改善電連接器溫升的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

電連接器尤其是額定電流大的電連接器產(chǎn)品設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于溫升。本文康瑞連接器廠家介紹電連接器的溫升危害。熱量傳遞的方式，在此基礎(chǔ)上，提出電連接器的溫升應(yīng)從端子結(jié)構(gòu)、接觸阻抗、塑料結(jié)構(gòu)和測(cè)試規(guī)范等方面進(jìn)行改進(jìn)，可為今后的產(chǎn)品設(shè)計(jì)者提供一些參考意見。

近年來，隨著電子設(shè)備的快速發(fā)展，連接器行業(yè)在中國(guó)發(fā)展迅速，這使得快速充電流行起來。其中，大電流電連接器的作用非常大，作為電能和信號(hào)傳輸?shù)臉蛄海瑥V泛應(yīng)用于移動(dòng)消費(fèi)電子產(chǎn)品和工業(yè)服務(wù)器中。

但如何滿足產(chǎn)品的插件使用壽命和電流連續(xù)性，并使產(chǎn)品的溫升接近輸電線路，是大電流連接器設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。大電流連接器要求過載電流大，溫升嚴(yán)格，一般不超過30℃。本文康瑞連接器廠家將從溫升的危害和溫升的基礎(chǔ)知識(shí)入手，給出產(chǎn)品設(shè)計(jì)中溫升改善的三個(gè)代表性方面:端子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、接觸阻抗設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試規(guī)范。

溫升的基本知識(shí)

溫度過度升高的危險(xiǎn)

在電連接器的設(shè)計(jì)中，要滿足產(chǎn)品的額定電流，是基于電連接器工作時(shí)產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)。電連接器產(chǎn)品相互配合通過電流時(shí)，由于端子的體電阻和接觸電阻，相互配合的產(chǎn)品會(huì)產(chǎn)生熱量，熱量不斷積累。當(dāng)電連接器產(chǎn)品的溫度過高時(shí)，端子的應(yīng)力會(huì)松弛，接觸穩(wěn)定性下降，接觸力降低，導(dǎo)致接觸電阻升高，電信號(hào)減弱，最終發(fā)生短路。高溫還會(huì)導(dǎo)致端子表面加速腐蝕，縮短壽命周期。嚴(yán)重的高溫甚至?xí)?dǎo)致火災(zāi)和爆炸，危及使用者的財(cái)產(chǎn)和人身安全。

熱量傳遞方式

熱傳遞有三種基本方式：熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。熱傳導(dǎo)是同一介質(zhì)或不同介質(zhì)中的物體之間的直接接觸。由于溫差引起的傳熱現(xiàn)象，很多產(chǎn)品都是利用熱傳導(dǎo)特性來降低溫升的。對(duì)流是指流動(dòng)的流體和與之接觸的固體表面由于溫度不同而發(fā)生的熱交換過程。

其中，對(duì)流傳熱分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。自然對(duì)流是冷熱流體密度差引起的流動(dòng)，強(qiáng)制對(duì)流是外力和壓力差引起的流動(dòng)。在產(chǎn)品溫升試驗(yàn)中，可以利用對(duì)流特性中的強(qiáng)制對(duì)流，通過提高強(qiáng)制風(fēng)冷的風(fēng)速來降低溫升。物體以電磁波的形式傳遞能量的過程稱為熱輻射，物體之間的熱輻射是相互的。如果有溫差，物體就會(huì)發(fā)生輻射熱交換。

改善電連接器溫升的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

基本的電連接器產(chǎn)品由塑料主體、稱為端子的接觸彈性部件和接觸涂層組成。在產(chǎn)品中，塑料體將觸點(diǎn)彈片相互隔離，不能互通，并將觸點(diǎn)彈片固定在塑料體內(nèi)，對(duì)每個(gè)觸點(diǎn)彈片進(jìn)行機(jī)械和屏蔽保護(hù)；接觸彈性部件，當(dāng)產(chǎn)品彼此匹配時(shí)，其提供用于在接觸部件之間傳導(dǎo)電信的路徑；接觸鍍層(Contact coating)是覆蓋在接觸元件表面的結(jié)構(gòu)，通常是銅合金，以避免接觸元件基底金屬的腐蝕，并優(yōu)化接觸界面。在電連接器的溫升改善方面，主要針對(duì)產(chǎn)品的三個(gè)部件進(jìn)行改善。

端子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)材料選擇

對(duì)于高額定電流的電連接器，端子材料的選擇既要保證材料的高導(dǎo)電性，又要保證產(chǎn)品滿足一定的機(jī)械性能要求。材料的選擇一般遵循以下原則：傳統(tǒng)電源連接器額定電流低，機(jī)械性能高，可選擇導(dǎo)電率低，機(jī)械性能好的材料，如黃銅、磷青銅等；對(duì)于電源連接器LLCR，應(yīng)選擇要求高、額定電流大、有一定機(jī)械性能的產(chǎn)品，導(dǎo)電率高的材料也要滿足一定的機(jī)械性能，如鉻鋯銅合金。對(duì)于具有特別高的額定電流要求并用作靜態(tài)端子的電連接器產(chǎn)品，端子材料可以由具有幾乎100%導(dǎo)電性的材料制成，例如紫銅。在終端材料的選擇上，除了滿足功能外，成本和采購(gòu)周期也是需要考慮的重點(diǎn)。在綜合性能和成本的比較中，應(yīng)選擇合適的材料。

(2)端子長(zhǎng)度的設(shè)置

電連接器端子的長(zhǎng)度對(duì)溫升影響很大，端子越長(zhǎng)，溫升越不利。因此，在滿足產(chǎn)品的機(jī)械性能和滿足端子的接觸摩擦距離時(shí)，應(yīng)盡可能縮短端子的長(zhǎng)度。

(3)端子橫截面積的設(shè)計(jì)

電連接器產(chǎn)品的溫升也與端子的截面積有關(guān)。端子的截面積越大，產(chǎn)品的溫升越低。因此，在滿足產(chǎn)品整體尺寸的情況下，只要滿足產(chǎn)品的電氣特性，不影響裝配，增加端子的截面積就可以大大降低溫升。

接觸阻抗的設(shè)計(jì)

接觸電阻包括抗壓電阻和集膚電阻，接觸電阻越小，越有利于溫度上升。不考慮材料性質(zhì)，影響接觸電阻的因素有:端子接觸時(shí)的正向力，在一定范圍內(nèi)增加正向力，降低接觸電阻；接觸面的設(shè)計(jì)，接觸點(diǎn)數(shù)量和面積的增加，電阻的降低，有利于溫升；在電鍍?cè)O(shè)計(jì)中，端子的接觸區(qū)域一般選擇鍍金，鍍金的厚度有利于溫升，但考慮到成本，鍍金的厚度要根據(jù)實(shí)際需求來確定；終端氧化層，鍍層中的金、鎳都是不活潑金屬，銅容易與空氣中的氧氣、水蒸氣、二氧化硫反應(yīng)生成氧化層，會(huì)降低有效接觸點(diǎn)，導(dǎo)致溫度升高。

塑料散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在塑料件的設(shè)計(jì)中，當(dāng)塑料結(jié)構(gòu)滿足端子保持和相互配合的要求時(shí)，應(yīng)在塑料表面對(duì)應(yīng)端子接觸區(qū)域出現(xiàn)高溫點(diǎn)的位置開設(shè)氣孔，通過對(duì)流快速散發(fā)大量熱能，可以降低此處的溫升。同樣，在產(chǎn)品的其他塑料部件中，使用材料逸出孔也有利于產(chǎn)品的散熱。

實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)

從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到產(chǎn)品實(shí)物組裝，產(chǎn)品開發(fā)并沒有結(jié)束，只是產(chǎn)品開發(fā)的一半，產(chǎn)品測(cè)試符合規(guī)范，才是最終的完成。其中，溫升測(cè)試是電源連接器測(cè)試中最關(guān)鍵的測(cè)試，很多產(chǎn)品因?yàn)闇y(cè)試不規(guī)范而被判定為不合格，所以產(chǎn)品測(cè)試規(guī)范的設(shè)計(jì)也很重要，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)初始溫度的選擇

在溫升試驗(yàn)中，試驗(yàn)結(jié)果根據(jù)產(chǎn)品前后的溫度差是否小于30℃來判定產(chǎn)品是否符合要求。因此，在產(chǎn)品測(cè)試前選擇初始溫度同樣重要，因?yàn)闇y(cè)試規(guī)范中一般沒有對(duì)環(huán)境初始溫度的具體要求。很多工廠的內(nèi)部實(shí)驗(yàn)室并不具備恒溫的條件，同樣的產(chǎn)品，同樣的人，同樣的機(jī)器進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，測(cè)得的溫升也相差很大。因此，在一般的測(cè)試中，要求實(shí)驗(yàn)室在25℃。

(2)熱電偶的選擇

在現(xiàn)行的測(cè)試規(guī)范中，只定義了測(cè)試線的線徑，而沒有具體定義熱電偶的線徑。分別使用不同線徑的熱電偶，同一樣品的溫升差別很大。因此，在溫升試驗(yàn)中，采用大線徑的熱電偶可以保證測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性。

(3)測(cè)試PCB結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

在溫升測(cè)試失敗的情況下，通過熱成像發(fā)現(xiàn)溫升的高點(diǎn)在測(cè)試PCB上，對(duì)產(chǎn)品溫升測(cè)試影響較大。要降低測(cè)試PCB對(duì)產(chǎn)品溫升測(cè)試的影響，可以從兩個(gè)方面改進(jìn)PCB設(shè)計(jì):(1)增加銅箔的厚度和層數(shù)，既降低了銅箔的電阻又增加了銅箔的散熱；(2)增加銅箔的面積，通過走線將熱量帶到PCB上，降低溫升。

(4)測(cè)試條件的影響

目前很多產(chǎn)品都是通過加風(fēng)扇進(jìn)行風(fēng)冷測(cè)試的。大電流電源連接器溫升試驗(yàn)中是否加入風(fēng)冷，對(duì)產(chǎn)品的試驗(yàn)結(jié)果影響很大。在其他測(cè)試條件相同的情況下，同一產(chǎn)品是否增加了風(fēng)冷，測(cè)試結(jié)果差異較大。目前很多終端客戶明確在測(cè)試中加入風(fēng)冷測(cè)試。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期的有限元分析中，應(yīng)加入過冷工況進(jìn)行分析，以真實(shí)反映產(chǎn)品測(cè)試的真實(shí)情況。

摘要

目前市場(chǎng)上對(duì)電源連接器額定電流的要求越來越高，對(duì)產(chǎn)品性能和質(zhì)量的要求也在逐步提高。在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，還要考慮成品成本。在開發(fā)產(chǎn)品時(shí)，要開發(fā)合適的大電流連接器。在大電流連接器的設(shè)計(jì)中，要考慮以下兩個(gè)方面:盡可能降低端子的導(dǎo)體電阻和接觸阻抗，使最高溫度處于有利通風(fēng)的位置，利用對(duì)流散熱。溫升試驗(yàn)中是否加入空氣冷卻對(duì)結(jié)果影響很大。目前很多客戶都有這個(gè)要求。在塑料設(shè)計(jì)中，巧妙地利用產(chǎn)品逸散材料，使產(chǎn)品有充足的空氣流動(dòng)，絕對(duì)要避開發(fā)熱處的死角，因?yàn)闊崃康姆e累對(duì)溫升影響很大。

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審核編輯?黃昊宇