选择合适的电源连接器

选择合适的电源连接器

统设计日趋小型化，然而电源供应需求却在增长，这给设计工程师带来巨大的挑战。这意味着电源连接器必须同时容纳两个相互矛盾的必要条件，也就是在增加电源之余设计也必须更为紧凑，在筛选市场上琳琅满目的电源连接器时，更不知如何着手。就以重点特征——额定电流为例，其中就蕴藏着许多学问。
额定电流，是促使母端子特定升温的电流量，一般为20℃或30℃。要正确使用这数据，除了须了解其测试方法，也须留意其测试环境。例如：有些单纯测试一对相接却没有安装在外壳内的母端子及公针。众所周知，影响连接器的升温的因素，包括接触电阻、电流量及散热渠道。在实际应用时，公针母端子是安装在外壳内的。因此，散热渠道剧减。再加上一般同时使用多个接触对，更不能以额定电流峰值设置为连接器的工作电流。

从制作角度来看，传统型的电源连接器大多车床加工。基于日渐成熟的冲压技术，从而衍生了新一代冲压成型的电源连接器。相比之下，车床加工制程较简单，磨具设置时间短，属较灵活的生产技术。冲压成型制程虽较昂贵，但在投入量产下，其成本与车床加工不相上下，特别是冲压成型技术容许局部性电镀，是车床加工不能提供的选项。从质量角度考量，在长期量产的状况下，冲压成型确保一定的质量稳定性，这是车床加工无法相提并论的。

从装配角度来探讨，电路板装配的方法有压接、表贴或焊接；电缆装配的方法则有螺钉连接、焊接、绕线、碾接及IDC（通称刺破连接或绝缘位移连接）。要选择合适的连接器，不仅要考虑连接器的价格，更为重要的因素是合适的装配技术。焊接连接器自然比表贴及压接连接器便宜，因为不需耐高温塑料外壳，也不需引脚有特别的压接区。可是，若单板上都是表面贴装元件，选择表贴性的电源连接器还是较合算的决定。接线方面，螺钉连接、焊接及绕线必须手工装配，碾接及IDC则可选用市场上的组装设备以快速、精准地组装连接器及电缆。IDC与碾接相比之下，IDC对电缆的尺寸要求较为严格，电缆导体、绝缘层的尺寸及软硬度须符合相关IDC连接器的规格，以免损坏连接器，并确保电缆及连接器之间理想的电气连接。若应用在高振动的工作环境下，则该选用碾接的线缆连接器。其他需加以考虑的因素还包括工作环境温度而牵涉到是否该使用耐高温电缆的考量等。

图1 ERmet电源模块电流降额曲线

其实，连接器最关键的设计在于母端子及公针形成的触点。不良的设计、制程及不适的基材料、电镀层，都可以导致不理想的接触甚至无法形成触点。反之，过大的夹持正向力则会导致连接器的表镀层过度磨损而减短其机械寿命，即插拔次数。触点的设计有车床圆形针及端子，如欧式DIN41612及ERmet 2mm M型的电源端子等、冲压成型的双杆端子及针如2mm HM电源模块、SMC连接器等、公母同体双杆端子如：MicroStac等。表镀层的材料有金、钯、镍、银、锡、等。银的导电性高，可是容易变色，特别是在含硫的环境中。轻微则仅影响外观，严重则降低导电性能。钯镍的硬度高及空隙率少，所以其耐蚀性良好。金的化学稳定性高，硬度低，成本高。相比之下，各有其利弊。

图2 冲压成型的双杆端子

从构型来看，共有两种不同的电源连接器。合成连接器上的信号端子普遍上占多数，电源端子则占少数。至于单纯的电源连接器或电源模块，端子皆为高电流端子。传统上，电源连接器大多独家设计，每个品牌都不一样。有鉴于电源连接器的需求日益苛刻，各标准逐渐将电源连接器列入其中，衍生了标准电源连接器，如：D-Sub的多个类型、欧式DIN41612中的D、E、F、H及M型连接器、2mm HM的M型连接器及电源模块、ATCA电源连接器。这其中典型的合成连接器例子有：M型欧式连接器、2mm HM的M型连接器以及D-Sub连接器。举个例子，ERmet 2mm M型弯角母连接器提供55针（5排x11行针），并备有三个特殊针腔供放置电源端子或同轴端子。这类连接器可以被单独使用，也可以与2mm其他类型如A、B、C、L或N型组合。相对的，ERmet M型垂直公连接器有多达77针（7排x11行针）,其中两行外排（22针）将与母连接器的屏蔽板连接。相应的，公连接器也有三个特殊针腔供放置电源端子或同轴端子。单纯的电源模块例子包括2mmHM电源模块、MicroSpeed电源模块以及ATCA电源连接器。除此之外，还有板到线的电源连接——MiniBridge及MaxiBridge。

图3 公母同体双杆端子

为了让电源连接器能够提供更高的额定电流，各连接器厂商们不停在改善电源连接器的设计，包括选用导电性能更强的新铜合金基材料、创新母端子及公针触点的设计及提升连接器的散热性能。配合各种工作环境条件，连接器厂商们也研发了各种适合高振动系统、防尘防水、带锁扣的电源连接器供特殊用途，甚至有不同颜色意味着机械上不同编码的连接器，以防操作人员误插。有鉴于PCB装配工艺日趋自动化，卷带包装及预安装抓取垫也日渐普遍。

随着电子科技迅猛发展大趋势，估计将来的电源连接器设计会有更多、更大的突破。只要选用合适的电源连接器，加上良好的PCB设计，系统设计工程师肯定能推出更优质产品。