互連設計中的功率完整性研究

隨著(zhù)對大功率小封裝產(chǎn)品的需求增長(cháng)，要解決新結構和系統平臺的功率平衡問(wèn)題，OEM系統和功率工程師遇上了電氣和機械設計方面的挑戰，他們需要選定能夠確保信號和功率完整性的互連組件。

信號連接器的傳送速度不斷提高，而體積則變得更??；但電源連接器卻與之不同，需要一定量的傳導材料來(lái)傳送一定量的電流或者安培數，所以不存在可以使用更小的功率觸點(diǎn)來(lái)傳導更大電流的特殊設計秘訣，而功率需求增加，更高載流容量互連所需的空間也隨之增加。

設計密度和承載功率

即使新的系統設計常常要求以有限的空間傳送更大的功率，但仍然有數項因素影響著(zhù)一款設計的功率密度以及它實(shí)際能夠承載的功率的大小。清晰了解每一種因素是成功實(shí)現系統內功率完整性和安全性設計的關(guān)鍵所在，而這也有助于簡(jiǎn)化整體設計過(guò)程。這些關(guān)鍵因素包括：

平衡空間和功率

首先，必須確定電源互連需要多大的空間，并對照最終產(chǎn)品設計中分配了多大的可用空間。對于大多數OEM廠(chǎng)商而言，節省空間是優(yōu)先考慮的因素，連接器的高度、寬度和長(cháng)度，尤其是含銅量，將會(huì )直接影響可承載的電流密度。系統結構設計人員總是希望以相同的空間來(lái)獲得更大的功率，而這正給連接器制造廠(chǎng)商帶來(lái)了挑戰。

然而，世界領(lǐng)先的連接器制造廠(chǎng)商不斷開(kāi)發(fā)新型和創(chuàng )新型設計，采用導電率更高的材料，更富創(chuàng )造性地利用空間，以便在不增加空間的情況下提高輸出功率和電氣性能。例如在某些情況下，選用側高較低的連接器，從而使冷卻氣流最大化。而在另一些情況下，則可能要選擇具有更佳接觸性能的較高的連接器，使用較少的卡邊緣空間來(lái)承載所產(chǎn)生的電流。但重要的是，以空間設計要求來(lái)使PCB的功率及其產(chǎn)生的熱效應之間達到最佳平衡，以確保最終產(chǎn)品的安全性和性能。

熱管理

由接觸或集中電阻和低效的空氣流動(dòng)所造成的發(fā)熱問(wèn)題永遠是令人關(guān)注的問(wèn)題，而且應該在設計過(guò)程中提早認真考慮。PCB含銅量是其中一個(gè)因素。含銅太少會(huì )限制電流流動(dòng)，因而產(chǎn)生集中電阻(constriction resistance)。尺寸合適的銅跡線(xiàn)可以降低體電阻、降低溫度并減小損耗。否則，熱量可能“下沉”到連接器的接口，增加了需要考慮的可靠性問(wèn)題。電源制造廠(chǎng)商在以各種特性來(lái)補足PCB結構方面極具創(chuàng )造性，以緩解發(fā)熱和集中電阻的問(wèn)題。

此外，由于系統在更小的箱體中加入了更多的組件，因此必須確保定位于交叉點(diǎn)(如電源和服務(wù)器之間)的連接器周?chē)鷼饬鳙@得恰當的管理。連接器周?chē)痛┻^(guò)連接器的氣流充足，將有助于冷卻功率觸點(diǎn)，增加電流容量，并提高安全性。同時(shí)，連接器有時(shí)位于關(guān)鍵點(diǎn)上，并且阻礙氣流流動(dòng)。然而，在考慮氣流問(wèn)題時(shí)，連接器的冷卻過(guò)程卻通常不在設計人員優(yōu)先考慮事項清單的前列。

在工作安全性方面，設計人員需要考慮整體系統及其電源結構，針對影響熱性能和電氣性能的集中區域和壓降，從頭到尾了解可能出現的潛在問(wèn)題。一般來(lái)講，對于功率觸點(diǎn)，壓降超過(guò)30mV便會(huì )影響熱穩定性。一旦跨越該閾值，熱不穩定性的發(fā)生概率就會(huì )顯著(zhù)增加。

世界級的連接器制造廠(chǎng)商正與客戶(hù)合作開(kāi)發(fā)改進(jìn)型電源互連解決方案，具有更小的空間、更高的溫度及更長(cháng)的產(chǎn)品壽命，從而實(shí)現安全、可靠的運作。嶄新的設計采用了新型合金和成型樹(shù)脂、電鍍、改進(jìn)的觸點(diǎn)技術(shù)，務(wù)求在不犧牲安全性和可靠性的前提下提高電流密度。

減小風(fēng)險

傳統上，連接器制造廠(chǎng)商將電流額定值建立于產(chǎn)品在理想環(huán)境下測試所得的電氣性能之上。這些發(fā)布的額定值，在其測試環(huán)境下是精確的，但因為沒(méi)有考慮到會(huì )影響連接器實(shí)際工作環(huán)境的各種條件和交互作用，所以并未反映整體狀況。

因此，OEM廠(chǎng)商通常會(huì )降低連接器的額定值，以便構建超過(guò)連接器制造廠(chǎng)商產(chǎn)品目錄之產(chǎn)品額定值的發(fā)熱安全余量。許多OEM廠(chǎng)商使用一種簡(jiǎn)單的做法，就是測試與一個(gè)數量較大的電路相伴的較少量電路，并繪制溫度隨電流升高的曲線(xiàn)，顯示電路數目增加，載流能力降低。此外，有些用戶(hù)會(huì )主觀(guān)指定另一種比率，如果連接器供應商發(fā)布的產(chǎn)品額定值是100A，用戶(hù)將會(huì )自行降低30%的額定值，以確保構建安全余量，防止出現過(guò)熱現象。

現在，領(lǐng)先的連接器供應商都了解到這種情況，并將與OEM廠(chǎng)商及其設計團隊緊密合作，以實(shí)際應用條件下的科學(xué)測試和性能分析為基礎，來(lái)選擇滿(mǎn)足特定應用要求的連接器。

為了提供精確的額定值，頂級連接器制造廠(chǎng)商會(huì )進(jìn)行大量的測試和預測性建模，例如焦耳發(fā)熱有限元分析(FEA)和計算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件，將輸入條件與連接器和PCB幾何形狀和材料性能、電流、觸點(diǎn)電阻(實(shí)際測試數據)以及氣流等條件相關(guān)聯(lián)。使用這種方法，可以估計出每種互連產(chǎn)品的性能，并為用戶(hù)提供可靠的忠告，說(shuō)明哪種產(chǎn)品與應用需求最為匹配。雖然模擬和/或測試全部可能的環(huán)境是不現實(shí)的，但是這些模型和分析有助于指導設計人員花費較少的時(shí)間做出更明智的選擇。這一點(diǎn)在適應電子行業(yè)所要求的快速設計周期方面是非常重要的。

功率完整性規劃帶來(lái)更佳的結果

在電子器件技術(shù)中，緊湊外形、傳輸速度、信號和功率完整性是極為重要的，前攝性功率完整性工程技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)絕不是夸大其詞。由于計算能力的需求增加，推動(dòng)了對更大功率的需求。同時(shí)，產(chǎn)品設計周期不斷縮短，留給功率工程師做出關(guān)鍵決定的時(shí)間也更少了。

圖2

在設計階段，在選定互連組件之前，設計人員要清楚地了解對所有的需求，這可確何做出正確的決定，避免代價(jià)昂貴的錯誤。最重要的是，高質(zhì)量的功率完整性工程技術(shù)能夠幫助OEM廠(chǎng)商及其設計人員最大限度地提升其產(chǎn)品的性能、可靠性和安全性。