|
市場對占用空間越來越小的大電流電源互連解決方案的需求不斷快速增長，隨著對大功率小封裝產品的需求增長，要解決新結構和系統平臺的功率平衡問題，OEM系統和功率工程師遇上了電氣和機械設計方面的挑戰，他們需要選定能夠確保信號和功率完整性的互連組件。 信號連接器的傳送速度不斷提高，而體積則變得更小；但電源連接器卻與之不同，需要一定量的傳導材料來傳送一定量的電流或者安培數，所以不存在可以使用更小的功率觸點來傳導更大電流的特殊設計秘訣，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。 設計密度和承載功率 即使新的系統設計常常要求以有限的空間傳送更大的功率，但仍然有數項因素影響著一款設計的功率密度以及它實際能夠承載的功率的大小。清晰了解每一種因素是成功實現系統內功率完整性和安全性設計的關鍵所在，而這也有助于簡化整體設計過程。這些關鍵因素包括： 平衡空間和功率 首先，必須確定電源互連需要多大的空間，并對照最終產品設計中分配了多大的可用空間。對于大多數OEM廠商而言，節省空間是優先考慮的因素，連接器的高度、寬度和長度，尤其是含銅量，將會直接影響可承載的電流密度。系統結構設計人員總是希望以相同的空間來獲得更大的功率，而這正給連接器制造廠商帶來了挑戰。 然而，世界領先的連接器制造廠商不斷開發新型和創新型設計，采用導電率更高的材料，更富創造性地利用空間，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承載所產生的電流。但重要的是，以空間設計要求來使PCB的功率及其產生的熱效應之間達到最佳平衡，以確保最終產品的安全性和性能。 熱管理 由接觸或集中電阻和低效的空氣流動所造成的發熱問題永遠是令人關注的問題，而且應該在設計過程中提早認真考慮。PCB含銅量是其中一個因素。含銅太少會限制電流流動，因而產生集中電阻(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題。電源制造廠商在以各種特性來補足PCB結構方面極具創造性，以緩解發熱和集中電阻的問題。 此外，由于系統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(如電源和服務器之間)的連接器周圍氣流獲得恰當的管理。連接器周圍和穿過連接器的氣流充足，將有助于冷卻功率觸點，增加電流容量，并提高安全性。同時，連接器有時位于關鍵點上，并且阻礙氣流流動。然而，在考慮氣流問題時，連接器的冷卻過程卻通常不在設計人員優先考慮事項清單的前列。 在工作安全性方面，設計人員需要考慮整體系統及其電源結構，針對影響熱性能和電氣性能的集中區域和壓降，從頭到尾了解可能出現的潛在問題。一般來講，對于功率觸點，壓降超過30mV便會影響熱穩定性。一旦跨越該閾值，熱不穩定性的發生概率就會顯著增加。 世界級的連接器制造廠商正與客戶合作開發改進型電源互連解決方案，具有更小的空間、更高的溫度及更長的產品壽命，從而實現安全、可靠的運作。嶄新的設計采用了新型合金和成型樹脂、電鍍、改進的觸點技術，務求在不犧牲安全性和可靠性的前提下提高電流密度。 減小風險 傳統上，連接器制造廠商將電流額定值建立于產品在理想環境下測試所得的電氣性能之上。這些發布的額定值，在其測試環境下是精確的，但因為沒有考慮到會影響連接器實際工作環境的各種條件和交互作用，所以并未反映整體狀況。 因此，OEM廠商通常會降低連接器的額定值，以便構建超過連接器制造廠商產品目錄之產品額定值的發熱安全余量。許多OEM廠商使用一種簡單的做法，就是測試與一個數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，顯示電路數目增加，載流能力降低。此外，有些用戶會主觀指定另一種比率，如果連接器供應商發布的產品額定值是100A，用戶將會自行降低30%的額定值，以確保構建安全余量，防止出現過熱現象。 現在，領先的連接器供應商都了解到這種情況，并將與OEM廠商及其設計團隊緊密合作，以實際應用條件下的科學測試和性能分析為基礎，來選擇滿足特定應用要求的連接器。 為了提供精確的額定值，頂級連接器制造廠商會進行大量的測試和預測性建模，例如焦耳發熱有限元分析(FEA)和計算流體動力學(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、觸點電阻(實際測試數據)以及氣流等條件相關聯。使用這種方法，可以估計出每種互連產品的性能，并為用戶提供可靠的忠告，說明哪種產品與應用需求最為匹配。雖然模擬和/或測試全部可能的環境是不現實的，但是這些模型和分析有助于指導設計人員花費較少的時間做出更明智的選擇。這一點在適應電子行業所要求的快速設計周期方面是非常重要的。 功率完整性規劃帶來更佳的結果 在電子器件技術中，緊湊外形、傳輸速度、信號和功率完整性是極為重要的，前攝性功率完整性工程技術的優點絕不是夸大其詞。由于計算能力的需求增加，推動了對更大功率的需求。同時，產品設計周期不斷縮短，留給功率工程師做出關鍵決定的時間也更少了。 在設計階段，在選定互連組件之前，設計人員要清楚地了解對所有的需求，這可確何做出正確的決定，避免代價昂貴的錯誤。最重要的是，高質量的功率完整性工程技術能夠幫助OEM廠商及其設計人員最大限度地提升其產品的性能、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實現更好的電流。
圖2 |
