针对中间板电力工程的更佳设计实践和连接器技术

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在消费品和电器、数据/通信设备、医疗和诊断设备、服务器和其它网络系统等多个行业中，计算能力正在不断上升，加上更短的产品设计周期和更紧凑的设计，大幅加剧了对于更好的设计实践和创新的定制中间板(midplane)解决方案的需求。
           
          解决中间板功率方程的关键注意事项
         
        当功率输出将大容量电力输送到装置中时，功率分布将电力分配到装置各处。针对分布式应用的电源连接器通常额定承载为50A或更大，而中间板电源连接器则位于功率分布的一边，且通常额定为20A或以下，但电流范围也可能为一安培或两安培至高达50A。
         
        除了应用参数和功率需求，在挑选合适的中间板连接器方面，空间可用性也是另一个重要考虑事项。在早期规划中间板电源连接阶段，设计工程师应该评估几个因素。除了清楚了解应用之外，在选择中间板电源连接器时，还有许多相关的问题需要询问和回答。
          ● 每电路需要多少安培数(amp/A)？
        ● 电压的要求是什么？
        ● 线路板上的间距和结构是怎样的？
        ● 可用箱体的空间有多少？
        ● 有没有高度限制？
        ● 在这些给定的参数中，各自的要求是什么？
        ● 有什么选项或特性可以改进设计和功能？
         
        设计考虑中最重要的是针对应用需求的电流要求。不同的应用对中间板电源连接器的安培数要求可以是千差万别的。例如，电脑显示器，与可能为一二百安培的电源相比，在装置内可能仅要求30安培电流。除了应用参数和功率需求，在选择正确的中间板连接器时，空间可用性是另一个重要考虑事项。
         
         
        除了应用参数和功率需求，在选择正确的中间板连接器时，空间可用性是另一个重要考虑事项。
         
        平衡空间节省和可用功率的策略
         
        业界对于更小和更薄的高性能中间板电源连接器的需求正在上升。系统架构和电气工程师始终想在同样的空间内获得更多的功率，这对连接器制造商提出了挑战。与信号连接器可以在更高传输速度上继续变小的情况不同，中间板电源连接器需要特定数量的导电材料来承载特定数量的电流或安培数，随着电源需求的上升，更高安培容量连接器产品所需的空间也在增加。
         
        连接器制造商继续开发创新的设计，使用更高导电率材料，并更有创造性地利用空间来改进功率输出和电气性能，而不用扩大空间需求。为了平衡空间和功率，有必要确定中间板电源互连需要多大的空间，并且比较在成品设计中已分配了多少可用空间。除了空间节省需要优先考虑之外，连接器的高度、宽度和长度，以及它的含铜量，都将直接影响可实现的电流密度。
         
        作为空间和能源节省策略，电气工程师需要仔细评估和战略性地拆分功率。当设计中间板电源连接器时，你需要了解的第一件事就是连接器上需要多大的功率。除了确定总的大容量功率和分立应用规范，功率分布方程还需要考虑输入电源的电路数量。例如，30安培的大容量电源可能需要分布在六个电路上，即通过刀片式设计，将总功率拆分为每电路5安培。采用一个压接箱体系统允许将大容量电源降低为较小的单元，在应用内为多个点供电，而不是依靠单个电源区域。
         
        选择单排或双排连接器通常可归结为间距和外壳尺寸。测量电路板和箱体外壳可帮助确定可用空间是否为垂直或水平的，从而可决定单排或双排连接器是否合适。较低侧高的连接器更适合用于实现冷却气流最大化。在另一些情况下，提供改进的接触性能的较高连接器可能是正确的解决方案，能够在较小的卡边缘空间中妥善处理产生的电流量。在某些设计结构中，建议可在其侧放置闩锁，以便安装一定高度的外壳。因为箱子的占位面积缩小了，某些应用可从6mm连接器转为4.2mm间距的中间板电源连接器。
         
        设计准确的电源连接器尺寸可转化为最佳的节能。然而，确定连接器的尺寸必须要保守稳健，要考虑安全参数和平衡能耗。要使连接器选择与应用匹配，切实了解中间板电源连接器、PCB和环境之间的设计关系是值得的。
         
        散热问题可由接触或集中电阻及低效气流造成。PCB含铜量是要考虑的一个因素。太少的铜会限制电流，导致集中电阻(constriction resistance)。合适的铜迹线尺寸可减少体电阻，获得较低的散热器温度和较少的电流损耗。
         
        随着系统加入更多元器件并封装在更小的箱体中，确保连接器周围气流的合理利用是至关重要的，这些连接器放置在交叉点上(比如在电源和服务器之间)且有可能阻塞空气的自由流通。对于考虑气流的设计人员来说，虽然连接器冷却并不总是优先处理的问题，但位于关键点上的连接器却会妨碍或阻塞气流。充足的气流围绕和穿过连接器可帮助冷却电源接触，允许更多电流并增加安全边际。
        定额，不减少中间板连接器电流
         
        在缩小至更小间距以适应更小外壳的过程中，设计工程师仍然必须遵守物理定律。不适当的额定中间板电气连接器除了导致更严重的安全问题之外，还会引起周围的电磁干扰(electromagnetic interference, EMI)，影响箱体中的数据信号和传输。在电路上承载较额定值更高的安培数可能导致过热和其它散热问题。
         
        中间板连接器和其它功率产品应在阈值内表现优良。连接器应需要不超过法向力(normal force)来保持稳定，并具有冗余触点来使功率损耗最小化。虽然信号触点中的电阻在高达10毫欧水平上也可能可接受，但电源连接器的要求通常较为严格。通常，最大30mV的压降定义了电源接触的热稳定性阈值。一旦超过，热不稳定性的概率会显着增加。
         
        传统上中间板连接器的额定值是基于特定产品在理想情况下测试的电气性能。这些已发布的额定值，虽然测量数据准确，但很少会显示整个情况，因为它们没有考虑各种条件，以及影响中间板电源连接器工作之环境的交互作用。
         
        OEM厂商的常见做法就是自动减少电源连接器的电流，以便在连接器文檔中刊载的产品额定值上加入热安全系数。许多设计人员使用简单的方法，就是测试较少电路数及更长的电路，并绘制一系列‘T上升对比电流’图来显示随着电路数增加，载流能力下降。某些用户则指定一个任意百分比，假如连接器供应商提交了额定100安培的产品，用户将自动减小30%来确保内置的安全系数，防止可能出现过热。
         
        理想情况下，对于影响散热和电气性能的收缩区域和电压降落，设计人员应该考虑整体系统和它的电源架构来了解端对端电压。因此，要达到最佳操作安全性，最好的方法就是定额，而不是降低额定值。根据数据来支持电流额定值的决定，例如对30安培的特定电流要求，建议的最小中间板连接器可能为4.2mm间距。此外，材料选择和含铜量也会影响T的上升。轻的PCB铜板可能产生热积聚，而较重的铜板则因为电阻较小可允许更好的电流。在某些情况下，设计人员可能要在连接器和PCB之间插入散热器。
         
          间板连接器的特性和选项
         
        一些最新的中间板连接器产品结合了新的合金和成型树脂、镀层，并改进了触点技术，所有都为了增加电流密度而不牺牲安全性和可靠性。
         
        极具挑战性的应用，比如当高振动是主要的考虑事项时，可能需要专用的电源连接器。在中间板产品中，Molex Sabre连接器产品线是用于牢固且更大电流应用的理想选择，这些应用需要设计灵活性来用于采用垂直和直角方向的线对线和线对板结构。Sabre产品线采用了端子位置保证(Terminal Position Assurance, TPA)特性来确保压接端子完全固定在其壳体中，并且防止端子由于振动而退出。Sabre中间板电源连接器提供了600V下每电路18.0A的额定电流，并且可提供一系列线规和绝缘厚度。
         
        以往的应用常常被迫去配合可用的中间板连接器规范，这导致了不必要的设计挑战。现有的产品往往要求中间板的电源进行轻微修改，因此增加了中间板连接器产品定制、修改和扩展(customization, modifications and extensions, CME)的需求。当电气工程师需要定制设计功能时，Molex的MiniFit和MicroFit连接器产品组合提供了一系列中间板选项和特性。MiniFit每电路4.2毫米可承载13安培，而MicroFit每电路可承载5安培，使得它们几乎适合任何应用(手持设备除外)。
         
        Molex MiniFit系列连接器系统为用于小间距、大电流、高密度应用新增一系列定制、修改和扩展(CME)功能
           
          在线对线、线对板和板对板结构中，设计用于较大电流、较高密度的应用需要设计灵活性，MiniFit特性包括了-40至+105°C的工作温度、完全隔离的端子、确立外壳锁、低接合力和极化外壳及插座。可提供单排或双排、2至24电路选项。此外，MiniFit连接器产品具有多种镀层和材料选择，以及需要的定制选项，如先插后断触点、用于较厚线路板和有空间电路的更长尾长。
         
        对于电源/信号、盲插、线对线、线对板和板对板及某些电缆组件应用，MicroFit 3.0连接器产品提供了低侧高3.00mm (.118")间距和5.0A的最大电流额定值，可提供多种电缆长度和2至24电路。独特的中间板电源系统针对紧凑空间，MicroFit包含了先前仅在大功率连接器中存在的许多特性，包括通孔和采用卷轴包装的SMT型款，用于大批量印刷电路板上自动拾放。
         
        认识到每一种应用都是独特的，因此要确定哪种连接器选项合适也很重要，例如，单排选项可适应最低高度要求。中间板电源连接器可键入来防止误插；也可为不同极化加工，包括热极化，假如需要先插/后断来确保首先插入接地引脚，随后电源，接着信号引脚。通常，建议的做法是避免使用一拉就会断开的被动闩锁连接器。无论有没有振动，都应使用需要有意打开的主动闩锁来防止不必要的电流中断。例如，MiniFit主动闩锁系统需要拇指按压来锁上和打开，提供了更多保证，防止电源意外断开。
        中间板电源连接器推动更高智能设计
         
        在新架构和系统平台上解决功率方程，会为OEM系统和电力工程师带来电气和机械设计挑战。稳健的功率完整性工程原理和中间板连接器创新，不仅可以推动更智能的设计，而且可帮助确保中间板连接器解决方案提供最佳的电气性能，以及安全性和长期可靠性。
         
        今天的系统架构和设计人员有着众多的中间板电源连接器产品和选项可供选择。在选择中间板连接器类型上，目的是在PCB中打造功率和所产生热效应的最佳平衡，以及空间设计要求来确保最终产品的安全性和性能。在现实的应用条件下，基于科学测试和性能分析，与连接器OEM厂商紧密合作来为具体应用匹配合适的中间板电源连接器是非常重要的。

李小路

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