中心議題：
- 影響互連設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)密度和承載功率的關(guān)鍵因素
解決方案：
- 平衡電源互連空間和功率
- 連接器熱管理
市場(chǎng)對(duì)占用空間越來(lái)越小的大電流電源互連解決方案的需求不斷快速增長(zhǎng)，隨著對(duì)大功率小封裝產(chǎn)品的需求增長(zhǎng)，要解決新結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)平臺(tái)的功率平衡問(wèn)題，OEM系統(tǒng)和功率工程師遇上了電氣和機(jī)械設(shè)計(jì)方面的挑戰(zhàn)，他們需要選定能夠確保信號(hào)和功率完整性的互連組件。
信號(hào)連接器的傳送速度不斷提高，而體積則變得更??；但電源連接器卻與之不同，需要一定量的傳導(dǎo)材料來(lái)傳送一定量的電流或者安培數(shù)，所以不存在可以使用更小的功率觸點(diǎn)來(lái)傳導(dǎo)更大電流的特殊設(shè)計(jì)秘訣，而功率需求增加，更高載流容量互連所需的空間也隨之增加。
設(shè)計(jì)密度和承載功率
即使新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)常常要求以有限的空間傳送更大的功率，但仍然有數(shù)項(xiàng)因素影響著一款設(shè)計(jì)的功率密度以及它實(shí)際能夠承載的功率的大小。清晰了解每一種因素是成功實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)功率完整性和安全性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，而這也有助于簡(jiǎn)化整體設(shè)計(jì)過(guò)程。這些關(guān)鍵因素包括：
平衡空間和功率
首先，必須確定電源互連需要多大的空間，并對(duì)照最終產(chǎn)品設(shè)計(jì)中分配了多大的可用空間。對(duì)于大多數(shù)OEM廠商而言，節(jié)省空間是優(yōu)先考慮的因素，連接器的高度、寬度和長(zhǎng)度，尤其是含銅量，將會(huì)直接影響可承載的電流密度。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員總是希望以相同的空間來(lái)獲得更大的功率，而這正給連接器制造廠商帶來(lái)了挑戰(zhàn)。
然而，世界領(lǐng)先的連接器制造廠商不斷開(kāi)發(fā)新型和創(chuàng)新型設(shè)計(jì)，采用導(dǎo)電率更高的材料，更富創(chuàng)造性地利用空間，以便在不增加空間的情況下提高輸出功率和電氣性能。例如在某些情況下，選用側(cè)高較低的連接器，從而使冷卻氣流最大化。而在另一些情況下，則可能要選擇具有更佳接觸性能的較高的連接器，使用較少的卡邊緣空間來(lái)承載所產(chǎn)生的電流。但重要的是，以空間設(shè)計(jì)要求來(lái)使PCB的功率及其產(chǎn)生的熱效應(yīng)之間達(dá)到最佳平衡，以確保最終產(chǎn)品的安全性和性能。
熱管理
由接觸或集中電阻和低效的空氣流動(dòng)所造成的發(fā)熱問(wèn)題永遠(yuǎn)是令人關(guān)注的問(wèn)題，而且應(yīng)該在設(shè)計(jì)過(guò)程中提早認(rèn)真考慮。PCB含銅量是其中一個(gè)因素。含銅太少會(huì)限制電流流動(dòng)，因而產(chǎn)生集中電阻(constriction resistance)。尺寸合適的銅跡線可以降低體電阻、降低溫度并減小損耗。否則，熱量可能“下沉”到連接器的接口，增加了需要考慮的可靠性問(wèn)題。電源制造廠商在以各種特性來(lái)補(bǔ)足PCB結(jié)構(gòu)方面極具創(chuàng)造性，以緩解發(fā)熱和集中電阻的問(wèn)題。
此外，由于系統(tǒng)在更小的箱體中加入了更多的組件，因此必須確保定位于交叉點(diǎn)(如電源和服務(wù)器之間)的連接器周?chē)鷼饬鳙@得恰當(dāng)?shù)墓芾?。連接器周?chē)痛┻^(guò)連接器的氣流充足，將有助于冷卻功率觸點(diǎn)，增加電流容量，并提高安全性。同時(shí)，連接器有時(shí)位于關(guān)鍵點(diǎn)上，并且阻礙氣流流動(dòng)。然而，在考慮氣流問(wèn)題時(shí)，連接器的冷卻過(guò)程卻通常不在設(shè)計(jì)人員優(yōu)先考慮事項(xiàng)清單的前列。
在工作安全性方面，設(shè)計(jì)人員需要考慮整體系統(tǒng)及其電源結(jié)構(gòu)，針對(duì)影響熱性能和電氣性能的集中區(qū)域和壓降，從頭到尾了解可能出現(xiàn)的潛在問(wèn)題。一般來(lái)講，對(duì)于功率觸點(diǎn)，壓降超過(guò)30mV便會(huì)影響熱穩(wěn)定性。一旦跨越該閾值，熱不穩(wěn)定性的發(fā)生概率就會(huì)顯著增加。
世界級(jí)的連接器制造廠商正與客戶合作開(kāi)發(fā)改進(jìn)型電源互連解決方案，具有更小的空間、更高的溫度及更長(zhǎng)的產(chǎn)品壽命，從而實(shí)現(xiàn)安全、可靠的運(yùn)作。嶄新的設(shè)計(jì)采用了新型合金和成型樹(shù)脂、電鍍、改進(jìn)的觸點(diǎn)技術(shù)，務(wù)求在不犧牲安全性和可靠性的前提下提高電流密度。
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減小風(fēng)險(xiǎn)
傳統(tǒng)上，連接器制造廠商將電流額定值建立于產(chǎn)品在理想環(huán)境下測(cè)試所得的電氣性能之上。這些發(fā)布的額定值，在其測(cè)試環(huán)境下是精確的，但因?yàn)闆](méi)有考慮到會(huì)影響連接器實(shí)際工作環(huán)境的各種條件和交互作用，所以并未反映整體狀況。
因此，OEM廠商通常會(huì)降低連接器的額定值，以便構(gòu)建超過(guò)連接器制造廠商產(chǎn)品目錄之產(chǎn)品額定值的發(fā)熱安全余量。許多OEM廠商使用一種簡(jiǎn)單的做法，就是測(cè)試與一個(gè)數(shù)量較大的電路相伴的較少量電路，并繪制溫度隨電流升高的曲線，顯示電路數(shù)目增加，載流能力降低。此外，有些用戶會(huì)主觀指定另一種比率，如果連接器供應(yīng)商發(fā)布的產(chǎn)品額定值是100A，用戶將會(huì)自行降低30%的額定值，以確保構(gòu)建安全余量，防止出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象。
現(xiàn)在，領(lǐng)先的連接器供應(yīng)商都了解到這種情況，并將與OEM廠商及其設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)緊密合作，以實(shí)際應(yīng)用條件下的科學(xué)測(cè)試和性能分析為基礎(chǔ)，來(lái)選擇滿足特定應(yīng)用要求的連接器。
為了提供精確的額定值，頂級(jí)連接器制造廠商會(huì)進(jìn)行大量的測(cè)試和預(yù)測(cè)性建模，例如焦耳發(fā)熱有限元分析(FEA)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件，將輸入條件與連接器和PCB幾何形狀和材料性能、電流、觸點(diǎn)電阻(實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù))以及氣流等條件相關(guān)聯(lián)。使用這種方法，可以估計(jì)出每種互連產(chǎn)品的性能，并為用戶提供可靠的忠告，說(shuō)明哪種產(chǎn)品與應(yīng)用需求最為匹配。雖然模擬和/或測(cè)試全部可能的環(huán)境是不現(xiàn)實(shí)的，但是這些模型和分析有助于指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員花費(fèi)較少的時(shí)間做出更明智的選擇。這一點(diǎn)在適應(yīng)電子行業(yè)所要求的快速設(shè)計(jì)周期方面是非常重要的。
功率完整性規(guī)劃帶來(lái)更佳的結(jié)果
在電子器件技術(shù)中，緊湊外形、傳輸速度、信號(hào)和功率完整性是極為重要的，前攝性功率完整性工程技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)絕不是夸大其詞。由于計(jì)算能力的需求增加，推動(dòng)了對(duì)更大功率的需求。同時(shí)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期不斷縮短，留給功率工程師做出關(guān)鍵決定的時(shí)間也更少了。
在設(shè)計(jì)階段，在選定互連組件之前，設(shè)計(jì)人員要清楚地了解對(duì)所有的需求，這可確何做出正確的決定，避免代價(jià)昂貴的錯(cuò)誤。最重要的是，高質(zhì)量的功率完整性工程技術(shù)能夠幫助OEM廠商及其設(shè)計(jì)人員最大限度地提升其產(chǎn)品的性能、可靠性和安全性。
圖1 左圖表示薄銅如何限制電流(集中電阻)，右圖則表示厚銅因電阻較低而能夠?qū)崿F(xiàn)更好的電流。
圖2
