詳談連接器之電流承載能力

很多人都關(guān)注如果去設(shè)計(jì)一個(gè)連接器達(dá)到期望的電流承載能力。由于這里面涉及太多的知識(shí)以及一些核心機(jī)密技術(shù)，今天我在這里進(jìn)行一些方向性地說(shuō)明。

連接器端子分為單個(gè)端子的連接以及多位數(shù)的連接器。對(duì)于多位連接器，由于其間距不同，加載密度不同（加載密度可以簡(jiǎn)單理解為一個(gè)連接器中裝入的端子數(shù)量） 對(duì)整個(gè)連接器的承載能力會(huì)產(chǎn)生不同的影響。本文也不討論多位連接器的電流承載能力，只討論單個(gè)端子的電流承載能力的設(shè)計(jì)原理。

先談一下連接器端子的電阻組成，連接器端子的電阻由三部分組成：

1）永久性連接的電阻，比如：壓接電阻，IDC連接的電阻，焊接的電阻等，這個(gè)電阻的大小是幾十到幾百微歐（uΩ）；

2）可分離接觸界面的電阻，也就是公母端子配合的接觸電阻，在100gf正壓力作用下，為幾個(gè)毫歐（mΩ）；

3）材料電阻，這個(gè)是由材料的導(dǎo)電率，材料的厚度，材料的幾何長(zhǎng)度等因素決定的。

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永久性連接的承載電流能力

永久性連接的電阻是由端子連接設(shè)計(jì)和應(yīng)用的電線/PCB以及端接工藝決定的，近幾年很多公司越來(lái)越注重壓接的質(zhì)量。對(duì)于一個(gè)端子而言，在壓接（端接）質(zhì)量保證的前提下，永久性連接對(duì)電流影響是很小的。當(dāng)然，一個(gè)差的壓接也是燒機(jī)的主要原因。這篇文章的分析是以壓接（端接）做得很完美的情況，永久性連接相當(dāng)于導(dǎo)線或PCB的延長(zhǎng)，所以，不單獨(dú)討論其電流承載能力。

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可分離界面的電流承載能力

現(xiàn)在這將有助于詳細(xì)調(diào)查一些使用頻率很高的連接器原料。這些原料將根據(jù)它們是否屬于晶體或非晶體聚合物而劃分為兩大類。

1、超溫溫升

對(duì)于可分離接觸界面，由下圖可知，接觸界面上實(shí)際起作用的都是點(diǎn)接觸。

在電流通過(guò)時(shí)，這個(gè)接觸點(diǎn)（A-spots）會(huì)產(chǎn)生溫升，我們稱這些接觸界面上的點(diǎn)所產(chǎn)生的溫升是超溫溫升。由于A-spots體積很小，單個(gè)觸點(diǎn)對(duì)電流的反應(yīng)會(huì)很迅速。超高溫不能直接測(cè)量，但可以通過(guò)接觸界面上的電壓降來(lái)計(jì)算。如下式所示。

這個(gè)式子中的Vc就等于接觸界面的電阻與電流的乘積。在Vc確定的情況下，就可以根據(jù)接觸電阻（集中電阻）的結(jié)果來(lái)確定接觸界面可承載的電流。這個(gè)接觸電阻是在溫升后的電阻值，溫度是對(duì)電阻有影響的，可以根據(jù)溫度/電阻的計(jì)算公試來(lái)折算成室溫時(shí)的電阻。例如下面的一種折算方法。

對(duì)于強(qiáng)電應(yīng)用，建議的接觸界面承載電流的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是1.0K 的超溫溫升。1.0K 的超溫溫升是具有一定的安全性的。由于接觸界面的可分離性，在連接器的一生之中，這個(gè)接觸界面會(huì)受到外在的環(huán)境（高溫/振動(dòng)/濕度/氧化）的影響，所以，在產(chǎn)品壽命終止時(shí)，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)是基于10K超溫溫升。對(duì)于弱電應(yīng)用的產(chǎn)品，可以考慮初始時(shí)10K的超溫溫升。

把上面等式中的ΔTs用1.0或10代入，就可以求解出Vc的值，對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的連接器設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，接觸電阻（集中電阻）的大小是由正壓力決定的，不同的正壓力值可以對(duì)應(yīng)出不同的接觸電阻（集中電阻）。在Vc確定的情況下，可以通過(guò)優(yōu)化接觸電阻（集中電阻）的方法來(lái)達(dá)到所需要電流要求。下圖是一個(gè)正壓力與集中電阻的示例。

需要說(shuō)明的是，端子材料的正壓力存在一個(gè)內(nèi)部的失效機(jī)制------應(yīng)力松弛的影響，隨著溫度和時(shí)間的變化，正壓力會(huì)下降。所以，對(duì)于集中電阻的要求，要用材料應(yīng)力松弛后的正壓力值來(lái)確定。

2、沖擊電流對(duì)接觸界面的影響

連接器在使用過(guò)程中會(huì)受到?jīng)_擊電流的影響，這個(gè)沖擊電流一般對(duì)端子的體電阻影響不大，因?yàn)樽饔脮r(shí)間短，端子體來(lái)不及產(chǎn)生溫升。但是，沖擊電流對(duì)接觸界面的影響還是很嚴(yán)重的，由于A-spots體積很小，單個(gè)觸點(diǎn)對(duì)電流的反應(yīng)會(huì)很迅速。過(guò)高的超溫溫升會(huì)導(dǎo)致單個(gè)接觸點(diǎn)的永久失效，會(huì)使接觸界面電阻的增加。下表是針對(duì)不同的鍍層材料，接觸界面允許的室溫下沖擊電流準(zhǔn)則。

根據(jù)上述超溫溫升準(zhǔn)則和沖擊電流準(zhǔn)則，就可以設(shè)計(jì)不同的接觸電阻（集中電阻）來(lái)達(dá)到所期望的應(yīng)用電流和沖擊電流。

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材料體電阻的承載電流能力

在連接器領(lǐng)域應(yīng)用的大多數(shù)樹(shù)脂可以通過(guò)添加劑的方式來(lái)提高其性能。這些添加劑的范圍從阻燃劑到惰性添加劑以及加強(qiáng)料。很多用作絕緣的材料可通過(guò)增強(qiáng)處理和添加劑的方式來(lái)提高其性能。增強(qiáng)處理通常用來(lái)提高材料的強(qiáng)度、硬度、尺寸穩(wěn)定性以及熱和機(jī)械性能。其通常能減小熱膨脹系數(shù)（CTE） 并且在薄片結(jié)構(gòu)中它們能減小卷曲和收縮。添加劑通常能增強(qiáng)硬度、尺寸穩(wěn)定性、和熱機(jī)械性能。它們有時(shí)會(huì)影響強(qiáng)度和工作性能。添加劑通常便宜且能降低材料的成本。在很多情況下增強(qiáng)劑和添加劑聯(lián)合與玻璃纖維使用以平衡成本與性能之間的關(guān)系。這里有一些因素能控制附加添加劑的使用：

端子材料體電阻的承載電流能力的方法是依據(jù)等效傳導(dǎo)理論。這個(gè)理論就是把端子的材料（導(dǎo)電率/導(dǎo)熱率）和幾何尺寸（截面積&長(zhǎng)度） 等效成一個(gè)在長(zhǎng)度不變的純銅電線的截面積。再依據(jù)等效的電線面積來(lái)確定其能承載的電流。

由于涉及到設(shè)計(jì)核心技術(shù)，這里就不再具體講述如何進(jìn)行面積的等效，我只會(huì)告訴大家涉及到的幾個(gè)參數(shù)：端子材料的導(dǎo)電率、導(dǎo)熱率、平均截面積；純銅材料的導(dǎo)電率、導(dǎo)熱率、截面積。這個(gè)等效方法，有興趣的人員可以自行查閱關(guān)于材料溫升、熱傳導(dǎo)方面的書籍。

建議的體電阻溫升值準(zhǔn)則是18℃。這并不是禁止設(shè)計(jì)人員選擇其他溫升值，如果特定的設(shè)計(jì)需要，可以設(shè)定其他的溫升值。然而，應(yīng)考慮可靠性研究的證據(jù)“當(dāng)電流引起的體電阻溫升大于20℃ 時(shí)，產(chǎn)品的失效率呈顯著上升”。

在我之前的知乎文章中有列出了電線在溫升18度時(shí)的承載電流計(jì)算公試，再次放在這里如下。

在體電阻溫升值確定的情況下，純銅材料的截面積就是確定的了，在這種情況下，通過(guò)等效傳導(dǎo)理論進(jìn)行換算，就可以得到所設(shè)計(jì)的端子的截面積，如果達(dá)不到要求，可能就需要更換更高導(dǎo)電率的材料和更厚的材料。

這里用一個(gè)簡(jiǎn)單的例子說(shuō)明一下。

0.64x0.64的方針（截面積為0.41mm^2，不考慮倒角），黃銅UNS C26000材料。等效成純銅的截面積為0.12mm^2。把0.12代入到上面的I（18）的等式中，可以得到 I=3.2A 。這個(gè)差不多就是單個(gè)0.64黃銅方針在溫升18度時(shí)可以承載的電流。前面也有提到，多位數(shù)的情況電流會(huì)不同。

對(duì)于母端子，也可以用類式的方法進(jìn)行平均截面積的計(jì)算。對(duì)于與電線壓接的端子，需要額外說(shuō)明的是，一般電線的承載額定電流值是高于連接器的額定電流值，例如，16AWG的電線，可以承載的電流是14A（也是溫升18度），但是其與端子相連后，承載的電流值就是10A。此時(shí)，電線會(huì)起到一個(gè)散熱器的作用。簡(jiǎn)單一點(diǎn)講就是如果假設(shè)一個(gè)設(shè)計(jì)好的端子在10A時(shí)的溫升是22度，而16AWG電線在10A時(shí)的溫升可能只有12度，那么電線會(huì)把端子上的溫升散掉，起到散熱器的作用，在這種情況下，端子與電線相連后的總溫升可能也不會(huì)超過(guò)18度。這也就是我們平時(shí)看到很多端子在材料厚度沒(méi)有變更的情況下，只更換了壓線腳設(shè)計(jì)也能達(dá)到應(yīng)用要求。

這里列一下常用電線的承載電流能力與UL 定義的與電線相連后的連接器額定電流值。

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總結(jié)

單個(gè)端子的承載電流能力要關(guān)注三個(gè)內(nèi)容：

1）壓接設(shè)計(jì)和壓接質(zhì)量；

2）接觸界面的超溫溫升準(zhǔn)則和沖擊電流準(zhǔn)則；

3）材料體電阻的等效傳導(dǎo)理論和溫升準(zhǔn)則。

可以看出，對(duì)于強(qiáng)電應(yīng)用來(lái)說(shuō)，初始的接觸界面溫升是1度，材料體電阻溫升是18度，在壓接良好的情況下，初始電阻不會(huì)超過(guò)20度。而達(dá)到壽命終止時(shí)，接觸界面的溫升是10度（主要是外部環(huán)境高溫/振動(dòng)/濕度/氧化的影響），材料體電阻的溫升仍是18度，在壓接沒(méi)有被破壞的情況下，總的溫升會(huì)低于30度。這就是端子承載電流能力的設(shè)計(jì)方法和思路。需要額外說(shuō)明的是，在與電線相連時(shí)，電線會(huì)起到散熱器的作用，從而使端子的初始溫升更低。對(duì)于板端的應(yīng)用，PCB的銅箔設(shè)計(jì)也要符合承載電流的要求。對(duì)于高頻應(yīng)用的連接器，由于存在肌膚效應(yīng)，不適用于本文的方法。
責(zé)編AJX