距設(shè)計(jì)使其十分適用于高速、高可靠和小間距工業(yè)自動(dòng)化互連系統(tǒng)。

突破空間的極限

小型化與高密度設(shè)計(jì)，一直是工業(yè)互連，特別是空間受限的自動(dòng)化柜內(nèi)互連的痛點(diǎn)。尤其是小型化的訴求往往與提升可靠性和性能的需求相互制約，這使得“壓縮”連接器的尺寸成為極具挑戰(zhàn)性的工作。

不過(guò)，從上文中我們不能發(fā)現(xiàn)，Samtec追求產(chǎn)品小型化的理念和努力，在很多產(chǎn)品設(shè)計(jì)上都有所體現(xiàn)。這里我們要特別介紹Samtec在連接器小型化設(shè)計(jì)方面的集大成之作——AcceleRate系列極高密度高性能互連產(chǎn)品。

AcceleRate產(chǎn)品包括一系列0.635mm間距的板對(duì)板連接器和電纜組件，單一連接組件中的I/O數(shù)高達(dá)1,000個(gè)，并可支持高達(dá)112 Gbps PAM4的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以說(shuō)是在小巧造型之中實(shí)現(xiàn)了驚人的連接密度和出色的性能。

今天，AcceleRate產(chǎn)品家族已經(jīng)發(fā)展出了多個(gè)產(chǎn)品子系列，可以滿(mǎn)足多樣化的互連場(chǎng)景要求：

AcceleRate HD：具有多達(dá)240個(gè)Edge Rate端子的高密度陣列，采用細(xì)長(zhǎng)、輕薄型設(shè)計(jì)。

AcceleRate HP：112Gbps PAM4高性能陣列，具有靈活的開(kāi)放式端子設(shè)計(jì)。

AcceleRate mP：高密度電源/信號(hào)陣列，每個(gè)刀片高達(dá)22A電流和56 Gbps PAM4性能。

AcceleRate電纜：外形纖薄的電纜系統(tǒng)，采用直連技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)56 Gbps PAM4速度。

AcceleRate HP電纜：高密度的112Gbps PAM4連接系統(tǒng)，用于基板電纜應(yīng)用。

AcceleRate Mini電纜：憑借Eye SpeedThinax超高性能雙芯電纜，以小巧尺寸實(shí)現(xiàn)112Gbps PAM4性能。

所有這些AcceleRate系列產(chǎn)品的共性，當(dāng)然就是節(jié)省空間的小型化設(shè)計(jì)，其在這方面的優(yōu)勢(shì)，大家可以從圖中一目了然。

面向行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的解決方案

上文中，我們已經(jīng)通過(guò)幾款Samtec產(chǎn)品的解析，比較全面地了解到如何從可靠性、數(shù)據(jù)傳輸速度、小型化設(shè)計(jì)等三個(gè)方面入手，為工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用打造理想的互連解決方案。

不過(guò)，這還不是故事的全部。在實(shí)際的互連產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，還有一個(gè)重要的考量維度不容忽視，那就是——行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通常是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈上下游的參與者，針對(duì)行業(yè)發(fā)展中面臨的某個(gè)或某類(lèi)“痛點(diǎn)”，通過(guò)共識(shí)制定的規(guī)范，關(guān)乎相關(guān)產(chǎn)品和方案的兼容性和互操作性，既有利于集中資源、加速技術(shù)迭代，又有助于通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化有效減少終端客戶(hù)在產(chǎn)品選型和評(píng)估上的成本，還代表著技術(shù)演進(jìn)的大趨勢(shì)，為產(chǎn)品未來(lái)發(fā)展指明方向。

因此，我們不難發(fā)現(xiàn)，像Samtec這些頭部連接器廠(chǎng)商，都會(huì)積極參與各個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化組織的工作，其前沿性技術(shù)的應(yīng)用落地，最終往往會(huì)體現(xiàn)在一個(gè)面向特定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的解決方案上，并且隨著標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)不斷發(fā)展。

而從開(kāi)發(fā)者和用戶(hù)的角度，從行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)這個(gè)維度入手，也十分有助于快速鎖定符合相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用設(shè)計(jì)規(guī)范的互連產(chǎn)品，這不啻為一條產(chǎn)品選型捷徑。

本文小結(jié)

現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化互連，特別是自動(dòng)化柜內(nèi)連接方案，需滿(mǎn)足更高的可靠性、更快的數(shù)據(jù)傳輸速率、更高效的空間利用率三大核心要求，同時(shí)也要與時(shí)俱進(jìn)，緊跟不斷演化的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。

如何以這樣的需求為藍(lán)圖，打造理想的工業(yè)自動(dòng)化互連解決方案？Samtec通過(guò)其基于創(chuàng)新技術(shù)的豐富產(chǎn)品組合，構(gòu)建起一個(gè)覆蓋PCB板內(nèi)、板間、柜內(nèi)、柜外的高可靠、高性能、小型化的互連生態(tài)系統(tǒng)，為我們提供了一個(gè)成功的范例。