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可穿戴设备的微型连接器将走向何方?行业资讯

2022-09-08 16:59:14

用于从消费和工业设备到医疗、军事和军事+医疗的可穿戴设备对连接器有何要求?

用于可穿戴设备的微型连接器继续缩小,它们的性能正在提高,承载更高带宽的信号和更大的功率。可穿戴设备增加了功能,从而在相同尺寸的封装中产生更多的组件和互连。应用范围从智能手表和健康监测设备到增强现实/虚拟现实 (AR/VR) 设备,以及医疗和军事系统。

本文回顾了消费类和工业可穿戴设备连接器的一些进展,着眼于医疗和军用可穿戴设备的要求,最后简要介绍了军事环境中的医疗可穿戴设备。

除了物理尺寸和重量测量外,圆形连接器有时还会根据密度因素进行比较。密度系数等于插座直径除以该插座尺寸中可用的触点数量。它可用于比较具有相同尺寸触点的连接器。高密度连接器在数据采集或其他具有大量通道的应用中特别有用。在某些情况下,例如功率处理,触点需要具有最小尺寸,从而限制了连接器的可能密度。在恶劣环境中使用的工业或军事设备可能需要更大的触点来保证可靠性,这再次限制了可能的密度。

例如,高密度圆形连接器的尺寸为 06(直径 10 mm),包括多达 12 个 0.5 mm 的电源和信号触点,密度系数为 0.83。在另一种情况下,可以使用密度为 0.5 的具有 24 个触点的 08 (12 mm) 尺寸圆形连接器。虽然密度并不高,但这些连接器比一些同类设备轻75%。

根据应用的不同,重量可能与密度同样重要。尺寸、重量和功率 (SWaP) 受限的应用(例如可穿戴设备)可以在密度和重量之间进行不同的权衡。例如,智能手表等应用需要尽可能小的解决方案。小型板对板连接器的接触间距介于 0.35 和 0.3 mm 之间。这些连接器有多达 40 个触点,非常适合智能手表。

连接器

图 1:即使是非常小的可穿戴设备(如智能手表)也需要多个连接器,单个连接器中最多有 40 个引脚。

这些紧凑型连接器可以处理超过 10 Gbps 的信号速率,并具有铠装结构,可提供强大的性能并易于集成到可穿戴设备中。它们可以包括电源和信号引脚的混合,每个电源引脚的额定电流高达 5A,使具有四个电源引脚的连接器能够处理高达 10A 的电流,从而实现更快、更冷的充电。

医疗可穿戴设备

由于对这些设备的广泛测试和监管要求,可穿戴设备在医疗应用中的采用速度较慢。与用于消费和工业环境的设备相比,用于医疗可穿戴设备的连接器的判断标准不同。其中一些差异包括:

l 医疗设备市场面临着更大的监管挑战,连接器的设计必须满足灭菌、防护 (IP) 等级和更高的 EMI/EMC 要求的各种需求。

l 医疗设备制造商规避风险,只有在其他应用领域得到验证后才会采用连接器等组件。

l 医疗可穿戴设备不像其他领域使用的可穿戴设备那样依赖无线连接。

l 小型化对于医疗可穿戴设备来说并不那么重要。

虽然它不那么重要,但小型化医疗可穿戴设备仍然是可取的。它在助听器或智能戒指等应用中更为重要,而在背心、臂章和鞋子中则不那么重要(图 2)。例如,用于医疗可穿戴设备的板对板连接器具有 4 至 60 个位置、0.35 mm 间距、0.6 mm 堆叠高度和高达 5A 的额定电流。另一个 0.6 mm 高的板对板连接器系列可提供多达 5 个信号引脚和 2 个 1.7 mm 宽度的电源引脚。

连接器

图 2:医疗可穿戴设备有各种形状和尺寸,需要同样种类繁多的微型连接器才能有效实施。

柔性印刷电路 (FPC) 到板连接器也可提供间距为 0.35 毫米,堆叠高度为 0.6 毫米。这些 FPC 到板连接器的宽度为 1.9 毫米,可适应各种电源(高达 5A)和信号引脚配置。铠装设计可防止配合时损坏,这些连接器的自对准范围在宽度方向上为±0.3 mm,在间距方向上为±0.22 mm。

可以使用圆形连接器,这些连接器设计用于缝制到用于医疗监控设备的衣服中。它们具有 360 度配合移动自由度和 IP68 等级,简化了清洁(图 3)。薄型设计的额定插拔次数高达 10000 次。塑料版本的防护等级为 IP67,最多可插拔 5000 次,比金属版本轻 70%。

连接器

图 3:一些圆形连接器设计用于缝入医疗可穿戴设备的服装中。

军用可穿戴设备

可穿戴设备正被用于提高军用的态势感知能力并改善军用之间的协调。这些军用可穿戴设备中使用的连接器必须符合美国 Nett Warrior 计划和欧盟/北约通用开放式士兵系统参考架构 (GOSSRA) 计划的要求。Warrior 可穿戴设备包括显示器和摄像头、软件可编程无线电、地理定位和导航、武器监控和其他功能(图 3)。

连接器

图 4:Nett Warrior 和 GOSSRA 可穿戴设备形成了一个扩展的身体网络,以支持改进的态势感知和军人之间的合作。

MIL-DTL-38999 圆形压接连接器既是一个成熟的标准,也是微型连接器如何发展以满足可穿戴应用需求的一个很好的例子。这些连接器不断更新以满足新兴的 SWaP 需求。使用最近开发的复合材料使 D38999 连接器能够在更轻的解决方案中支持更高的数据速度和频率。在一个示例中,微型连接器满足 D38999 的振动和屏蔽要求,但比标准 D38999 连接器小 52%,轻 72%。

根据 Nett Warrior 规范设计并符合 GOSSRA 标准的微型圆形连接器可用于士兵可穿戴设备中的关键通信、导航和 USB 数据传输。锁定连接器也可用于 Nett Warrior 应用。在这些连接器中,插座在配合时提供听觉和触觉指示,并包括一个集成的锁定机构,以防止意外脱开。锁定机制还显着降低了连接和拔出这些连接器所需的力,并且它们可以用戴手套的手进行配合和拔出。

对于具有关键 SWaP 要求的密集封装应用,设计人员可以使用 MIL-DTL-32139 级纳米微型连接器,其尺寸为 2-28 个位置,触点间距为 0.64 毫米(0.025 英寸)。这些代表了可用的最小的 Mil-Qual 圆形连接器。它们采用塑料外壳或金属设计,具有螺纹、扭锁和分离式设计。分离版本可以承受高水平的冲击和振动。这些连接器有一个额外的保持弹簧,可以在预定的力下断开(释放连接)。某些型号的防护等级高达 IP68,可用于恶劣环境。这些是当今可用的最小的军用质量圆形连接器。能够承受高冲击和振动,同时保持电气完整性,分离式功能非常适合要求尺寸和坚固性的最苛刻应用。这些连接器可以包括应用所需的各种电源和信号引脚。 

军用+医疗可穿戴设备

成为一名军用是一项体力要求高且压力大的活动。军事组织越来越多地使用各种无线连接的可穿戴设备,覆盖 Nett Warrior 设备,以监测和评估军用的身体健康状况。这些军用医疗可穿戴设备监测心率、体温、加速度和步行距离等因素,以估计能量消耗并监测身体状况(图 4)。

虽然主要为医疗应用开发的可穿戴监测设备有望提供高精度和准确度,但这些因素在军事医疗监测中不太重要。在军事医疗监测可穿戴设备中,这些设备必须舒适且不降低军人的主要任务。军医可穿戴设备中使用的连接器必须体积小、重量轻、并且不显眼。这些设备并非旨在监测物理条件的微小变化。尽管如此,它们仍有望对能量消耗增加、心率或体温过高或其他可能对主要任务产生负面影响的情况发出警报。

连接器

图 5:军医可穿戴设备监测各种因素,以帮助确定军人的身体状况。

总结

可穿戴设备连接器的尺寸正在缩小,性能和种类也在不断增加。可穿戴设备用于从消费和工业设备到医疗、军事和军事+医疗的各种应用。它们还用于具有不同 SWaP 要求的环境中。除了满足 SWaP 规范外,连接器通常还要满足严格的信号完整性要求和恶劣的操作条件,例如需要对带有医疗连接器的设备进行消毒或军用连接器暴露在高水平的振动和冲击下。

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