互連設(shè)計中的功率完整性研究

隨著對大功率小封裝產(chǎn)品的需求增長，要解決新結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)平臺的功率平衡問題，OEM系統(tǒng)和功率工程師遇上了電氣和機械設(shè)計方面的挑戰(zhàn)，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??；但電源連接器卻與之不同，需要一定量的傳導(dǎo)材料來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來傳導(dǎo)更大電流的特殊設(shè)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(shè)計密度和承載功率

即使新的系統(tǒng)設(shè)計常常要求以有限的空間傳送更大的功率，但仍然有數(shù)項因素影響著一款設(shè)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(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)功率完整性和安全性設(shè)計的關(guān)鍵所在，而這也有助于簡化整體設(shè)計過程。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，并對照最終產(chǎn)品設(shè)計中分配了多大的可用空間。對于大多數(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、寬度和長度，尤其是含銅量，將會直接影響可承載的電流密度。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)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(zhàn)。

然而，世界領(lǐng)先的連接器制造廠商不斷開發(fā)新型和創(chuàng)新型設(shè)計，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承載所產(chǎn)生的電流。但重要的是，以空間設(shè)計要求來使PCB的功率及其產(chǎn)生的熱效應(yīng)之間達到最佳平衡，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所造成的發(fā)熱問題永遠是令人關(guān)注的問題，而且應(yīng)該在設(shè)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(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題。電源制造廠商在以各種特性來補足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(如電源和服務(wù)器之間)的連接器周圍氣流獲得恰當(dāng)?shù)墓芾怼＿B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(guān)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(shè)計人員優(yōu)先考慮事項清單的前列。

在工作安全性方面，設(shè)計人員需要考慮整體系統(tǒng)及其電源結(jié)構(gòu)，針對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)的潛在問題。一般來講，對于功率觸點，壓降超過30mV便會影響熱穩(wěn)定性。一旦跨越該閾值，熱不穩(wěn)定性的發(fā)生概率就會顯著增加。

世界級的連接器制造廠商正與客戶合作開發(fā)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(chǎn)品壽命，從而實現(xiàn)安全、可靠的運作。嶄新的設(shè)計采用了新型合金和成型樹脂、電鍍、改進的觸點技術(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。

減小風(fēng)險

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)境下測試所得的電氣性能之上。這些發(fā)布的額定值，在其測試環(huán)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(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廠商通常會降低連接器的額定值，以便構(gòu)建超過連接器制造廠商產(chǎn)品目錄之產(chǎn)品額定值的發(fā)熱安全余量。許多OEM廠商使用一種簡單的做法，就是測試與一個數(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)計團隊緊密合作，以實際應(yīng)用條件下的科學(xué)測試和性能分析為基礎(chǔ)，來選擇滿足特定應(yīng)用要求的連接器。

為了提供精確的額定值，頂級連接器制造廠商會進行大量的測試和預(yù)測性建模，例如焦耳發(fā)熱有限元分析(FEA)和計算流體動力學(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、觸點電阻(實際測試數(shù)據(jù))以及氣流等條件相關(guān)聯(lián)。使用這種方法，可以估計出每種互連產(chǎn)品的性能，并為用戶提供可靠的忠告，說明哪種產(chǎn)品與應(yīng)用需求最為匹配。雖然模擬和/或測試全部可能的環(huán)境是不現(xiàn)實的，但是這些模型和分析有助于指導(dǎo)設(shè)計人員花費較少的時間做出更明智的選擇。這一點在適應(yīng)電子行業(yè)所要求的快速設(shè)計周期方面是非常重要的。

功率完整性規(guī)劃帶來更佳的結(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(chǎn)品設(shè)計周期不斷縮短，留給功率工程師做出關(guān)鍵決定的時間也更少了。

圖2

在設(shè)計階段，在選定互連組件之前，設(shè)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(zhì)量的功率完整性工程技術(shù)能夠幫助OEM廠商及其設(shè)計人員最大限度地提升其產(chǎn)品的性能、可靠性和安全性。