電連接器溫升改善設計要點

富譽電子科技（淮安）有限公司 梁允魁

電連接器特別是額定電流高的電連接器，產品設計的難點在于溫升。本文先介紹電連接器的溫升危害，熱量傳遞的方式，在此基礎上，提出了電連接器從端子結構、接觸阻抗、塑膠結構及測試規(guī)范方面進行溫升改善，為后面產品設計者提供一些參考意見。

近些年來，隨著電子器件的飛速發(fā)展，連接器行業(yè)在我國得到了較快的發(fā)展，使得快速充電得到了普及，其中大電流的電連接器起到了很大的作用，它作為電能量、訊號傳輸?shù)臉蛄海鋸V泛應用于移動消費電子產品和工業(yè)服務器上。但是如何能滿足產品的插拔使用壽命、電流連續(xù)性，還要使產品的溫升接近于傳輸線，這是大電流連接器的設計難點。大電流連接器要求過載電流大且溫升有嚴格限制，一般均要求不超過30℃。本文將從溫升的危害、溫升基知識方面展開，給出產品設計時溫升改善比較有代表性的三個方面：端子的結構設計、接觸阻抗的設計、實驗測試規(guī)范。

1 溫升基礎知識

1.1 溫升過高危害

在電連接器設計中，要滿足產品的額定電流，它是根據(jù)電連接器工作中，產品的熱設計來滿足額定電流的。在電連接器產品互配通過電流時，因為端子的本體電阻和接觸電阻，會導致互配的產品之間發(fā)熱，熱量不斷集聚中，當電連接器產品溫度過高會導致端子應力松弛，接觸穩(wěn)定性下降，接觸力減小會造成更高的接觸電阻，削弱了電氣信號，最終導致短路。產品高溫還會導致端子表面腐蝕加快，縮短壽命周期，高溫嚴重的甚至會導致火災、爆炸，危害使用者財產及人身安全。

1.2 熱量傳遞方式

熱量傳遞有三種基本方式：熱傳導、對流、輻射。熱傳導是同一介質或不同介質間物體直接接觸，由于溫差所產生的傳熱現(xiàn)象，產品測試中很多是利用熱傳導特性來降低溫升；對流是指流動的流體與其相接觸的固體表面之間，由于不同溫度所發(fā)生的熱交換過程。其中對流換熱分為自然對流和強迫對流，自然對流是因為冷熱流體的密度差引起的流動，而強迫對流則是由外力迫使流體進行流動，是因壓力差引起的流動，產品溫升測試中，可利用對流特性中的強迫對流，通過增加強迫風冷的風速降低溫升；物體以電磁波形式向外傳遞能量的過程稱為熱輻射，物體間的熱輻射是相互的，如果存在溫度差，則物體間進行輻射換熱過程。

2 電連接器溫升改善設計要點

一個基本的電連接器產品由塑料本體、接觸彈性組件稱為端子、接觸鍍層組成。塑料本體在產品中使各接觸彈片相互隔離，不能互相導通，并把接觸彈片固定在塑料本體內部，對各接觸彈片進行機械、遮蔽保護作用；接觸彈性組件，在產品互配時，在接觸組件之間提供一條導通電訊的路徑；接觸鍍層是將接觸組件一般是銅合金表面覆蓋鍍層，避免接觸組件基部金屬被腐蝕并優(yōu)化接觸界面的結構。在對電連接器溫升改善中主要是針對產品的三個組成部分進行改善。

2.1 端子結構的設計

（1）材料選擇

對于額定電流高的電連接器，端子材料選擇上不僅僅只保證材料髙導電性，還要保證產品要達到一定的機械性能需求，一般材料選擇上遵循以下原則：

傳統(tǒng)電源連接器額定電流低，機械性能高，材料可以選擇導電率較低，機械性能好的材料，例如黃銅、磷青銅；對電源連接器LLCR要求較高、額定電流高并且要滿足一定的機械性能產品，要選擇高導電率并材料也要滿足一定機械性能，例如鉻鋯銅合金；對于額定電流要求特別高并且作為靜端子使用的電連接器產品，端子材料可選擇導電率幾乎100%的材料，例如紫銅。

在端子材料選擇上，除了須滿足功能，同時成本和采購周期也是考慮重點，在綜合性能和成本比較上，選擇合適的材料。

（2）端子長度的設定

電連接器產品端子的長度對溫升有很大的影響，端子越長越不利于溫升，所以在滿足產品的機械性能且達到端子接觸摩擦距要求時，盡量縮短端子的長度。

（3）端子截面積設計

電連接器產品的溫升還與端子的截面積相關，端子截面積越大，可降低產品的溫升。所以在滿足產品的外形尺寸下，只要滿足產品電氣特性指標并且對組裝無影響，增加端子的截面積，可以大幅降低溫升。

2.2 接觸阻抗的設計

接觸電阻包括壓縮電阻和皮膜電阻，接觸電阻越小對溫升越有利，不考慮材料性能情況下，影響接觸電阻因素如下：

端子接觸時的正向力，在一定范圍內增大正向力，降低接觸電阻；接觸面設計，接觸點數(shù)量、多面積增加，電阻降低有利于溫升；鍍層設計，端子的接觸區(qū)一般選擇鍍金，鍍金膜厚有利于溫升，但是要考慮到成本，鍍金膜厚要根據(jù)實際需求決定；端子氧化層，鍍層中金和鎳都是不活潑金屬，銅容易跟空氣中的氧氣、水蒸氣、二氧化硫等反應生成氧化物.氧化層會減少有效接觸點，導致溫升上升。

2.3 塑膠散熱結構設計

在塑膠件設計中，塑料結構在滿足端子固持和互配情況下時，要在端子接觸區(qū)域產生溫度高點的位置對應的塑料表面開通風孔，利用對流可以有效地將大量熱能快速散熱出去，可以降低此處的溫升。同理在產品的塑料其它地方，利用逃料開孔也可以有利于產品的散熱。

2.4 實驗規(guī)范設計

產品設計到產品實物組裝完成，產品的開發(fā)并沒有結束，只是完成產品開發(fā)的一半，產品測試符合規(guī)格，才是最終的完成。其中溫升測試是電源連接器中測試最關鍵的一個測試，很多產品因為測試不規(guī)范導致產品誤判不符合，所以產品測試規(guī)范設計也很重要，主要有如下幾個方面：

（1）初始溫度的選擇

溫升測試中，測試結果是根據(jù)產品前后溫度的差值是否小于30℃來判定產品是否符合要求，所以產品測試前測初始溫度選擇上同樣重要，因為在測試規(guī)范中一般沒有對環(huán)境的初始溫度有具體的要求，很多工廠內部的實驗室不具備恒溫的條件，采用同樣的產品，同一個人，同一臺機測試驗證，測量的溫升也有很大差異，所以一般測試的時候，要求實驗室選在25℃的初始溫度測量。

（2）熱電偶的選擇

在目前的測試規(guī)范中僅定義了測試導線的線徑大小，但對熱電偶線徑的大小沒有具體的定義，分別采用不同線徑的熱電偶，對同樣的樣品測試，溫升相差很大。所以在溫升測試的時候，選用大線徑的熱電偶，可以保證測量結果的穩(wěn)定性。

（3）測試PCB結構設計

在溫升測試失敗的案件中，通過熱成像發(fā)現(xiàn)，溫度發(fā)熱高點在測試PCB上，這對產品溫升測試有很大的影響，為降低測試PCB板對產品溫升測試影響，PCB設計的時候，可以從兩方面進行改善：（1）要增加銅箔厚度、銅箔層數(shù)，這樣不僅減小銅箔的電阻而且增加了銅箔的散熱；（2）增加銅箔的面積，通過trace把熱量帶到PCB板上，降低溫升。

（4）測試條件影響

目前很多產品在整機測試中，增加風扇進行風冷，在大電流電源連接器溫升測試中，是否有增加風冷，這對產品的測試結果又有很大的影響。同一產品在其它測試條件相同下，有無增加風冷，測試的結果相差很大。目前很多終端客戶，明確在測試中增加風冷測試，在我們產品設計前期FEA分析中要加入分冷的條件進行分析，才能真實的反映出產品測試時真實狀況。

總結：目前市場上對電源連接器的額定電流要求越來越高，產品的性能、質量要求也逐漸提高，在提高產品質量的同時，也要考慮成品的成本，產品開發(fā)時，要開發(fā)出適用的大電流連接器。在大電流連接器設計主要從以下兩大方面考慮：盡可能減小端子件的導體電阻及接觸阻抗，并使溫度最高點處于有利通風位置，利用對流散熱。溫升測試中是否增加風冷，對結果影響非常大，目前很多客戶均有此要規(guī)格要求。在塑膠設計中巧妙運用產品逃料，使產品內部有充分的空氣流動，要絕對避免發(fā)熱處死角，熱量累積對溫升影響巨大。