電連接器溫升改善設(shè)計要點(diǎn)

富譽(yù)電子科技（淮安）有限公司 梁允魁

電連接器特別是額定電流高的電連接器，產(chǎn)品設(shè)計的難點(diǎn)在于溫升。本文先介紹電連接器的溫升危害，熱量傳遞的方式，在此基礎(chǔ)上，提出了電連接器從端子結(jié)構(gòu)、接觸阻抗、塑膠結(jié)構(gòu)及測試規(guī)范方面進(jìn)行溫升改善，為后面產(chǎn)品設(shè)計者提供一些參考意見。

近些年來，隨著電子器件的飛速發(fā)展，連接器行業(yè)在我國得到了較快的發(fā)展，使得快速充電得到了普及，其中大電流的電連接器起到了很大的作用，它作為電能量、訊號傳輸?shù)臉蛄海鋸V泛應(yīng)用于移動消費(fèi)電子產(chǎn)品和工業(yè)服務(wù)器上。但是如何能滿足產(chǎn)品的插拔使用壽命、電流連續(xù)性，還要使產(chǎn)品的溫升接近于傳輸線，這是大電流連接器的設(shè)計難點(diǎn)。大電流連接器要求過載電流大且溫升有嚴(yán)格限制，一般均要求不超過30℃。本文將從溫升的危害、溫升基知識方面展開，給出產(chǎn)品設(shè)計時溫升改善比較有代表性的三個方面：端子的結(jié)構(gòu)設(shè)計、接觸阻抗的設(shè)計、實(shí)驗(yàn)測試規(guī)范。

1 溫升基礎(chǔ)知識

1.1 溫升過高危害

在電連接器設(shè)計中，要滿足產(chǎn)品的額定電流，它是根據(jù)電連接器工作中，產(chǎn)品的熱設(shè)計來滿足額定電流的。在電連接器產(chǎn)品互配通過電流時，因?yàn)槎俗拥谋倔w電阻和接觸電阻，會導(dǎo)致互配的產(chǎn)品之間發(fā)熱，熱量不斷集聚中，當(dāng)電連接器產(chǎn)品溫度過高會導(dǎo)致端子應(yīng)力松弛，接觸穩(wěn)定性下降，接觸力減小會造成更高的接觸電阻，削弱了電氣信號，最終導(dǎo)致短路。產(chǎn)品高溫還會導(dǎo)致端子表面腐蝕加快，縮短壽命周期，高溫嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致火災(zāi)、爆炸，危害使用者財產(chǎn)及人身安全。

1.2 熱量傳遞方式

熱量傳遞有三種基本方式：熱傳導(dǎo)、對流、輻射。熱傳導(dǎo)是同一介質(zhì)或不同介質(zhì)間物體直接接觸，由于溫差所產(chǎn)生的傳熱現(xiàn)象，產(chǎn)品測試中很多是利用熱傳導(dǎo)特性來降低溫升；對流是指流動的流體與其相接觸的固體表面之間，由于不同溫度所發(fā)生的熱交換過程。其中對流換熱分為自然對流和強(qiáng)迫對流，自然對流是因?yàn)槔錈崃黧w的密度差引起的流動，而強(qiáng)迫對流則是由外力迫使流體進(jìn)行流動，是因壓力差引起的流動，產(chǎn)品溫升測試中，可利用對流特性中的強(qiáng)迫對流，通過增加強(qiáng)迫風(fēng)冷的風(fēng)速降低溫升；物體以電磁波形式向外傳遞能量的過程稱為熱輻射，物體間的熱輻射是相互的，如果存在溫度差，則物體間進(jìn)行輻射換熱過程。

2 電連接器溫升改善設(shè)計要點(diǎn)

一個基本的電連接器產(chǎn)品由塑料本體、接觸彈性組件稱為端子、接觸鍍層組成。塑料本體在產(chǎn)品中使各接觸彈片相互隔離，不能互相導(dǎo)通，并把接觸彈片固定在塑料本體內(nèi)部，對各接觸彈片進(jìn)行機(jī)械、遮蔽保護(hù)作用；接觸彈性組件，在產(chǎn)品互配時，在接觸組件之間提供一條導(dǎo)通電訊的路徑；接觸鍍層是將接觸組件一般是銅合金表面覆蓋鍍層，避免接觸組件基部金屬被腐蝕并優(yōu)化接觸界面的結(jié)構(gòu)。在對電連接器溫升改善中主要是針對產(chǎn)品的三個組成部分進(jìn)行改善。

2.1 端子結(jié)構(gòu)的設(shè)計

（1）材料選擇

對于額定電流高的電連接器，端子材料選擇上不僅僅只保證材料髙導(dǎo)電性，還要保證產(chǎn)品要達(dá)到一定的機(jī)械性能需求，一般材料選擇上遵循以下原則：

傳統(tǒng)電源連接器額定電流低，機(jī)械性能高，材料可以選擇導(dǎo)電率較低，機(jī)械性能好的材料，例如黃銅、磷青銅；對電源連接器LLCR要求較高、額定電流高并且要滿足一定的機(jī)械性能產(chǎn)品，要選擇高導(dǎo)電率并材料也要滿足一定機(jī)械性能，例如鉻鋯銅合金；對于額定電流要求特別高并且作為靜端子使用的電連接器產(chǎn)品，端子材料可選擇導(dǎo)電率幾乎100%的材料，例如紫銅。

在端子材料選擇上，除了須滿足功能，同時成本和采購周期也是考慮重點(diǎn)，在綜合性能和成本比較上，選擇合適的材料。

（2）端子長度的設(shè)定

電連接器產(chǎn)品端子的長度對溫升有很大的影響，端子越長越不利于溫升，所以在滿足產(chǎn)品的機(jī)械性能且達(dá)到端子接觸摩擦距要求時，盡量縮短端子的長度。

（3）端子截面積設(shè)計

電連接器產(chǎn)品的溫升還與端子的截面積相關(guān)，端子截面積越大，可降低產(chǎn)品的溫升。所以在滿足產(chǎn)品的外形尺寸下，只要滿足產(chǎn)品電氣特性指標(biāo)并且對組裝無影響，增加端子的截面積，可以大幅降低溫升。

2.2 接觸阻抗的設(shè)計

接觸電阻包括壓縮電阻和皮膜電阻，接觸電阻越小對溫升越有利，不考慮材料性能情況下，影響接觸電阻因素如下：

端子接觸時的正向力，在一定范圍內(nèi)增大正向力，降低接觸電阻；接觸面設(shè)計，接觸點(diǎn)數(shù)量、多面積增加，電阻降低有利于溫升；鍍層設(shè)計，端子的接觸區(qū)一般選擇鍍金，鍍金膜厚有利于溫升，但是要考慮到成本，鍍金膜厚要根據(jù)實(shí)際需求決定；端子氧化層，鍍層中金和鎳都是不活潑金屬，銅容易跟空氣中的氧氣、水蒸氣、二氧化硫等反應(yīng)生成氧化物.氧化層會減少有效接觸點(diǎn)，導(dǎo)致溫升上升。

2.3 塑膠散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計

在塑膠件設(shè)計中，塑料結(jié)構(gòu)在滿足端子固持和互配情況下時，要在端子接觸區(qū)域產(chǎn)生溫度高點(diǎn)的位置對應(yīng)的塑料表面開通風(fēng)孔，利用對流可以有效地將大量熱能快速散熱出去，可以降低此處的溫升。同理在產(chǎn)品的塑料其它地方，利用逃料開孔也可以有利于產(chǎn)品的散熱。

2.4 實(shí)驗(yàn)規(guī)范設(shè)計

產(chǎn)品設(shè)計到產(chǎn)品實(shí)物組裝完成，產(chǎn)品的開發(fā)并沒有結(jié)束，只是完成產(chǎn)品開發(fā)的一半，產(chǎn)品測試符合規(guī)格，才是最終的完成。其中溫升測試是電源連接器中測試最關(guān)鍵的一個測試，很多產(chǎn)品因?yàn)闇y試不規(guī)范導(dǎo)致產(chǎn)品誤判不符合，所以產(chǎn)品測試規(guī)范設(shè)計也很重要，主要有如下幾個方面：

（1）初始溫度的選擇

溫升測試中，測試結(jié)果是根據(jù)產(chǎn)品前后溫度的差值是否小于30℃來判定產(chǎn)品是否符合要求，所以產(chǎn)品測試前測初始溫度選擇上同樣重要，因?yàn)樵跍y試規(guī)范中一般沒有對環(huán)境的初始溫度有具體的要求，很多工廠內(nèi)部的實(shí)驗(yàn)室不具備恒溫的條件，采用同樣的產(chǎn)品，同一個人，同一臺機(jī)測試驗(yàn)證，測量的溫升也有很大差異，所以一般測試的時候，要求實(shí)驗(yàn)室選在25℃的初始溫度測量。

（2）熱電偶的選擇

在目前的測試規(guī)范中僅定義了測試導(dǎo)線的線徑大小，但對熱電偶線徑的大小沒有具體的定義，分別采用不同線徑的熱電偶，對同樣的樣品測試，溫升相差很大。所以在溫升測試的時候，選用大線徑的熱電偶，可以保證測量結(jié)果的穩(wěn)定性。

（3）測試PCB結(jié)構(gòu)設(shè)計

在溫升測試失敗的案件中，通過熱成像發(fā)現(xiàn)，溫度發(fā)熱高點(diǎn)在測試PCB上，這對產(chǎn)品溫升測試有很大的影響，為降低測試PCB板對產(chǎn)品溫升測試影響，PCB設(shè)計的時候，可以從兩方面進(jìn)行改善：（1）要增加銅箔厚度、銅箔層數(shù)，這樣不僅減小銅箔的電阻而且增加了銅箔的散熱；（2）增加銅箔的面積，通過trace把熱量帶到PCB板上，降低溫升。

（4）測試條件影響

目前很多產(chǎn)品在整機(jī)測試中，增加風(fēng)扇進(jìn)行風(fēng)冷，在大電流電源連接器溫升測試中，是否有增加風(fēng)冷，這對產(chǎn)品的測試結(jié)果又有很大的影響。同一產(chǎn)品在其它測試條件相同下，有無增加風(fēng)冷，測試的結(jié)果相差很大。目前很多終端客戶，明確在測試中增加風(fēng)冷測試，在我們產(chǎn)品設(shè)計前期FEA分析中要加入分冷的條件進(jìn)行分析，才能真實(shí)的反映出產(chǎn)品測試時真實(shí)狀況。

總結(jié)：目前市場上對電源連接器的額定電流要求越來越高，產(chǎn)品的性能、質(zhì)量要求也逐漸提高，在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時，也要考慮成品的成本，產(chǎn)品開發(fā)時，要開發(fā)出適用的大電流連接器。在大電流連接器設(shè)計主要從以下兩大方面考慮：盡可能減小端子件的導(dǎo)體電阻及接觸阻抗，并使溫度最高點(diǎn)處于有利通風(fēng)位置，利用對流散熱。溫升測試中是否增加風(fēng)冷，對結(jié)果影響非常大，目前很多客戶均有此要規(guī)格要求。在塑膠設(shè)計中巧妙運(yùn)用產(chǎn)品逃料，使產(chǎn)品內(nèi)部有充分的空氣流動，要絕對避免發(fā)熱處死角，熱量累積對溫升影響巨大。