針對中間板電力工程的更佳設(shè)計實踐和連接器技術(shù)

在消費品和電器、數(shù)據(jù)/通信設(shè)備、醫(yī)療和診斷設(shè)備、服務(wù)器和其它網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等多個行業(yè)中，計算能力正在不斷上升，加上更短的產(chǎn)品設(shè)計周期和更緊湊的設(shè)計，大幅加劇了對于更好的設(shè)計實踐和創(chuàng)新的定制中間板(midplane)解決方案的需求。

解決中間板功率方程的關(guān)鍵注意事項

當(dāng)功率輸出將大容量電力輸送到裝置中時，功率分布將電力分配到裝置各處。針對分布式應(yīng)用的電源連接器通常額定承載為50A或更大，而中間板電源連接器則位于功率分布的一邊，且通常額定為20A或以下，但電流范圍也可能為一安培或兩安培至高達(dá)50A。

除了應(yīng)用參數(shù)和功率需求，在挑選合適的中間板連接器方面，空間可用性也是另一個重要考慮事項。在早期規(guī)劃中間板電源連接階段，設(shè)計工程師應(yīng)該評估幾個因素。除了清楚了解應(yīng)用之外，在選擇中間板電源連接器時，還有許多相關(guān)的問題需要詢問和回答。

● 每電路需要多少安培數(shù)(amp/A)？
● 電壓的要求是什么？
● 線路板上的間距和結(jié)構(gòu)是怎樣的？
● 可用箱體的空間有多少？
● 有沒有高度限制？
● 在這些給定的參數(shù)中，各自的要求是什么？
● 有什么選項或特性可以改進(jìn)設(shè)計和功能？

設(shè)計考慮中最重要的是針對應(yīng)用需求的電流要求。不同的應(yīng)用對中間板電源連接器的安培數(shù)要求可以是千差萬別的。例如，電腦顯示器，與可能為一二百安培的電源相比，在裝置內(nèi)可能僅要求30安培電流。除了應(yīng)用參數(shù)和功率需求，在選擇正確的中間板連接器時，空間可用性是另一個重要考慮事項。

除了應(yīng)用參數(shù)和功率需求，在選擇正確的中間板連接器時，空間可用性是另一個重要考慮事項。

平衡空間節(jié)省和可用功率的策略

業(yè)界對于更小和更薄的高性能中間板電源連接器的需求正在上升。系統(tǒng)架構(gòu)和電氣工程師始終想在同樣的空間內(nèi)獲得更多的功率，這對連接器制造商提出了挑戰(zhàn)。與信號連接器可以在更高傳輸速度上繼續(xù)變小的情況不同，中間板電源連接器需要特定數(shù)量的導(dǎo)電材料來承載特定數(shù)量的電流或安培數(shù)，隨著電源需求的上升，更高安培容量連接器產(chǎn)品所需的空間也在增加。

連接器制造商繼續(xù)開發(fā)創(chuàng)新的設(shè)計，使用更高導(dǎo)電率材料，并更有創(chuàng)造性地利用空間來改進(jìn)功率輸出和電氣性能，而不用擴大空間需求。為了平衡空間和功率，有必要確定中間板電源互連需要多大的空間，并且比較在成品設(shè)計中已分配了多少可用空間。除了空間節(jié)省需要優(yōu)先考慮之外，連接器的高度、寬度和長度，以及它的含銅量，都將直接影響可實現(xiàn)的電流密度。

作為空間和能源節(jié)省策略，電氣工程師需要仔細(xì)評估和戰(zhàn)略性地拆分功率。當(dāng)設(shè)計中間板電源連接器時，你需要了解的第一件事就是連接器上需要多大的功率。除了確定總的大容量功率和分立應(yīng)用規(guī)范，功率分布方程還需要考慮輸入電源的電路數(shù)量。例如，30安培的大容量電源可能需要分布在六個電路上，即通過刀片式設(shè)計，將總功率拆分為每電路5安培。采用一個壓接箱體系統(tǒng)允許將大容量電源降低為較小的單元，在應(yīng)用內(nèi)為多個點供電，而不是依靠單個電源區(qū)域。

選擇單排或雙排連接器通常可歸結(jié)為間距和外殼尺寸。測量電路板和箱體外殼可幫助確定可用空間是否為垂直或水平的，從而可決定單排或雙排連接器是否合適。較低側(cè)高的連接器更適合用于實現(xiàn)冷卻氣流最大化。在另一些情況下，提供改進(jìn)的接觸性能的較高連接器可能是正確的解決方案，能夠在較小的卡邊緣空間中妥善處理產(chǎn)生的電流量。在某些設(shè)計結(jié)構(gòu)中，建議可在其側(cè)放置閂鎖，以便安裝一定高度的外殼。因為箱子的占位面積縮小了，某些應(yīng)用可從6mm連接器轉(zhuǎn)為4.2mm間距的中間板電源連接器。

設(shè)計準(zhǔn)確的電源連接器尺寸可轉(zhuǎn)化為最佳的節(jié)能。然而，確定連接器的尺寸必須要保守穩(wěn)健，要考慮安全參數(shù)和平衡能耗。要使連接器選擇與應(yīng)用匹配，切實了解中間板電源連接器、PCB和環(huán)境之間的設(shè)計關(guān)系是值得的。

散熱問題可由接觸或集中電阻及低效氣流造成。PCB含銅量是要考慮的一個因素。太少的銅會限制電流，導(dǎo)致集中電阻(constriction resistance)。合適的銅跡線尺寸可減少體電阻，獲得較低的散熱器溫度和較少的電流損耗。

隨著系統(tǒng)加入更多元器件并封裝在更小的箱體中，確保連接器周圍氣流的合理利用是至關(guān)重要的，這些連接器放置在交叉點上(比如在電源和服務(wù)器之間)且有可能阻塞空氣的自由流通。對于考慮氣流的設(shè)計人員來說，雖然連接器冷卻并不總是優(yōu)先處理的問題，但位于關(guān)鍵點上的連接器卻會妨礙或阻塞氣流。充足的氣流圍繞和穿過連接器可幫助冷卻電源接觸，允許更多電流并增加安全邊際。

定額，不減少中間板連接器電流

在縮小至更小間距以適應(yīng)更小外殼的過程中，設(shè)計工程師仍然必須遵守物理定律。不適當(dāng)?shù)念~定中間板電氣連接器除了導(dǎo)致更嚴(yán)重的安全問題之外，還會引起周圍的電磁干擾(electromagnetic interference, EMI)，影響箱體中的數(shù)據(jù)信號和傳輸。在電路上承載較額定值更高的安培數(shù)可能導(dǎo)致過熱和其它散熱問題。

中間板連接器和其它功率產(chǎn)品應(yīng)在閾值內(nèi)表現(xiàn)優(yōu)良。連接器應(yīng)需要不超過法向力(normal force)來保持穩(wěn)定，并具有冗余觸點來使功率損耗最小化。雖然信號觸點中的電阻在高達(dá)10毫歐水平上也可能可接受，但電源連接器的要求通常較為嚴(yán)格。通常，最大30mV的壓降定義了電源接觸的熱穩(wěn)定性閾值。一旦超過，熱不穩(wěn)定性的概率會顯著增加。

傳統(tǒng)上中間板連接器的額定值是基于特定產(chǎn)品在理想情況下測試的電氣性能。這些已發(fā)布的額定值，雖然測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，但很少會顯示整個情況，因為它們沒有考慮各種條件，以及影響中間板電源連接器工作之環(huán)境的交互作用。

OEM廠商的常見做法就是自動減少電源連接器的電流，以便在連接器文檔中刊載的產(chǎn)品額定值上加入熱安全系數(shù)。許多設(shè)計人員使用簡單的方法，就是測試較少電路數(shù)及更長的電路，并繪制一系列‘T上升對比電流’圖來顯示隨著電路數(shù)增加，載流能力下降。某些用戶則指定一個任意百分比，假如連接器供應(yīng)商提交了額定100安培的產(chǎn)品，用戶將自動減小30%來確保內(nèi)置的安全系數(shù)，防止可能出現(xiàn)過熱。

理想情況下，對于影響散熱和電氣性能的收縮區(qū)域和電壓降落，設(shè)計人員應(yīng)該考慮整體系統(tǒng)和它的電源架構(gòu)來了解端對端電壓。因此，要達(dá)到最佳操作安全性，最好的方法就是定額，而不是降低額定值。根據(jù)數(shù)據(jù)來支持電流額定值的決定，例如對30安培的特定電流要求，建議的最小中間板連接器可能為4.2mm間距。此外，材料選擇和含銅量也會影響T的上升。輕的PCB銅板可能產(chǎn)生熱積聚，而較重的銅板則因為電阻較小可允許更好的電流。在某些情況下，設(shè)計人員可能要在連接器和PCB之間插入散熱器。

間板連接器的特性和選項

一些最新的中間板連接器產(chǎn)品結(jié)合了新的合金和成型樹脂、鍍層，并改進(jìn)了觸點技術(shù)，所有都為了增加電流密度而不犧牲安全性和可靠性。

極具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用，比如當(dāng)高振動是主要的考慮事項時，可能需要專用的電源連接器。在中間板產(chǎn)品中，Molex Sabre連接器產(chǎn)品線是用于牢固且更大電流應(yīng)用的理想選擇，這些應(yīng)用需要設(shè)計靈活性來用于采用垂直和直角方向的線對線和線對板結(jié)構(gòu)。Sabre產(chǎn)品線采用了端子位置保證(Terminal Position Assurance, TPA)特性來確保壓接端子完全固定在其殼體中，并且防止端子由于振動而退出。Sabre中間板電源連接器提供了600V下每電路18.0A的額定電流，并且可提供一系列線規(guī)和絕緣厚度。

以往的應(yīng)用常常被迫去配合可用的中間板連接器規(guī)范，這導(dǎo)致了不必要的設(shè)計挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的產(chǎn)品往往要求中間板的電源進(jìn)行輕微修改，因此增加了中間板連接器產(chǎn)品定制、修改和擴展(customization, modifications and extensions, CME)的需求。當(dāng)電氣工程師需要定制設(shè)計功能時，Molex的MiniFit和MicroFit連接器產(chǎn)品組合提供了一系列中間板選項和特性。MiniFit每電路4.2毫米可承載13安培，而MicroFit每電路可承載5安培，使得它們幾乎適合任何應(yīng)用(手持設(shè)備除外)。

Molex MiniFit系列連接器系統(tǒng)為用于小間距、大電流、高密度應(yīng)用新增一系列定制、修改和擴展(CME)功能

在線對線、線對板和板對板結(jié)構(gòu)中，設(shè)計用于較大電流、較高密度的應(yīng)用需要設(shè)計靈活性，MiniFit特性包括了-40至+105°C的工作溫度、完全隔離的端子、確立外殼鎖、低接合力和極化外殼及插座。可提供單排或雙排、2至24電路選項。此外，MiniFit連接器產(chǎn)品具有多種鍍層和材料選擇，以及需要的定制選項，如先插后斷觸點、用于較厚線路板和有空間電路的更長尾長。

對于電源/信號、盲插、線對線、線對板和板對板及某些電纜組件應(yīng)用，MicroFit 3.0連接器產(chǎn)品提供了低側(cè)高3.00mm (.118")間距和5.0A的最大電流額定值，可提供多種電纜長度和2至24電路。獨特的中間板電源系統(tǒng)針對緊湊空間，MicroFit包含了先前僅在大功率連接器中存在的許多特性，包括通孔和采用卷軸包裝的SMT型款，用于大批量印刷電路板上自動拾放。

認(rèn)識到每一種應(yīng)用都是獨特的，因此要確定哪種連接器選項合適也很重要，例如，單排選項可適應(yīng)最低高度要求。中間板電源連接器可鍵入來防止誤插；也可為不同極化加工，包括熱極化，假如需要先插/后斷來確保首先插入接地引腳，隨后電源，接著信號引腳。通常，建議的做法是避免使用一拉就會斷開的被動閂鎖連接器。無論有沒有振動，都應(yīng)使用需要有意打開的主動閂鎖來防止不必要的電流中斷。例如，MiniFit主動閂鎖系統(tǒng)需要拇指按壓來鎖上和打開，提供了更多保證，防止電源意外斷開。

中間板電源連接器推動更高智能設(shè)計

在新架構(gòu)和系統(tǒng)平臺上解決功率方程，會為OEM系統(tǒng)和電力工程師帶來電氣和機械設(shè)計挑戰(zhàn)。穩(wěn)健的功率完整性工程原理和中間板連接器創(chuàng)新，不僅可以推動更智能的設(shè)計，而且可幫助確保中間板連接器解決方案提供最佳的電氣性能，以及安全性和長期可靠性。

今天的系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)計人員有著眾多的中間板電源連接器產(chǎn)品和選項可供選擇。在選擇中間板連接器類型上，目的是在PCB中打造功率和所產(chǎn)生熱效應(yīng)的最佳平衡，以及空間設(shè)計要求來確保最終產(chǎn)品的安全性和性能。在現(xiàn)實的應(yīng)用條件下，基于科學(xué)測試和性能分析，與連接器OEM廠商緊密合作來為具體應(yīng)用匹配合適的中間板電源連接器是非常重要的。