连接器的电流承载能力的三大影响因素

2021年3月4日
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一个连接器如何达到期望的电流承载能力,该如何去设计?由于这里面涉及太多的知识以及一些核心机密技术,今天我在这里进行一些方向性地说明。

连接器端子分为单个端子的连接以及多位数的连接器。对于多位连接器,由于其间距不同,加载密度不同(加载密度可以简单理解为一个连接器中装入的端子数量) 对整个连接器的承载能力会产生不同的影响。本文也不讨论多位连接器的电流承载能力,只讨论单个端子的电流承载能力的设计原理。

先谈一下连接器端子的电阻组成,连接器端子的电阻由三部分组成:

1)永久性连接的电阻,比如:压接电阻,IDC连接的电阻,焊接的电阻等,这个电阻的大小是几十到几百微欧(uΩ);

2)可分离接触界面的电阻,也就是公母端子配合的接触电阻,在100gf正压力作用下,为几个毫欧(mΩ);

3)材料电阻,这个是由材料的导电率,材料的厚度,材料的几何长度等因素决定的。

1、永久性连接的承载电流能力

永久性连接的电阻是由端子连接设计和应用的电线/PCB以及端接工艺决定的,近几年很多公司越来越注重压接的质量。对于一个端子而言,在压接(端接)质量保证的前提下,永久性连接对电流影响是很小的。当然,一个差的压接也是烧机的主要原因。这篇文章的分析是以压接(端接)做得很完美的情况,永久性连接相当于导线或PCB的延长,所以,不单独讨论其电流承载能力。

2、可分离界面的电流承载能力

现在这将有助于详细调查一些使用频率很高的连接器原料。这些原料将根据它们是否属于晶体或非晶体聚合物而划分为两大类。

1、超温温升

对于可分离接触界面,由下图可知,接触界面上实际起作用的都是点接触。

连接器的电流承载能力的三大影响因素

在电流通过时,这个接触点(A-spots)会产生温升,我们称这些接触界面上的点所产生的温升是超温温升。由于A-spots体积很小,单个触点对电流的反应会很迅速。超高温不能直接测量,但可以通过接触界面上的电压降来计算。如下式所示。

连接器的电流承载能力的三大影响因素

这个式子中的Vc就等于接触界面的电阻与电流的乘积。在Vc确定的情况下,就可以根据接触电阻(集中电阻)的结果来确定接触界面可承载的电流。这个接触电阻是在温升后的电阻值,温度是对电阻有影响的,可以根据温度/电阻的计算公试来折算成室温时的电阻。例如下面的一种折算方法。

连接器的电流承载能力的三大影响因素

对于强电应用,建议的接触界面承载电流的设计准则是1.0˚K 的超温温升。1.0˚K 的超温温升是具有一定的安全性的。由于接触界面的可分离性,在连接器的一生之中,这个接触界面会受到外在的环境(高温/振动/湿度/氧化)的影响,所以,在产品寿命终止时,验收标准是基于10˚K超温温升。对于弱电应用的产品,可以考虑初始时10˚K的超温温升。

把上面等式中的ΔTs用1.0或10代入,就可以求解出Vc的值,对于有经验的连接器设计人员来说,接触电阻(集中电阻)的大小是由正压力决定的,不同的正压力值可以对应出不同的接触电阻(集中电阻)。在Vc确定的情况下,可以通过优化接触电阻(集中电阻)的方法来达到所需要电流要求。下图是一个正压力与集中电阻的示例。

连接器的电流承载能力的三大影响因素

需要说明的是,端子材料的正压力存在一个内部的失效机制------应力松弛的影响,随着温度和时间的变化,正压力会下降。所以,对于集中电阻的要求,要用材料应力松弛后的正压力值来确定。

2、冲击电流对接触界面的影响

连接器在使用过程中会受到冲击电流的影响,这个冲击电流一般对端子的体电阻影响不大,因为作用时间短,端子体来不及产生温升。但是,冲击电流对接触界面的影响还是很严重的,由于A-spots体积很小,单个触点对电流的反应会很迅速。过高的超温温升会导致单个接触点的永久失效,会使接触界面电阻的增加。下表是针对不同的镀层材料,接触界面允许的室温下冲击电流准则。

连接器的电流承载能力的三大影响因素

根据上述超温温升准则和冲击电流准则,就可以设计不同的接触电阻(集中电阻)来达到所期望的应用电流和冲击电流。

3、材料体电阻的承载电流能力

在连接器领域应用的大多数树脂可以通过添加剂的方式来提高其性能。这些添加剂的范围从阻燃剂到惰性添加剂以及加强料。很多用作绝缘的材料可通过增强处理和添加剂的方式来提高其性能。增强处理通常用来提高材料的强度、硬度、尺寸稳定性以及热和机械性能。其通常能减小热膨胀系数(CTE) 并且在薄片结构中它们能减小卷曲和收缩。添加剂通常能增强硬度、尺寸稳定性、和热机械性能。它们有时会影响强度和工作性能。添加剂通常便宜且能降低材料的成本。在很多情况下增强剂和添加剂联合与玻璃纤维使用以平衡成本与性能之间的关系。这里有一些因素能控制附加添加剂的使用:

端子材料体电阻的承载电流能力的方法是依据等效传导理论。这个理论就是把端子的材料(导电率/导热率)和几何尺寸(截面积&长度) 等效成一个在长度不变的纯铜电线的截面积。再依据等效的电线面积来确定其能承载的电流。

由于涉及到设计核心技术,这里就不再具体讲述如何进行面积的等效,我只会告诉大家涉及到的几个参数:端子材料的导电率、导热率、平均截面积;纯铜材料的导电率、导热率、截面积。这个等效方法,有兴趣的人员可以自行查阅关于材料温升、热传导方面的书籍。

建议的体电阻温升值准则是18℃。这并不是禁止设计人员选择其他温升值,如果特定的设计需要,可以设定其他的温升值。然而,应考虑可靠性研究的证据“当电流引起的体电阻温升大于20℃ 时,产品的失效率呈显著上升”。

在我之前的知乎文章中有列出了电线在温升18度时的承载电流计算公试,再次放在这里如下。

连接器的电流承载能力的三大影响因素

在体电阻温升值确定的情况下,纯铜材料的截面积就是确定的了,在这种情况下,通过等效传导理论进行换算,就可以得到所设计的端子的截面积,如果达不到要求,可能就需要更换更高导电率的材料和更厚的材料。

这里用一个简单的例子说明一下。

0.64x0.64的方针(截面积为0.41mm^2,不考虑倒角),黄铜UNS C26000材料。等效成纯铜的截面积为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 。这个差不多就是单个0.64黄铜方针在温升18度时可以承载的电流。前面也有提到,多位数的情况电流会不同。

对于母端子,也可以用类式的方法进行平均截面积的计算。对于与电线压接的端子,需要额外说明的是,一般电线的承载额定电流值是高于连接器的额定电流值,例如,16AWG的电线,可以承载的电流是14A(也是温升18度),但是其与端子相连后,承载的电流值就是10A。此时,电线会起到一个散热器的作用。简单一点讲就是如果假设一个设计好的端子在10A时的温升是22度,而16AWG电线在10A时的温升可能只有12度,那么电线会把端子上的温升散掉,起到散热器的作用,在这种情况下,端子与电线相连后的总温升可能也不会超过18度。这也就是我们平时看到很多端子在材料厚度没有变更的情况下,只更换了压线脚设计也能达到应用要求。

这里列一下常用电线的承载电流能力与UL 定义的与电线相连后的连接器额定电流值。

连接器的电流承载能力的三大影响因素

4、总结

单个端子的承载电流能力要关注三个内容:
1)压接设计和压接质量;
2)接触界面的超温温升准则和冲击电流准则;
3)材料体电阻的等效传导理论和温升准则。

可以看出,对于强电应用来说,初始的接触界面温升是1度,材料体电阻温升是18度,在压接良好的情况下,初始电阻不会超过20度。而达到寿命终止时,接触界面的温升是10度(主要是外部环境高温/振动/湿度/氧化的影响),材料体电阻的温升仍是18度,在压接没有被破坏的情况下,总的温升会低于30度。这就是端子承载电流能力的设计方法和思路。需要额外说明的是,在与电线相连时,电线会起到散热器的作用,从而使端子的初始温升更低。对于板端的应用,PCB的铜箔设计也要符合承载电流的要求。对于高频应用的连接器,由于存在肌肤效应,不适用于本文的方法。

作者: 陆明超 ,线束世界

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