本文比较了以太网连接器系统在工业IP20应用中的连接可靠性。特定测试序列已被用来测量2种以太网连接器系统的性能。

　　1. 介绍

　　工业物联网/工业4.0的新发展增加了传感器和执行器连接的数量，并要求更小的连接器外壳，同时由于更低的延迟需求，连接可靠性要求不断增加。

　　在工业IP20应用中，使用了RJ45连接器，即使该接口最初是通过使用穿孔触点被用于非屏蔽电话线路。众所周知，在具有振动和湿度的腐蚀性环境中，RJ45连接器接口不是最稳定和可靠的电气连接。 Mini I / O连接器系统是工业以太网的理想选择，其插拔面外壳仅为RJ45插孔的25%。

　　作为该基准测试的起点，使用IEC 60306-7-X的要求。要比较连接器系统的性能，仅测试是否可以满足某些规范标准是不够的。相反，系统必须超出产品发布或IEC规范通常要求的应力。例如。IEC 60603-7-3仅需要50 m / s2的振动，约为5克。可以提高单个测试的应力水平，但也需要不同的测试组合来引发与工业应用中的实际使用相对应的应力。振动水平可以轻松提高，但通过引入一系列耐久性(插拔循环)、混合流动气体(MFG)、温度—寿命和振动测试，使其磨损和腐蚀，从而更好地预示恶劣环境中的接触系统性能。

　　在振动期间，连接器通常符合IEC 60512-5-2(测试2e)标准，并在给定振动周期和水平期间具有一定长度的不连续的阈值。根据IEC 60603-7，不连续性要求为10μs。目前的通信速度，在10μs的时隙内，根据所使用的协议需要编码许多比特。对于此基准测试，将按照下一节中的描述监控较短的中断。

　　图1.不同类型的测试以太网连接器示例

　　2. RJ45连接器系统

　　“RJ45”通常是指这样一类物理连接器，根据IEC60603-7、ANSI / TIA-1096-A和ISO-8877标准，它们被标准化为8P8C模块化连接器。RJ45与TIA / EIA-568标准中规定的T568A和T568B引脚排列相连，兼容电话和以太网。RJ45是一种模块化连接器，最初设计用于电话线路。该模块化连接器在美国的注册接口系统中有所描述。这是1976年美国联邦通信委员会(FCC)规定的，它们被称之为注册插座。

　　RJ45中使用的穿孔触点是唯一已知的可靠连接到金属丝线的原理，如固定电话线圈中所使用的那样。模块化设计使其非常适合端接各种宽度的扁平电缆。对于扁平电缆，其端接速度仍然是无与伦比的，因为所有导体都是一步穿孔，并且还提供双电缆应力消除。不幸的是，T567B的接线方案需要圆形电缆的导线交叉，从而使得端接远不那么直接。

　　在过去的几十年中，RJ45已经证明了它的多功能性[1]，现在甚至通过额外的屏蔽和坚固的外壳可在工业环境中使用。

　　2.1. Mini I / O连接器系统

　　与RJ45相比，最初设计用于日本工业市场的Mini I / O更小、更可靠。通过选择完全封闭的金属外壳来减少插拔接口包络(envelope)，这些外壳承受外力，提供紧密公差和插拔界面稳定性。通过使用额外的多个焊盘和额外的孔锚钉，它可以承受98 N的拉力，符合产品规格，同时仍然是真正的SMD拾取和放置。使用公母接触布局，插头和插座触点都具有弹簧作用和2个独立的触点，也称为“打斗蛇(fighting snake)接触”。作为发起人，TE Connectivity获得了Mini I / O的IEC标准化，速度高达1 Gbps / 100m [2]。 AMPHENOL和FCI正在推动这种连接器作为工业市场的标准。

　　3. 方法和结果

　　使用的测试样品

　　这些连接器端接到普通工业级Cat 5e电缆，具有26AWG [0.13 mm2]电线。RJ45插座是直角SMD型插座，但通孔回流焊类型除外。RJ45插头是穿孔或现场安装类型。所有连接器品牌均成对测试;插头和插孔是同一品牌，除了一对。而Mini I / O直角插座，带有2种键控的SMD型与焊接型插头配合使用。

　　准备好引线组件后，在实验室的初始LLCR测量中立即发现了几个不良的RJ45穿孔终端(Rtotal - Rbulk>20mΩ)。使用电气连续性工具进行的常规端接质量检查未发现这些缺陷。调查表明，电线插入深度和/或负载杆深度对于制造良好的穿孔终端非常关键。对于所有RJ45穿孔品牌，在将导线管理器压入连接器时必须注意保证正确的导线插入深度，但某些品牌在这方面非常关键。

　　触点物理分析

　　RJ45和Mini I / O触点系统均基于镀镍金。图2为两者对比情况。

　　图2. 2个以太网连接器系统的插拔接口横截面的比较

　　每种连接器类型对连接稳定性的影响的主要差异是：

　　RJ45布局：

　　触点稳定性;IEC60603系列强制执行的尺寸和公差使得触点和正向力具有非常大的变化(最差情况下，插拔方向上最大为1.08 mm)。

　　单触点;只有一个线束/触点的接触系统可以非常稳定[3]，但较差的触点稳定性总和会引起磨损，没有来自平行触点的冗余，直接显示出电阻波动。特别是当插拔循环磨损之后，环境应力接踵而来。

　　剪切边缘连接： 穿孔触点的冲压方向将在触点插拔表面上形成剪切边缘。一些RJ45插头接触表面是平滑的。

　　电线端接穿孔接触原理：在穿孔过程中，工具压在接触表面上，从而存在引起变形或损坏表面的风险。

　　Mini I / O布局：

　　触点稳定性;触点公差链得到很好的控制。金属外壳具有更严格的公差并提供更大的刚性。

　　在焊接型插头和SMD插座中，两种触点都具有光滑的滚动表面。

　　布局更复杂，并且在插头和插座侧需要弹性弹簧材料。

　　4. 性能和可靠性调查

　　测试组针对特定的性能区域进行选择。每组由4个插拔对组成，因此每组进行32次信号接触测量。

　　机械/振动/耐用性

　　在375次插拔循环后选择了两个测试组，并且在湿度(21个-10 / 25/65℃循环)或MFG(4个气体/ 21天)测试之后进行温度—寿命和振动测试，直到25克。目标是在磨损后引起环境应力，因此可以发现接触系统之间的差异，而不用测试过温和或破坏所有连接。低水平接触电阻(ΔLLCR)的增加是其中一个结果。最初所有信号连接均正常(<20mΩ)，但在最初的375次插拔周期后，已经观察到大的静态电阻增加(>300mΩ)。

　　图3.在插拔循环、环境应力和振动之后，信号接触LLCR增加

　　在振动测试中，使用特殊设置来计算微不连续性。目的是测量每个连接器在振动期间误码增加的程度。用于以太网的规范IEC 60603-7规定，当不连续发生超过10μs时，产品会发生故障。大多数工业网络必须至少具有Cat 5e性能，每个差分对的波特率必须为125Mbaud。每个波特的时间周期为8ns，因此当仅将10μs的不连续性计为故障时，已经发生了许多误码。因此，该测试中的中断时间需从10μs减少到20ns。该值在一个波特的时间段范围内。然后，在持续2小时的振动测试期间，每次大于20ns的中断都被计为故障。

　　这种不连续性检查的结果如图4所示。所有连接器都显示不连续，但是当计算20 ns的不连续性时，可以通过不连续的总数给出连接质量等级。该值可以更好地理解工业应用中的连接器稳定性。

　　图4. 振动期间在插拔循环环境压力后的20 ns不连续性，8个串联的信号触点

　　介电耐压(DWV)

　　为了找到连接器系统的电压限制，每组进行了2次插拔，直到闪络破坏连接器。所有样品均通过IEC要求，最小安全裕度为500 V，如图5所示。

　　图5.介电耐压—测试直到失效

　　EMI

　　在EMI测量中选择屏蔽衰减进行比较，以显示1至500MHz连接器的EMI性能。图6给出了结果。可以看出，Mini I / O焊接版本的屏蔽衰减明显优于其他RJ45版本，频率高达125MHz(这是数据速率高达1Gbps的频段)。对于125MHz以上的频率范围，其性能仍然是最好的之一。

　　图6. EMI结果

　　图7.电缆移动测试设置

　　触点物理：正向力和阻力

　　原始部件的3次连续偏转显示出正向力和阻力与偏转的正常可重复特性。所有连接器都具有类似金的低且稳定的初始电阻。

　　添加了额外的电缆移动测试以进一步研究界面稳定性。该电缆移动测试显示出与汽车LV-214-2“慢动作弯曲测试”的一些相似之处，并且当在距离插拔接口100mm距离处横向和轴向移动电缆时监控电阻。这引起连接器接口限制内的触点相对运动。对电阻的影响见图8。

　　迷你I / O焊接插头组合是最稳定的。

　　图8.电缆移动期间的LLCR，测试序列超过IEC 60603-7-3

　　5. 结论

　　在所描述的广泛基准中，使用的测试组合和严重性超过了IEC 60603-7-3。Mini I / O焊料在几个关键性能标准上表现最佳，这些标准对于工业应用的使用至关重要：

　　振动期间的短暂不连续性：稳定的机械接口和双弹簧/双触点布局使得电平较低。

　　电缆移动期间的电阻：在环境应力测试后的界面运动期间呈现出非常稳定的平坦电阻线。

　　EMI：与所有其他RJ45连接器相比，Mini I / O的屏蔽衰减明显更好。

　　这些优势优于工业环境中使用Mini-I / O的其他优势：小尺寸(插拔面外形尺寸仅为RJ45的25%)和较高的电路板和电缆保持力(98 N电缆拉力)，从而Mini-I / O成为适用于恶劣IP20环境的首选电缆到板连接器解决方案。

　　6. 参考资料

        [1] R. Hult, Bishop & Associates Inc., http://www.connectorsupplier.com/praise-for-the-lowly-modular-plug/

　　[2] IEC 61076-3-122/Ed.1.0 2017-05, Part 3-122: “Detail specification for 8-way, shielded, free and fixed connectors for I/O and Gigabit applications in harsh environments.”

　　[3] J. Broeksteeg, IMAPS 2008, “Design of a high performance single beam contact for demanding and long life time applications in Industry and Telecom markets”