嚴苛與極端環境專用連接器的細微考量

無論是工業 4.0 生產、機器人、物流設備、重型機械、運輸系統，還是石油天然氣生產等作業，使用的連接器通常都暴露在高要求的嚴苛環境中，例如水和鹽霧、灰塵、濕氣、劇烈衝擊與振動、極端溫度，還得保持電磁相容性 (EMC)。要因應這些極端要求並確保高可靠性，必須使用特定等級的連接器。

依實際應用而定，這些連接器需符合國際電工委員會 (IEC)、美國車輛研究委員會 (USCAR)、美國汽車工程學會 (SAE) 和 German AK Group 等機構制定的一系列標準。

本文會先介紹一些細微的考量點，例如耐天候和防水之間的差異，以及各種防水效能等級。接著會檢視 USCAR-2 與德國 LV 214 振動測試之間的差異。最後會介紹 Amphenol 的一系列連接器，如線對板、USB Type-C®、ix、M12 推拉式、濾波式 Sub-D 設計，以及能在嚴苛和極端環境中滿足要求的可抽換電池解決方案。

耐天候與防水

某些連接器標榜能「耐天候」。根據美國國家氣象局的定義，「天候係指特定時間和地點的大氣狀態，包括溫度、濕度、風速和風向以及大氣壓力等變數。」耐天候在氣象學和連接器領域有不同的含義。

連接器技術標準並未採用耐天候特性。連接器規格通常不會涉及各種風速等級或大氣壓力。氣象學對「天候」的定義並未提及可能影響連接器效能的灰塵或其他微粒，而此定義收錄於連接器適用的標準中，例如 IEC 60529 外殼保護等級 (IP 代碼)。

IP 防護等級系統

一般而言，耐天候連接器專為戶外用途和暴露在自然天候中而設計。其防護等級通常在 IP65 及以上，並使用抗紫外線 (UV) 材料製成，以因應長時間暴露在陽光下的情況。防水連接器的 IP 等級至少要 IP67 以上。辨識連接器為耐天候型或防水型雖然有所幫助，但最好確定其具體的 IP 防護等級。

最低防護等級為 IP11。此等級能防止 50 mm 的物體 (如手) 穿透，但無法防水。連接器的 IP 防護等級通常遠高於此。例如，IP65 等級的耐天候連接器即使接觸灰塵 2 至 8 小時，效能仍不受影響，並可在水柱下受到保護，可允許一定限度的水侵入。

IP67 等級的防水連接器具有塵密能力，可浸入 1 公尺深的水中達 30 分鐘而不會進水。對於要求更高的應用，也有更高的 IP 等級，可提供增強的防水性 (圖 1)。

圖 1：侵入防護等級的定義。(圖片來源：Amphenol)

振動變化

為確保可靠運作，連接器必須具有穩固的接觸。但在工業系統、重型設備和運輸應用等高振動環境中，這可是一項挑戰。連接器通常會參照兩種振動標準，即 LV214 和 USCAR-2。

兩者都參考了 IEC 60068 SR (系統要求) 環境測試系列方法，其涵蓋一連串測試條件，包括正弦、隨機和衝擊激磁，以及極端高低溫條件。兩者也參考了 IEC 60512-1-1 標準，其制訂測試時的目視檢查項目。LV214 和 USCAR-2 雖有許多共同點，但兩者並不相同。

LV214 由 AK Group of German 車廠擬定。此標準著重於使用壓接力監測器評估端子的品質。端子的壓接力特性必須符合指定規定。壓接力監測器可測量壓接過程中施加的壓力，確保其符合該標準的要求。

USCAR-2 涵蓋的範圍更廣。此標準涵蓋在所有開發階段進行的測試，以及對高壓 (60 V 至 600 V) 汽車應用中的端子、連接器及其他元件進行的現場分析。

這兩種標準都將振動分為五個強度等級。在 LV214 中，振動等級從 S1 (振動度最嚴重，通常在輪胎附近) 到 S5 (振動度最輕微，通常在乘客車廂內)。電動車 (EV) 電池組等位置的振動等級為 S2。USCAR 2 等級包括 V1 (底盤振動曲線) 和較劇烈的 V2 (引擎振動曲線)，更高的振動測試等級則包括測試期間的熱循環。(表 1)。

表 1：LV214 S2 和 USCAR2 V1 的要求可顯示出在隨機振動、持續時間、溫度循環和半正弦衝擊測試上的差異。(表格來源：Amphenol)

Amphenol 提供多種工業解決方案。例如，Amphenol 的 WireLock 1.8 mm 線對板連接器同時符合 USCAR-2 V2 和 LV214 S2 標準。這款連接器專為汽車、電池管理系統、工業與儀表應用以及機器人而設計。

WireLock 連接器的標稱額定電流為 3 A，可處理的電線尺寸為美國線規 (AWG) 22 至 26。可提供採用雙排設計，腳位多達 40 個的型號，並提供垂直與水平方向的通孔式與表面黏著配置。有四種不同的顏色，可有效防止誤接 (圖 2)。

WireLock 連接器有多達 40 個腳位，且符合 USCAR2 V2 和 LV214 S2 標準。(圖片來源：Amphenol)

防水和強固的 USB Type-C

USB Type-C 連接能力在許多應用中非常重要，包括工業和嚴峻環境。此標準規定的是連接器樣式，而非協定，並且能支援高達 10 Gb/s 的數據傳輸率和電力傳輸。除了將此標準用於 USB 連接外，這些連接器還能用於 Thunderbolt、快速週邊元件互連介面 (PCIe)、高解析度多媒體介面 (HDMI)、DisplayPort 及其他協定。

為了支援最大數據傳輸率，這些連接器中的所有接地零件 (例如引腳、閂鎖和 EMC 板) 都有接地以減少共振。控制共振就可限制串音量及電磁干擾 (EMI)，並有助於增進連接器效能。

Amphenol 提供防水版和強固版 USB Type-C 連接器。防水版 USB Type-C 連接器的防護等級為 IP68，即使長時間浸水也不受影響。該公司使用液體射出成型 (LIM) 製程，在連接器外側製作一個防水橡膠 O 形環，確保不鏽鋼殼體完全密封。這些 24 引腳連接器的額定插拔次數為 10,000 次。

對某些應用來說，有防水能力還不夠。針對這些應用，設計人員可使用 MUSBR 強固版 Type-C USB 連接器。與防水版連接器一樣，這些強固版連接器的額定插拔次數也是 10,000 次。

其外罩以 UL94V-0 等級黑色工程熱塑性塑膠製成，並採用壓鑄鋅合金殼體搭配鍍鎳，可提供穩定性並在衝擊、振動與撞擊下提供防護。後蓋為不鏽鋼材質，並使用導電矽橡膠墊片密封，支援的防護等級為 IP67，工作溫度範圍為 -40°C 至 +105°C (圖 3)。

圖 3：Amphenol 提供防水版 (左) 和強固版 (右) USB Type-C 連接器。(圖片來源：Amphenol)

耐天候乙太網路

工業乙太網路促成了多種協定，包括 EtherCAT、Ethernet/IP、PROFINET、Modbus TCP 等，可在工業 4.0 設施中支援即時控制並達到確定性。Amphenol 提供多種工業乙太網路解決方案，能滿足特定應用的需求。這些解決方案的 IP 防護等級從 IP20 到 IP67 不等。

NDH 系列密封式 ix Industrial 閂鎖介面是一種長方形推拉式連接器與纜線解決方案，本身耐天候，防護等級為 IP67，並採用抗 UV 外罩，無論室內、戶外還是嚴苛環境皆可使用。這款介面採用標準 IEC 61076-3-124 配接介面，可支援 Cat6A 乙太網路連接。特點包括 (圖 4)：

• 推拉式確閉鎖緊閂鎖機制
• 尺寸小巧、輕盈
• 形式有可現場端接的插頭套件，或預製型纜線組件
• 可搭配標準 IP20 ix Industrial 插座使用

圖 4：這款耐天候工業乙太網路連接器 (黑色組件) 具有 IP67 防護等級，並採用抗 UV 外罩。(圖片來源：Amphenol)

M12 適用於嚴苛環境

Amphenol 提供一系列用於嚴苛環境的產品解決方案，包括 MPronto-12 M12 推拉式連接器。MPronto-12 插頭可配接所有符合 IEC 61076-2-101 的 M12*1.0 插槽，不分製造商。可在工業自動化、重型設備、電動車和材料搬運設備等應用中，直接快速提升系統的效能表現，並且提供 IP67、IP68 和 IP69K 等級的侵入防護，並支援 M12 A、B、D、K、L、S、T 和 X 代碼。其他特點包括：

• 工作溫度範圍為 -20°C 至 +105°C
• 可節省 80% 以上的安裝時間
• 會發出定位聲，可確保配接到位
• 比需要配接對的 M12 推拉式連接器競品更小

濾波 D-sub

FCE17 D-sub 濾波器連接器能濾除傳導與輻射型 EMI 的干擾，藉此保護數據訊號的完整性。此類連接器專為汽車、工業、醫療、數據通訊和能源產業而設計。

其提供的濾波效能，超過系統印刷電路板 (PCB) 上相同濾波器組件的效能，此外，在連接器中納入濾波元件還能縮減解決方案的尺寸及成本。這些濾波式連接器符合標準的非濾波式連接器覆蓋區，並可輕鬆提高 EMI 防護效能。

提供多種標準值介於 50 至 47000 pf 的低阻抗值晶片電容 (NP0 或 X7R 介電質)，可滿足多種濾波需求。亦有提供客製化電容值。

Amphenol 的應力隔離技術能讓其生產的連接器具有優異的機械與熱衝擊能力。連接器或觸點上的機械應力，不會造成濾波器元件破裂或電氣連接中斷。此外，外部 EMI 和裝置所輻射和傳導的輻射量皆會分流至接地，因此可增強 EMC 效能。

無人機和機器人可抽換電池

若要針對倉庫和工廠中的無人機、機器人與電動交通工具系統設計可抽換電池系統，設計人員可使用 DURASWAP 可抽換式電池連接器解決方案。此解決方案有兩種電源配置和六種訊號配置，亦提供客製化設計。此方案能承載 15 至 70 A 的連續電流，額定插拔次數為 10,000 次。

支援盲插，浮動距離為 ±2 mm。先接後斷 (FMLB) 技術可先進行接地再連接電源，且接地可維持到電源中斷後才會斷開。用於固定面板的金屬襯套能承受高扭力負載，可達到有效的面板 IP 密封。其他特點包括 (圖 5)：

• 具有導引銷，可確保妥善配接
• 無論是否配接皆具有 IP67 等級
• UL94V-0 級外罩材料
• 工作溫度範圍為 -20°C 至 +90°C

圖 5：這些電源連接器搭載 FMLB 技術，可支援 ±2 mm 浮動距離的盲插。(圖片來源：Amphenol)

結論

本文探討在挑選嚴苛與極端環境用的連接器時需考量的一些事項。在某些情況下，有必要區分 USCAR-2 和 LV214 的振動測試。由於現今越來越多系統用於戶外環境，因此必須瞭解耐天候和防水特性之間的差異，以及各種防水效能等級。最後也探討特定應用的考量，包括在電源連接器中使用 FMLB 技術，以及在高速數據連接器中使用整合式 EMI 濾波功能。