微型SD存儲(chǔ)卡連接器常見(jiàn)偵測(cè)端子設(shè)計(jì)探討

徐 祥

(安費(fèi)諾(常州)高端連接器有限公司上海分公司，上海閔行，201103)

1 微型SD存儲(chǔ)卡介紹

微型SD存儲(chǔ)卡，英文名稱(chēng)Micro SD Card，原名Trans-flash Card(TF卡)，2004年正式更名為Micro SD Card，由SanDisk(閃迪)公司發(fā)明。由于其外形尺寸較小，所以廣泛應(yīng)用于移動(dòng)智能終端設(shè)備存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。微型SD存儲(chǔ)卡的外形尺寸和接觸區(qū)金手指定義如圖1所示。

圖1 微型SD卡主要尺寸和接觸區(qū)金手指定義

2 微型SD存儲(chǔ)卡連接器類(lèi)型

微型SD存儲(chǔ)卡連接器，是用來(lái)放置存儲(chǔ)卡的連接器。由于移動(dòng)智能終端種類(lèi)繁多，為了滿(mǎn)足不同設(shè)備的需求，從對(duì)存儲(chǔ)卡的操作方式上來(lái)看，目前市面上的微型SD存儲(chǔ)卡連接器主要有三種，即翻蓋式、插入時(shí)、推進(jìn)推出式，如圖2所示。從連接器的復(fù)雜程度來(lái)看，推進(jìn)推出式微型SD連接器的結(jié)構(gòu)是最復(fù)雜的。而從用戶(hù)操作的方便性來(lái)看，推進(jìn)推出式連接器，是操作最方便的。推進(jìn)推出式微型SD存儲(chǔ)卡連接器一般都會(huì)設(shè)置偵測(cè)端子，這也是本文討論的重點(diǎn)，對(duì)于此類(lèi)連接器其他方面的結(jié)構(gòu)，本文不做討論。

圖2 常用的微型SD卡連接器種類(lèi)

3 微型SD存儲(chǔ)卡連接器偵測(cè)端子闡述

當(dāng)微型SD存儲(chǔ)卡連接器設(shè)置有偵測(cè)端子時(shí)，產(chǎn)品可以支持熱插拔功能，可以在移動(dòng)智能終端設(shè)備電源不關(guān)閉的情況下進(jìn)行插拔存儲(chǔ)卡。當(dāng)存儲(chǔ)卡插入或者拔出時(shí)，兩個(gè)偵測(cè)端子會(huì)接觸或者分離，從而偵測(cè)電路會(huì)給移動(dòng)智能終端設(shè)備發(fā)送信號(hào)，從而判斷存儲(chǔ)卡是否在設(shè)備里面。在連接器上，偵測(cè)端子都是成對(duì)出現(xiàn)的。如圖3所示，為推進(jìn)推出式微型SD存儲(chǔ)卡連接器偵測(cè)端子典型設(shè)計(jì)，在存儲(chǔ)卡插入連接器的過(guò)程中，存儲(chǔ)卡會(huì)先接觸偵測(cè)端子1，并推動(dòng)偵測(cè)端子1與偵測(cè)端子2 接觸，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)智能終端對(duì)存儲(chǔ)卡的插入偵測(cè)。

圖3 微型SD存儲(chǔ)卡連接器偵測(cè)端子

對(duì)于偵測(cè)端子，常見(jiàn)的有常閉和常開(kāi)偵測(cè)端子，如圖4所示。常開(kāi)偵測(cè)端子設(shè)計(jì)，因?yàn)槠淇煽啃愿撸谶B接器上是最為常見(jiàn)的一種設(shè)計(jì)。常閉偵測(cè)端子因?yàn)樵赟MT的焊接過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一些品質(zhì)問(wèn)題，所以很少會(huì)應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品中。

圖4 偵測(cè)端子的類(lèi)型

在微型SD存儲(chǔ)卡插入連接器的過(guò)程中，信號(hào)端子和偵測(cè)端子在接觸順序上也是有嚴(yán)格要求的。只有在所有的信號(hào)端子都接觸上以后，偵測(cè)端子才能接觸；而在存儲(chǔ)卡退出連接器的過(guò)程中，偵測(cè)端子先與卡分離，信號(hào)端子才會(huì)與卡分離。這是偵測(cè)端子設(shè)計(jì)的基本原則，只有這樣，才能確保存儲(chǔ)卡的安全插拔。

4 微型SD存儲(chǔ)卡連接器偵測(cè)端子的設(shè)計(jì)探討

微型SD存儲(chǔ)卡連接器偵測(cè)端子對(duì)連接器的重要性不言而喻，所以對(duì)偵測(cè)端子的可靠性設(shè)計(jì)的研究是存儲(chǔ)卡連接器功能得以可靠實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。受連接器產(chǎn)品尺寸的限制，偵測(cè)端子在連接器上的放置位置也是有局限性的。

4.1 偵測(cè)端子在連接器上可以放置的位置

如圖5所示，為微型SD卡連接器的基座，在基座上A、B兩個(gè)區(qū)域都是可以放置偵測(cè)端子的區(qū)域。具體放置的區(qū)域，可以根據(jù)客戶(hù)的要求進(jìn)行選擇。但一般來(lái)說(shuō)，連接器廠家都會(huì)選定一個(gè)區(qū)域，做出一個(gè)穩(wěn)定可靠的設(shè)計(jì)來(lái)推向市場(chǎng)。

圖5 偵測(cè)端子放置位置

而偵測(cè)端子在連接器上放置的位置，也決定了偵測(cè)端子工作的時(shí)候，偵測(cè)端子1與存儲(chǔ)卡接觸的位置。如圖6所示，A′與圖五的A相對(duì)應(yīng)。而對(duì)于偵測(cè)端子放置在B的位置，則是通過(guò)存儲(chǔ)卡位置B′推動(dòng)存儲(chǔ)卡上的另外一個(gè)零件心型槽，心型槽與偵測(cè)端子1發(fā)生作用(心型槽是推進(jìn)推出機(jī)構(gòu)的一個(gè)核心零件，本文不做討論)。

圖6 偵測(cè)端子1與存儲(chǔ)卡接觸的位置

4.2 微型SD卡連接器上常見(jiàn)類(lèi)型及偵測(cè)端子設(shè)計(jì)

圖7是市面上五種有代表性的推進(jìn)推出微型SD卡連接器。其偵測(cè)端子的設(shè)計(jì)都不相同，不同的設(shè)計(jì)，偵測(cè)端子的工作方式是不一樣的，同時(shí)也決定了偵測(cè)端子工作的可靠性。針對(duì)這五款偵測(cè)端子設(shè)計(jì)只進(jìn)行探討，對(duì)其設(shè)計(jì)上的缺陷的優(yōu)化，不做討論。對(duì)于類(lèi)型5的產(chǎn)品，是本人在一家連接器公司工作期間負(fù)責(zé)的一個(gè)項(xiàng)目，這款產(chǎn)品的偵測(cè)端子的設(shè)計(jì)充分結(jié)合微型存儲(chǔ)卡連接器本身的特點(diǎn)，充分理解偵測(cè)端子的工作原理所得出的一個(gè)穩(wěn)定可靠的設(shè)計(jì)。

本文后面的內(nèi)容通過(guò)對(duì)各偵測(cè)端子的結(jié)構(gòu)分析以及FEA仿真分析，可以看出各種偵測(cè)端子設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)。

圖7 常見(jiàn)的推進(jìn)推出微型SD卡連接器

4.2.1 類(lèi)型1微型SD卡連接器偵測(cè)端子設(shè)計(jì)說(shuō)明

如圖8所示，存儲(chǔ)卡插入連接器中，存儲(chǔ)卡推動(dòng)心型槽向前，同時(shí)心型槽推動(dòng)偵測(cè)端子1向偵測(cè)端子2 靠近直至兩個(gè)偵測(cè)端子相互接觸。這是比較常見(jiàn)的一種偵測(cè)端子的設(shè)計(jì)方式，只要兩個(gè)偵測(cè)端子之間的間隙以及兩個(gè)偵測(cè)端子之間的接觸力能夠得到保證，其應(yīng)用可靠性還是有保證的。

圖8 類(lèi)型1微型SD卡連接器偵測(cè)端子

4.2.2 類(lèi)型2微型SD卡連接器偵測(cè)端子設(shè)計(jì)說(shuō)明

如圖9所示，一家日本的連接器廠商的設(shè)計(jì)。當(dāng)存儲(chǔ)卡插入連接器中，存儲(chǔ)卡推動(dòng)偵測(cè)端子1向偵測(cè)端子2 靠近，偵測(cè)端子1會(huì)通過(guò)端子上的接觸區(qū)1，與偵測(cè)端子2上的接觸區(qū)2相互接觸。兩個(gè)端子之間的接觸方式跟常規(guī)的偵測(cè)端子接觸方式不一樣的，是通過(guò)偵測(cè)端子1上的接觸區(qū)向下推動(dòng)偵測(cè)端子2，從而使兩個(gè)偵測(cè)端子形成接觸。這樣的設(shè)計(jì)，偵測(cè)端子的接觸方向與卡的插拔方向垂直。這種設(shè)計(jì)存在的缺點(diǎn)有兩個(gè)方面，一是偵測(cè)端子1在存儲(chǔ)卡插拔過(guò)程中，所受的變形量很大，所以說(shuō)對(duì)偵測(cè)端子1的材料選擇要求也相當(dāng)高，如果材料選擇不足以承受大變形量，端子會(huì)產(chǎn)生塑性變形，材料選擇太好，則會(huì)增加產(chǎn)品的成本。另外一個(gè)方面的缺點(diǎn)則是由于兩個(gè)偵測(cè)端子的接觸方式導(dǎo)致的，這樣的接觸方式，對(duì)于兩個(gè)端子之間的接觸力有要求，接觸力不能太高，否則兩個(gè)端子在退卡的過(guò)程中不能分離。同時(shí)，也要求偵測(cè)端子1的接觸區(qū)表面要非常光滑，這也增加了沖壓加工的難度。在實(shí)際應(yīng)用中，兩個(gè)偵測(cè)端子卡死的現(xiàn)象是存在的。

圖9

4.2.3 類(lèi)型3微型SD卡連接器偵測(cè)端子設(shè)計(jì)說(shuō)明

如圖10所示，存儲(chǔ)卡插入連接器中，存儲(chǔ)卡推動(dòng)偵測(cè)端子1向偵測(cè)端子2 靠近直至兩個(gè)偵測(cè)端子相互接觸。與類(lèi)型2的偵測(cè)端子設(shè)計(jì)類(lèi)似，區(qū)別在于偵測(cè)端子的1和2的接觸方式不同。其設(shè)計(jì)上的缺點(diǎn)，除了類(lèi)型2的偵測(cè)端子的1和2有時(shí)會(huì)出現(xiàn)卡住的異常外，兩種設(shè)計(jì)的其他缺點(diǎn)都是相同的。

圖10 類(lèi)型3微型SD卡連接器偵測(cè)端子

4.2.4 類(lèi)型4微型SD卡連接器偵測(cè)端子設(shè)計(jì)說(shuō)明

如圖11所示，偵測(cè)端子的設(shè)計(jì)是利用連接器上VSS端子作為偵測(cè)端子1，在VSS端子的前下方放置偵測(cè)端子2。 當(dāng)存儲(chǔ)卡插入連接器中，卡的VSS接觸區(qū)的金手指會(huì)先跟VSS端子接觸，在VSS端子變形的過(guò)程中，VSS端子頭部會(huì)與偵測(cè)端子2接觸，從而使連接器的偵測(cè)功能得以實(shí)現(xiàn)。這種設(shè)計(jì)，偵測(cè)端子2與VSS端子頭部的間隙要控制的很好，否則會(huì)發(fā)生偵測(cè)端子2與VSS端子頭部接觸不到，或者即使接觸上了，兩個(gè)端子間的接觸力很小，從而導(dǎo)致偵測(cè)失效的異常。從成本角度來(lái)講，此設(shè)計(jì)的成本是有優(yōu)勢(shì)的。

圖11 類(lèi)型4微型SD卡連接器偵測(cè)端子

4.2.5 類(lèi)型5微型SD卡連接器偵測(cè)端子設(shè)計(jì)說(shuō)明

如圖12所示，偵測(cè)端子的設(shè)計(jì)是利用連接器上VSS或者VDD端子作為偵測(cè)端子1， 在VSS或者VDD端子對(duì)面放置偵測(cè)端子2。當(dāng)存儲(chǔ)卡插入連接器中，卡的VSS或者VDD接觸區(qū)會(huì)先跟信號(hào)端子VSS或者VDD接觸，然后再跟偵測(cè)端子2方案一或者偵測(cè)端子2方案二接觸，從而使得兩個(gè)偵測(cè)端子通過(guò)卡上的金屬層形成通路。這種偵測(cè)端子的方案設(shè)計(jì)，充分利用了存儲(chǔ)卡上接觸區(qū)金手指的長(zhǎng)度，讓兩個(gè)偵測(cè)端子通過(guò)金手指導(dǎo)通，使其可靠性得到充分保證，同時(shí)產(chǎn)品的成本也會(huì)有很大的競(jìng)爭(zhēng)力。

圖12 類(lèi)型5微型SD卡連接器偵測(cè)端子

4.3 常見(jiàn)的偵測(cè)端子力學(xué)性能仿真

上一節(jié)對(duì)五種偵測(cè)端子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，得出各種偵測(cè)端子結(jié)構(gòu)上的優(yōu)缺點(diǎn)。本節(jié)是針對(duì)五種偵測(cè)端子，進(jìn)行對(duì)比力學(xué)仿真分析，主要目的在于了解每個(gè)偵測(cè)端子設(shè)計(jì)的力學(xué)性能，從而可以判斷其性能的可靠性。這也可以對(duì)各偵測(cè)端子有個(gè)全面的了解。

為了使仿真分析的結(jié)果具有可比較性，對(duì)五種偵測(cè)端子的仿真分析選用的材料是相同的。仿真分析選用的材料為C52100-H06，為連接器常用的磷青銅合金，材料的抗拉強(qiáng)度為700～755MPa，分析的時(shí)候取值728MPa，楊氏模量為106GPa。

從機(jī)械性能上來(lái)講，影響偵測(cè)端子工作可靠性的因素有偵測(cè)端子1和偵測(cè)端子2之間的接觸力，以及偵測(cè)端子在工作狀態(tài)下的應(yīng)力狀態(tài)。所以針對(duì)仿真分析的結(jié)果，我們重點(diǎn)討論偵測(cè)端子工作狀態(tài)下的接觸力和應(yīng)力。

仿真選用的軟件是Ansys workbench 15.0，仿真分析的過(guò)程包括，偵測(cè)端子模型簡(jiǎn)化，F(xiàn)EA建模，分析以及結(jié)果導(dǎo)出分析。分析前，對(duì)偵測(cè)端子的模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，以用于軟件進(jìn)行仿真分析，F(xiàn)EA簡(jiǎn)化模型如圖13所示。

圖13 偵測(cè)端子FEA簡(jiǎn)化模型

4.3.1 類(lèi)型1微型SD卡連接器偵測(cè)端子力學(xué)性能仿真

如圖14，類(lèi)型1偵測(cè)端子仿真結(jié)果所示，在存儲(chǔ)卡處于工作狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)偵測(cè)端子之間的接觸力很小，只有0.12N左右(0.26-0.14)，一般對(duì)于鍍金產(chǎn)品，接觸力一般都要求在0.3N以上，這么低的接觸力已經(jīng)很難保證存儲(chǔ)卡安全可靠的工作。而對(duì)應(yīng)的偵測(cè)端子工作時(shí)的應(yīng)力，處于低應(yīng)力區(qū)，這與端子之間的接觸力較低的結(jié)果是相互吻合的。

圖14 類(lèi)型1偵測(cè)端子仿真結(jié)果

4.3.2 類(lèi)型2微型SD卡連接器偵測(cè)端子力學(xué)性能仿真

如圖15，類(lèi)型2偵測(cè)端子仿真結(jié)果所示，在存儲(chǔ)卡處于工作狀態(tài)時(shí)，偵測(cè)端子之間的接觸力為0.34N，屬于合理范圍，可以保證偵測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)。

而對(duì)與偵測(cè)端子1的接觸力，是其與存儲(chǔ)卡在工作狀態(tài)下的接觸力，其大小對(duì)偵測(cè)功能沒(méi)有影響。對(duì)于偵測(cè)端子的應(yīng)力狀況，偵測(cè)端子1的應(yīng)力處于高應(yīng)力狀態(tài)，有塑性變形的風(fēng)險(xiǎn)，偵測(cè)端子2的應(yīng)力狀況處于低應(yīng)力狀態(tài)。

圖15 類(lèi)型2偵測(cè)端子仿真結(jié)果

4.3.3 類(lèi)型3微型SD卡連接器偵測(cè)端子力學(xué)性能仿真

如圖16，類(lèi)型3偵測(cè)端子仿真結(jié)果所示，此設(shè)計(jì)與類(lèi)型2有點(diǎn)相似，不同之處在于偵測(cè)端子之間的接觸方式不同。對(duì)于此設(shè)計(jì)，在存儲(chǔ)卡處于工作狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)偵測(cè)端之間的接觸力為0.28N(0.34-0.06)，稍小于安全值，可以?xún)?yōu)化。而對(duì)于高中狀態(tài)下的應(yīng)力，兩個(gè)偵測(cè)端子的變形量都較大，使得偵測(cè)端子在工作狀態(tài)時(shí)處于高應(yīng)力區(qū)，端子易產(chǎn)生塑性變形，從而會(huì)影響偵測(cè)端子的偵測(cè)功能。

圖16 類(lèi)型3偵測(cè)端子仿真結(jié)果

4.3.4 類(lèi)型4微型SD卡連接器偵測(cè)端子力學(xué)性能仿真

如圖17，類(lèi)型4偵測(cè)端子仿真結(jié)果所示，在存儲(chǔ)卡處于工作狀態(tài)時(shí)，偵測(cè)端子之間的接觸力為4.6N(5.1-0.5)，接觸力太大，導(dǎo)致這種狀況的原因在于，偵測(cè)端子2的懸臂梁長(zhǎng)度較短。而對(duì)于應(yīng)力狀況，很明顯，偵測(cè)端子2在工作狀態(tài)時(shí)，處于很高的應(yīng)力狀態(tài)，在這種狀況下，偵測(cè)端子2的塑性變形是不可避免的?？梢?jiàn)，此設(shè)計(jì)不能保證產(chǎn)品的偵測(cè)功能。

圖17 類(lèi)型4偵測(cè)端子仿真結(jié)果

4.3.5 類(lèi)型5微型SD卡連接器偵測(cè)端子力學(xué)性能仿真

如圖18，類(lèi)型5偵測(cè)端子仿真結(jié)果所示，在存儲(chǔ)卡處于工作狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)偵測(cè)端子與存儲(chǔ)卡金手指之間的接觸力都在0.4N左右，屬于合理范圍。且在工作狀態(tài)下，接觸端子的應(yīng)力均處于合理的應(yīng)力范圍。此設(shè)計(jì)是在充分理解偵測(cè)端子的工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合微型SD卡連接器的特點(diǎn)，得出的一個(gè)設(shè)計(jì)方案，在保證連接器功能的前提條件下，使得連接器的設(shè)計(jì)更加安全可靠，從結(jié)構(gòu)方面來(lái)講，這個(gè)偵測(cè)端子的設(shè)計(jì)無(wú)疑是最可靠的一種設(shè)計(jì)。針對(duì)此設(shè)計(jì)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)完稿后，申請(qǐng)專(zhuān)利，專(zhuān)利號(hào)為：ZL 200520046792.2。

圖18 類(lèi)型5偵測(cè)端子仿真結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

連接器的設(shè)計(jì)涉及很多方面，有單個(gè)零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有零件的配合設(shè)計(jì)，還有產(chǎn)品的某些功能方面的設(shè)計(jì)。每一個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)都對(duì)連接器的可靠性有決定性作用，本文對(duì)偵測(cè)端子的分析，就說(shuō)明了每一個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的重要性。從對(duì)偵測(cè)端子的優(yōu)缺點(diǎn)分析過(guò)程來(lái)看，我們可以得到這樣的啟發(fā)，在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要對(duì)產(chǎn)品的功能有充分的分析，明確功能實(shí)現(xiàn)的原理，同時(shí)需要對(duì)市場(chǎng)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行充分的分析，這樣才能得到一個(gè)穩(wěn)定可靠的設(shè)計(jì)。