很多人都關(guān)注如果去設(shè)計(jì)一個(gè)連接器達(dá)到期望的電流承載能力。由于這里面涉及太多的知識(shí)以及一些核心機(jī)密技術(shù),今天我在這里進(jìn)行一些方向性地說(shuō)明。
連接器端子分為單個(gè)端子的連接以及多位數(shù)的連接器。對(duì)于多位連接器,由于其間距不同,加載密度不同(加載密度可以簡(jiǎn)單理解為一個(gè)連接器中裝入的端子數(shù)量) 對(duì)整個(gè)連接器的承載能力會(huì)產(chǎn)生不同的影響。本文也不討論多位連接器的電流承載能力,只討論單個(gè)端子的電流承載能力的設(shè)計(jì)原理。
先談一下連接器端子的電阻組成,連接器端子的電阻由三部分組成:
1)永久性連接的電阻,比如:壓接電阻,IDC連接的電阻,焊接的電阻等,這個(gè)電阻的大小是幾十到幾百微歐(uΩ);
2)可分離接觸界面的電阻,也就是公母端子配合的接觸電阻,在100gf正壓力作用下,為幾個(gè)毫歐(mΩ);
3)材料電阻,這個(gè)是由材料的導(dǎo)電率,材料的厚度,材料的幾何長(zhǎng)度等因素決定的。
1
永久性連接的承載電流能力
永久性連接的電阻是由端子連接設(shè)計(jì)和應(yīng)用的電線/PCB以及端接工藝決定的,近幾年很多公司越來(lái)越注重壓接的質(zhì)量。對(duì)于一個(gè)端子而言,在壓接(端接)質(zhì)量保證的前提下,永久性連接對(duì)電流影響是很小的。當(dāng)然,一個(gè)差的壓接也是燒機(jī)的主要原因。這篇文章的分析是以壓接(端接)做得很完美的情況,永久性連接相當(dāng)于導(dǎo)線或PCB的延長(zhǎng),所以,不單獨(dú)討論其電流承載能力。
2
可分離界面的電流承載能力
現(xiàn)在這將有助于詳細(xì)調(diào)查一些使用頻率很高的連接器原料。這些原料將根據(jù)它們是否屬于晶體或非晶體聚合物而劃分為兩大類。
1、超溫溫升
對(duì)于可分離接觸界面,由下圖可知,接觸界面上實(shí)際起作用的都是點(diǎn)接觸。
在電流通過(guò)時(shí),這個(gè)接觸點(diǎn)(A-spots)會(huì)產(chǎn)生溫升,我們稱這些接觸界面上的點(diǎn)所產(chǎn)生的溫升是超溫溫升。由于A-spots體積很小,單個(gè)觸點(diǎn)對(duì)電流的反應(yīng)會(huì)很迅速。超高溫不能直接測(cè)量,但可以通過(guò)接觸界面上的電壓降來(lái)計(jì)算。如下式所示。
這個(gè)式子中的Vc就等于接觸界面的電阻與電流的乘積。在Vc確定的情況下,就可以根據(jù)接觸電阻(集中電阻)的結(jié)果來(lái)確定接觸界面可承載的電流。這個(gè)接觸電阻是在溫升后的電阻值,溫度是對(duì)電阻有影響的,可以根據(jù)溫度/電阻的計(jì)算公試來(lái)折算成室溫時(shí)的電阻。例如下面的一種折算方法。
對(duì)于強(qiáng)電應(yīng)用,建議的接觸界面承載電流的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是1.0K 的超溫溫升。1.0K 的超溫溫升是具有一定的安全性的。由于接觸界面的可分離性,在連接器的一生之中,這個(gè)接觸界面會(huì)受到外在的環(huán)境(高溫/振動(dòng)/濕度/氧化)的影響,所以,在產(chǎn)品壽命終止時(shí),驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)是基于10K超溫溫升。對(duì)于弱電應(yīng)用的產(chǎn)品,可以考慮初始時(shí)10K的超溫溫升。
把上面等式中的ΔTs用1.0或10代入,就可以求解出Vc的值,對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的連接器設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō),接觸電阻(集中電阻)的大小是由正壓力決定的,不同的正壓力值可以對(duì)應(yīng)出不同的接觸電阻(集中電阻)。在Vc確定的情況下,可以通過(guò)優(yōu)化接觸電阻(集中電阻)的方法來(lái)達(dá)到所需要電流要求。下圖是一個(gè)正壓力與集中電阻的示例。
需要說(shuō)明的是,端子材料的正壓力存在一個(gè)內(nèi)部的失效機(jī)制------應(yīng)力松弛的影響,隨著溫度和時(shí)間的變化,正壓力會(huì)下降。所以,對(duì)于集中電阻的要求,要用材料應(yīng)力松弛后的正壓力值來(lái)確定。
2、沖擊電流對(duì)接觸界面的影響
連接器在使用過(guò)程中會(huì)受到?jīng)_擊電流的影響,這個(gè)沖擊電流一般對(duì)端子的體電阻影響不大,因?yàn)樽饔脮r(shí)間短,端子體來(lái)不及產(chǎn)生溫升。但是,沖擊電流對(duì)接觸界面的影響還是很嚴(yán)重的,由于A-spots體積很小,單個(gè)觸點(diǎn)對(duì)電流的反應(yīng)會(huì)很迅速。過(guò)高的超溫溫升會(huì)導(dǎo)致單個(gè)接觸點(diǎn)的永久失效,會(huì)使接觸界面電阻的增加。下表是針對(duì)不同的鍍層材料,接觸界面允許的室溫下沖擊電流準(zhǔn)則。
根據(jù)上述超溫溫升準(zhǔn)則和沖擊電流準(zhǔn)則,就可以設(shè)計(jì)不同的接觸電阻(集中電阻)來(lái)達(dá)到所期望的應(yīng)用電流和沖擊電流。
3
材料體電阻的承載電流能力
在連接器領(lǐng)域應(yīng)用的大多數(shù)樹(shù)脂可以通過(guò)添加劑的方式來(lái)提高其性能。這些添加劑的范圍從阻燃劑到惰性添加劑以及加強(qiáng)料。很多用作絕緣的材料可通過(guò)增強(qiáng)處理和添加劑的方式來(lái)提高其性能。增強(qiáng)處理通常用來(lái)提高材料的強(qiáng)度、硬度、尺寸穩(wěn)定性以及熱和機(jī)械性能。其通常能減小熱膨脹系數(shù)(CTE) 并且在薄片結(jié)構(gòu)中它們能減小卷曲和收縮。添加劑通常能增強(qiáng)硬度、尺寸穩(wěn)定性、和熱機(jī)械性能。它們有時(shí)會(huì)影響強(qiáng)度和工作性能。添加劑通常便宜且能降低材料的成本。在很多情況下增強(qiáng)劑和添加劑聯(lián)合與玻璃纖維使用以平衡成本與性能之間的關(guān)系。這里有一些因素能控制附加添加劑的使用:
端子材料體電阻的承載電流能力的方法是依據(jù)等效傳導(dǎo)理論。這個(gè)理論就是把端子的材料(導(dǎo)電率/導(dǎo)熱率)和幾何尺寸(截面積&長(zhǎng)度) 等效成一個(gè)在長(zhǎng)度不變的純銅電線的截面積。再依據(jù)等效的電線面積來(lái)確定其能承載的電流。
由于涉及到設(shè)計(jì)核心技術(shù),這里就不再具體講述如何進(jìn)行面積的等效,我只會(huì)告訴大家涉及到的幾個(gè)參數(shù):端子材料的導(dǎo)電率、導(dǎo)熱率、平均截面積;純銅材料的導(dǎo)電率、導(dǎo)熱率、截面積。這個(gè)等效方法,有興趣的人員可以自行查閱關(guān)于材料溫升、熱傳導(dǎo)方面的書(shū)籍。
建議的體電阻溫升值準(zhǔn)則是18℃。這并不是禁止設(shè)計(jì)人員選擇其他溫升值,如果特定的設(shè)計(jì)需要,可以設(shè)定其他的溫升值。然而,應(yīng)考慮可靠性研究的證據(jù)“當(dāng)電流引起的體電阻溫升大于20℃ 時(shí),產(chǎn)品的失效率呈顯著上升”。
在我之前的知乎文章中有列出了電線在溫升18度時(shí)的承載電流計(jì)算公試,再次放在這里如下。
在體電阻溫升值確定的情況下,純銅材料的截面積就是確定的了,在這種情況下,通過(guò)等效傳導(dǎo)理論進(jìn)行換算,就可以得到所設(shè)計(jì)的端子的截面積,如果達(dá)不到要求,可能就需要更換更高導(dǎo)電率的材料和更厚的材料。
這里用一個(gè)簡(jiǎn)單的例子說(shuō)明一下。
0.64x0.64的方針(截面積為0.41mm^2,不考慮倒角),黃銅UNS C26000材料。等效成純銅的截面積為0.12mm^2。把0.12代入到上面的I(18)的等式中,可以得到 I=3.2A 。這個(gè)差不多就是單個(gè)0.64黃銅方針在溫升18度時(shí)可以承載的電流。前面也有提到,多位數(shù)的情況電流會(huì)不同。
對(duì)于母端子,也可以用類式的方法進(jìn)行平均截面積的計(jì)算。對(duì)于與電線壓接的端子,需要額外說(shuō)明的是,一般電線的承載額定電流值是高于連接器的額定電流值,例如,16AWG的電線,可以承載的電流是14A(也是溫升18度),但是其與端子相連后,承載的電流值就是10A。此時(shí),電線會(huì)起到一個(gè)散熱器的作用。簡(jiǎn)單一點(diǎn)講就是如果假設(shè)一個(gè)設(shè)計(jì)好的端子在10A時(shí)的溫升是22度,而16AWG電線在10A時(shí)的溫升可能只有12度,那么電線會(huì)把端子上的溫升散掉,起到散熱器的作用,在這種情況下,端子與電線相連后的總溫升可能也不會(huì)超過(guò)18度。這也就是我們平時(shí)看到很多端子在材料厚度沒(méi)有變更的情況下,只更換了壓線腳設(shè)計(jì)也能達(dá)到應(yīng)用要求。
這里列一下常用電線的承載電流能力與UL 定義的與電線相連后的連接器額定電流值。
4
總結(jié)
單個(gè)端子的承載電流能力要關(guān)注三個(gè)內(nèi)容:
1)壓接設(shè)計(jì)和壓接質(zhì)量;
2)接觸界面的超溫溫升準(zhǔn)則和沖擊電流準(zhǔn)則;
3)材料體電阻的等效傳導(dǎo)理論和溫升準(zhǔn)則。
可以看出,對(duì)于強(qiáng)電應(yīng)用來(lái)說(shuō),初始的接觸界面溫升是1度,材料體電阻溫升是18度,在壓接良好的情況下,初始電阻不會(huì)超過(guò)20度。而達(dá)到壽命終止時(shí),接觸界面的溫升是10度(主要是外部環(huán)境高溫/振動(dòng)/濕度/氧化的影響),材料體電阻的溫升仍是18度,在壓接沒(méi)有被破壞的情況下,總的溫升會(huì)低于30度。這就是端子承載電流能力的設(shè)計(jì)方法和思路。需要額外說(shuō)明的是,在與電線相連時(shí),電線會(huì)起到散熱器的作用,從而使端子的初始溫升更低。對(duì)于板端的應(yīng)用,PCB的銅箔設(shè)計(jì)也要符合承載電流的要求。對(duì)于高頻應(yīng)用的連接器,由于存在肌膚效應(yīng),不適用于本文的方法。
責(zé)編AJX
評(píng)論
查看更多