中心议题:电连接器的选择 射频连接器的选择 宇航电连接器的选择 电源连接器的选择 新能源汽车连接器的选择.
灿达电子(HR连接器)将从电连接器选择入手,结合电子元件技术网的选型替代工具,从电气参数、安全参数、机械参数、环境参数和端接方式等多方面论述连接器的选择方法。如射频连接器注重连接器接口、电气性能、安装及电缆端接形式、机械构造及镀覆层等。
而不同的应用环境对连接器的需求有所不同,如宇航连接器必须经受真空、辐照、臭氧和温度交变等复杂严苛的空间环境;电源连接器则考虑额定电流、Pitch、标准等;新能源汽车连接器要求绿色,安全、连通性、耐久性、可靠性、紧凑性和减轻重量。试图通过各种应用之间的对比,指导工程师了解连接器特性和正确运用选型工具,为新应用开发、供应商多元化以及产品设计优化和替代提供便利,能真正从实处节约成本和时间,帮助工程师走中国式的创新之路。
电连接器的选择
电连接器也可称插头座,广泛应用于各种电气线路中,起着连接或断开电路的作用。提高电连接器的可靠性首先是制造厂的责任。但由于电连接器的种类繁多,应用范围广泛,因此,正确选择电连接器也是提高连接器可靠性的一个重要方面。只有通过制造者和使用者双方共同努力,才能最大限度的发挥电连接器应有的功能。保证电路可靠性需要正确选择和使用电连接器。
电连接器有不同的分类方法。按照频率分,有高频连接器和低频连接器;按照外形分有圆形连机器,矩形连机器;按照用途分,有印制板用连接器,机柜用连接器,音响设备用连接器,电源连接器,特殊用途连接器等等。下面主要论述低频连接器(频率为3MHZ以下)的选择方法。其需要从电气参数、安全参数、机械参数、环境参数、连接方式、安装方式和端接方式等方面进行选择。
1)电气参数要求
电连接器是连接电气线路的机电元件。因此电连接器自身的电气参数是选择电连接器首先要考虑的问题。
a.额定电压
额定电压又称工作电压,它主要取决于电连机器所使用的绝缘材料,接触对之间的间距大小。某些元件或装置在低于其额定电压时,可能不能完成其应有的功能。电连接器的额定电压事实上应理解为生产厂推荐的最高工作电压。原则上说,电连接器在低于额定电压下都能正常工作。笔者倾向于根据电连接器的耐压(抗电强度)指标,按照使用环境,安全等级要求来合理选用额定电压。也就是说,相同的耐压指标,根据不同的使用环境和安全要求,可使用到不同的最高工作电压。这也比较符合客观使用情况。
b.额定电流
额定电流又称工作电流。同额定电压一样,在低于额定电流情况下,电连接器一般都能正常工作。在电连接器的设计过程中,是通过对电连接器的热设计来满足额定电流要求的,因为在接触对有电流流过时,由于存在导体电阻和接触电阻,接触对将会发热。当其发热超过一定极限时,将破坏连接器的绝缘和形成接触对表面镀层的软化,造成故障。因此,要限制额定电流,事实上要限制连接器内部的温升不超过设计的规定值。在选择时要注意的问题是:对多芯连接器而言,额定电流必须降额使用。这在大电流的场合更应引起重视,例如φ3.5mm接触对,一般规定其额定电流为50A,但在5芯时要降额33%使用,也就是每芯的额定电流只有 38A,芯数越多,降额幅度越大。降额幅度可参看表1 表1:
c.接触电阻
接触电阻是指两个接触导体在接触部分产生的电阻。在选用时要注意到两个问题,第一,连接器的接触电阻指标事实上是接触对电阻,它包括接触电阻和接触对导体电阻。通常导体电阻较小,因此接触对电阻在很多技术规范中被称为接触电阻。第二,在连接小信号的电路中,要注意给出的接触电阻指标是在什么条件下测试的,因为接触表面会附则氧化层,油污或其他污染物,两接触件表面会产生膜层电阻。在膜层厚度增加时,电阻迅速增大,是膜层成为不良导体。但是,膜层在高接触压力下会发生机械击穿,或在高电压,大电流下会发生电击穿。对某些小体积的连接器设计的接触压力相当小,使用场合仅为mA和mV级,膜层电阻不易被击穿,可能影响电信号的传输。在GB5095《电在设备用机电元件基本试验规程及测量方法》中的接触电阻测试方法之一“接触电阻——毫伏法“规定,为了防止接触件上绝缘薄膜被击穿,测试回路的开路电动势的直流或交流峰值应不大于20mV,直流或交流试验电流应不大于100mA。事实上这是一种低电平接触电阻的测试方法,因此,有此要求的选择者,因选用由低电平接触电阻指标的连接器。
d.屏蔽性
在现代电气电子设备中,元器件的密度以及它们之间相关功能的日益增加,对电磁干扰提出了严格的限制。所以连接器往往用金属壳体封闭起来,以阻止内部电磁能辐射或受到外界电磁场的干扰。在低频时,只有磁性材料才能对磁场起明显屏蔽作用。此时,对金属外壳的电连续性有一定的规定,也就是外壳接触电阻。
2)安全参数
a.绝缘电阻
绝缘电阻是指在连接器的绝缘部分施加电压,从而使绝缘部分的表面内或表面上产生漏电流而呈现出的电阻值。它主要受绝缘材料,温度,湿度,污损等因素的影响。连接器样本上提供的绝缘电阻值一般都是在标准大气条件下的指标值,在某些环境条件下,绝缘电阻值会有不用程度的下降。另外要注意绝缘电阻的试验电压值。根据绝缘电阻(MΩ)=加在绝缘体上的电压(V)/泄漏电流(μA)施加不同的电压,就有不用的结果。在连接器的试验中,施加的电压一般有 10V,100V,500V三档。
b.耐压
耐压就是接触对的相互绝缘部分之间或绝缘部分与接地之间,在规定时间内所能承受的比额定电压更高而不产生击穿现象的临界电压。它主要受 接触对间距和爬电距离和几何形状,绝缘体材料以及环境温度和湿度,大气压力的影响。
c.燃烧性
任何连接器在工作时都离不开电流,这就存在起火的危险性。因此对连接器不仅要求能防止引燃,还要求在一旦引燃和起火时,能在短时间内自灭。在选用时要注意选择采用阻燃型,自熄性绝缘材料的电连接器。
3)机械参数
a.单脚分离力和总分离力
连接器中接触压力是一个重要指标,它直接影响到接触电阻的大小和接触对的磨损量。在大多数结构中,直接测量接触压力是相当困难的。因此,往往通过单脚分离力来间接测算接触压力。对于圆形针孔接触对,通常是用有规定重量砝码的标准插针来检验阴接触件夹持砝码的能力,一般其标准插针的直径是阳接触件直径的下限取-5μm。总分离力一般是单脚分离力上线之和的两倍。总分离力超过50N时,用人工插拔已经相当困难了。当然,对一些测试设备或某些特殊要求的场合,可选用零插拔力连接器,自动脱落连接器等等。
b.机械寿命
连接器的机械寿命是指插拔寿命,通常规定为500~1000次。在达到此规定的机械寿命时,连接器的接触电阻,绝缘电阻和耐压等指标不应超过规定的值。严格的说,现在的机械寿命是一种模糊的概念。机械寿命应该与时间有一定的关系,10年用完500次与1年用完500次,显然其情况是不一样的。只不过目前还没有一种更经济,更科学的方法来衡量。
c.接触对数目和针孔性
首选可根据电路的需要来选择接触对的数目,同时要考虑连接器的体积和总分离力的大小。接触对数目多,当然其体积就大,总分离力相对也大。在某些可靠性要求高、而体积又允许的情况下,可采用两对接触对并联的方法来提高连接的可靠性。
连接器的插头、插座中,插针(阳接触件)和插孔(阴接触件)一般都能互换装配。实际使用时,可根据插头和插座两端的带电情况来选择。如插座需常带电,可选择装插孔的插座,因为装插孔的插座,其带电接触件埋在绝缘体中,人体不易触摸到带电接触件,相对来说比较安全。
d.振动、冲击、碰撞
主要考虑连接器在规定频率和加速度条件下振动、冲击、碰撞时的接触对的电连续性。接触对在此动态应力情况下会发生瞬时断路的现象。规定的瞬断时间一般有1μs、10μs、100μs、1ms和10ms。要注意的是如何判断接触对发生瞬断故障。现在一般认为,当闭合接触对(触点)两端电压降超过电源电动势的50%时,可判定闭合接触对(触点)发生故障。也就是说判断是否发生瞬断有两个条件:持续时间和电压降,两者缺一不可。
4)连接方式
连接器一般由插头和插座组成,其中插头也称自由端连接器,插座也称固定连接器。通过插头、插座和插合和分离来实现电路的连接和断开,因此就产生了插头和插座的各种连接方式。对圆形连接器来说,主要有螺纹式连接,卡口式连接和弹子式连接三种方式。其中螺纹式连接最常见,它具有加工工艺简单、制造成本低、适用范围广等优点,但连接速度较慢不适宜于需频繁插拔和快速接连的场合。卡口式连接由于其三条卡口槽的导程较长,因此连接的速度较快,但它制造较复杂,成本也就较高。弹子式连接是三种连接方式中连接速度最快的一种,它不需进行旋转运动,只需进行直线运动就能实现连接、分离和锁紧的功能。由于它属于直推拉式连接方式,所以仅适用于总分离力不大的连接器。一般在小型连接器中较常见。
5)安装方式和外形
连接器的安装有前安装和后安装,安装固定方式有铆钉、螺钉、卡圈或连接器本身卡销快速锁定等。也有一种插头和插座是均是自由端连接器,即所谓中继连接器。
连接器的外形千变万化,用户主要是从直形、弯形、电线或电缆的外径及与外壳的固定要求、体积、重量、是否需连接金属软管等方面加以选择,对在面板上使用的连接器还要从美观、造型、颜色等方面加以选择。
6)环境参数
环境参数主要有环境温度、湿度、温度急变、大气压力和腐蚀环境等。连接器在使用和保管、运输过程中所处的环境对其性能有显著的影响,所以必须根据实际的环境条件选用相应的连接器。
a.环境温度
连接器的金属材料和绝缘材料决定着连接器的工作环境温度。高温会破坏缘材料,引起绝缘电阻和耐压性能降低;对金属而言高温可使接触对失去弹性,加速氧化和发生镀层变质。通常的环境温度为-55~100℃特殊场合下可能要求更高。
b.潮湿
相对湿度大于80%,是引起电击穿的要原因。潮湿环境引起水蒸气在绝缘体表面的吸收和扩散,容易使绝缘电阻降低到MΩ级以下,长期处在高湿环境下,会引起 物理变形,分解、逸出生成物,产生呼吸效应及电解、腐蚀和裂纹。特别是在设备外部的连接器,常常要考虑潮湿、水渗和污染的环境条件,这种情况下应选用密封连接器。对于水密、尘密型连接器一般采用GB4208的外壳防护等级来表示。
c.温度急变
湿度急变试验是模拟使用连接器设备在寒冷的环境转入温暖环境的实际使用情况,或者模拟空间飞行器、探测器环境温度急剧变化的情况。温度急变可能使绝缘材料裂纹或起层。
d.大气压力
在空气稀薄的高空,塑料放出气体污染接触对,并使电晕产生的趋势增加,耐压性能下降,使电路产生短路故障。在高空达到某一定值时,塑料性能变差。因此在高空使用非密封连接器时,必须降额使用。
e.腐蚀环境
根据连接器的不同使用腐蚀环境,选用相应金属、塑料、镀层结构的连接器,像在盐雾环境下使用的连接器,如果没有防腐的金属表面,会使性能迅速恶化。在含有相当浓度的SO2环境中,不宜使用镀银接触对的连接器。在潮热地区,霉菌也是重要问题。
7)端接方式
端接方式是指连接器的接触对与电线或电缆的连接方式。合理选择端接方式和正确使用端接技术,也是使用和选择连接器的一个重要方面。
a 焊接
焊接最常见的是锡焊。锡焊连接最重要的是焊锡料与被焊接表面之间应形成金属的连续性。因此对连接器来说,重要的是可焊性。连接器焊接端最常见的镀层是锡合金、银和金。簧片式接触对常见的焊接端有焊片式、冲眼焊片式和缺口焊片式:针孔式接触对常见焊接端有钻孔圆弧缺口式。
b 压接
压接是为使金属在规定的限度内压缩和位移并将导线连接到接触对上的一种技术。好的压接连接能产生金属互熔流动,使导线和接触对材料对称变形。这种连接类似于冷焊连接,能得到较好的机械强度和电连续性,它能承受更恶劣的环境条件。目前普遍认为采用正确的压接连接比锡焊好,特别是在大电流场合必须使用压接。压 接时须采用专用压接钳或自动、半自动压接机。应根据导线截面,正确选用接触对的导线筒。要注意的是压接连接是永久性连接,只能使用一次。
c 绕接
绕接是将导线直接缠绕在带棱角的接触件绕接柱上。绕接时,导线在张力受到控制的情况下进行缠绕,压入并固定在接触件绕接柱的棱角处,以形成气密性接触。绕接导线有几个要求:导线直径的标称值应在0.25mm~1.0mm范围内;导线直径不大于0.5mm时,导体材料的延伸率不小于15%;导线直径大于 0.5mm时,导体材料的延伸率不小于20%。绕接的工具包括绕枪和固定式绕接机。
d 刺破接连
刺破连接又称绝缘位移连接,是由美国在60年代发明的一种新颖端技术,具有可靠性高、成本低、使用方便等特点,目前已广泛应用于各种印制板用连接器中。它适用于带状电缆的连接。连接时不需要剥去电缆的绝缘层,依靠连接器的“U”字形接触簧片的尖端刺入绝缘层中,使电缆的导体滑进接触簧片的槽中并被夹持住,从而使电缆导体和连接器簧片之间形成紧密的电气连接性。它仅需简单的工具,但必须选用规定线规的电缆。
e.螺钉连接
螺钉连接是采用螺钉式接线端子的连接方式,要注意允许连接导线的最大和最小截面和不同规格螺钉允许的最大拧紧力矩。
射频连接器的选择
射频连接器是电连接器中应用比较多的一类产品,用户在选用射频同轴连接器时,既要考虑性能要求又要考虑经济因素,性能必须满足系统电气设备的要求,经济上必须符合价值工程要求,在选择时主要从以下四方面考虑: 连接器接口(SMA、SMB、BNC等) 电气性能、安装及电缆 端接形式(PC板、电缆、面板等) 机械构造及镀覆层(军用、商用)
连接器接口
连接器接口通常由它的应用所决定,但同时要满足电气和机械性能要求。
BNC型连接器采用卡口式连接,多用于频率低于4GHz 的射频信号连接,广泛用于网络系统、仪器仪表及电脑互联领域。
TNC除了螺纹连接外,其界面与BNC相仿,在11GHz 仍能使用,在振动条件下性能优良。
SMA螺纹连接器广泛应用于航空、雷达、微波通讯、数字通信等军用民用领域,其阻抗为50Ω,配用软电缆频率低于12.4GHz,半刚性电缆最高达 到26.5GHz。
SMB体积小于SMA,为插入式结构,便于快速连接,主要应用在数字通讯领域,是L9的换代产品,50Ω满足4GHz,75Ω用于2GHz。
SMC与SMB相仿,因有螺纹保证了更可靠的机械性能及更宽的频率范围,主要用于军事或高振动环境。
N型螺纹连接器用空气作绝缘材料,造价低,阻抗为50Ω及75Ω,频率可达11GHz,通常用于区域网络、媒体传播和测试仪器上。
电气性能、安装及电缆
(1)阻抗
连接器应与系统及电缆的阻抗匹配。应注意到不是所有连接器的接口都符合50Ω或75Ω的阻抗,阻抗不匹配会导致系统性能下降。
(2)电压
确保使用中不能超过连接器的最高耐压值。
(3)最高工作频率
每一种连接器接口都有个最高频率限制。有些商业用75Ω的设计有最低频率限制。除电气性能外,每种接口形式都有其独特之处。如:BNC为卡口连接,使用方便且价格低廉,在低性能电连接中得到广泛使用;SMA、TNC系列为螺纹连接,满足高振动环境对连接器的要求,SMB具有快速连接断开功能,因而越来越受到用户青睐。
(4)传输电缆
电视电缆因其屏蔽作用小通常用于只考虑阻抗的系统。
电视软电缆为电视电缆的变形,它有相对较为连续的阻抗及较好的屏蔽效果,能弯曲,价格低,广泛应用于电脑业,但不能用于屏蔽性能要求高的系统。
屏蔽软电缆消除了电感及电容,主要用在仪器和建筑上。
软性同轴电缆由于其特殊的性能而成为最普通的密闭传输电缆。同轴意味着信号和接地导体在同一轴上,外导体由细密的编织线构成,所以又称编织同轴电缆。此电缆对中心导体有良好的屏蔽效果,其屏蔽效果效率取决于编织线类型和编织层厚度。除有效弥补了编织电缆在高频时屏蔽效果不佳的缺点。频率很高时通常 都使用半刚性电缆。
(5)安装
连接器安装方法主要有两种:A. 焊接中心导体,旋接屏蔽层。 B 压接中心导体,压接屏蔽层。其他方法都由以上两种方法派生出来,如:焊接中心导体,压接屏蔽层。方法A用于没有特殊安装工具的场合;由于压接式安装方法工作效率高、端接性能可靠,且专用压接工具的设计确保生产出来的每一个电缆组件都是相同的,所以随着低造价安装工具的发展,焊接中心导体,压接屏蔽层将日益 受到欢迎。
端接形式
实践证明一定形式的连接和一定型号的电缆相匹配。一般外径细小的电缆与SMA、SMB等小型同轴连接相连。可参考电缆尺寸一览表来选择合适的连接器。
机械构造及镀覆层
连接器的结构将极大影响它的价格。每一种连接器的设计都包括军标和商业标准。军标MIL-C-39012制造,全铜零件、聚四氟乙烯绝 缘、内外镀金,性能可靠。商业标准的设计使用廉价材料如黄铜铸体、聚丙烯绝缘、银镀覆等。
连接器材料有黄铜、铍青铜和不锈钢。中心导体一般用金镀覆,因其低电阻,耐腐蚀且有优良的密闭性。军标要求在SMA、SMB上镀金,在N、TNC及BNC 外导体上采用银镀覆,但因银易氧化,许多用户更喜欢镀镍。
常用的连接器绝缘材料有聚四氟乙烯、聚丙烯及改性聚苯乙烯,其中聚四氟乙烯绝缘性能最好,但生产成本较高。 连接器的用材及结构影响着连接器的加工难度及加工效率,所以用户根据自己的应用环境,合理选择性能价格比好的连接器。
在进行射频连接器的选择时,为了使选择过程更有效率和针对性,电子元件技术网提供了一个连接器的选型替代工具,根据种类、尺寸、阻抗以及频率范围等参数进行连接器的选择流程指导。事实证明,按照如下的程序进行选择在一定程度上可以提升连接器选型的准确性。
针对不同的应用环境,连接器的选择侧重点有所不同。下面对几种常见应用如宇航、电源、新能源汽车连接器进行探讨。
宇航电连接器的选择
航天电连接器及其组件是航天系统工程重要的配套接口元件,相当于航天飞行器的血液循环和神经系统。散布在各个系统和部位,负责信号和能量的传输。
由电连接器互连组成各种电路,从高频到低频、从圆形到矩形、从通过上百安培的大电流连接器到通过微弱信号的高密度连接器、从普通印制板连接器到快速分离、脱落等特种连接器,几乎所有类型品种的连接器在航天系统工程中,都得到了大量应用。举世瞩目的神舟飞船仅推进舱和电源系统就使用了各类连接器500多套。其连接好不好,直接关系到整个系统的安全可靠运行。
空间实验室研制所需的宇航级电连接器,不同于一般战略、战术导弹或地面设备用航天电连接器。它必须经受真空、辐照、臭氧和温度交变等十分复杂严苛的空间环境。
为经受真空、辐照、原子氧和温度交变等十分复杂的空间环境,对宇航用电连接器设计材料选用提出的许多特殊要求。
为验证宇宙飞船、空间站上设计所选用的电连接器材料能否经受得往真空、辐照、臭氧等苛严特殊的环境条件,宇航级电连接器产品鉴定试验或周期试验时,必需进行一系列的材料高真空、臭氧暴露、抗辐照、水解稳定性、撞击、可燃性、气味和毒性等可靠性筛选试验。
宇航用电连接器的选材质量要求
1)满足零件功能要求
接触件选材应以性能为依据。必须保证插合后接触可靠。壳体材料首先要保证设计强度和刚度要求,同时还应满足成型工艺要求。绝缘体材料必须具有优良的电气性能和作为结构件所需的机械性能。对于起定位、锁紧和屏蔽等功能的卡爪、弹簧爪和卡环等关键弹性零件,则应选用具有可靠弹性性能的材料。
2)质量轻
质量是宇航系统工程对电连接器各种基本要求之一,选用高比强度、高比刚度材料,可节省燃料、增加有效载荷,减少发射宇航飞行器的成本。采用复合材料金属化壳体的电连接器比铝合金壳体的电连接器质量可大大减轻。 SAC复合材料圆形电连接器比同类铝合金壳体电连接器质量轻45%
3)耐环境
由于受真空、辐照、原子氧和温度冲击的影响,宇航用电连接器禁止使用锂、镁、汞、纯锡等材料及有放射性的材料;金属材料应是耐腐蚀的,或者应采用电镀或进行耐腐蚀处理。不相容金属在接触中使用,特别是黄铜、铜或钢与铝或铝合金接触,往往会引起活性电化学腐蚀,故是不允许的。但允许不相容基体金属进行涂覆以提供相容的或合适的邻接表面。不相容金属之间合适的绝缘材料隔开使用也是允许的。
禁止使用真空下有害气体释放的非金属材料,一般均不选用PVC塑料;考虑辐射对非金属材料的损害,连接器的各个非金属零件应选用经试验考核通过的辐射绝缘材料;真空环境中质量损失小,有足够的强度,环境适应性,耐热性、耐腐蚀性和耐霉菌应符合要求。考虑到航天飞行器的安全,连接器应选用无毒和阻燃的,或燃烧时能迅速自熄,且很少产生烟雾材料。
4)满足特殊要求
宇航用电连接器除要求重量轻、体积小、长寿命、高可靠外,必须保证连接器长期贮存后在冲击、振动、温度交变、真空排气、辐射、氧化、等离子气体等复杂特殊的航天环境中仍能可靠使用。
对航天器非金属材料空间出气污染性能判断和相应的材料筛选。一般要求被测材料在空间真空环境下的总质量损失(TML)平均值不大于1%,收集到的可凝挥发物平均值不大于0.1%。超出上述规定的材料不得用于航天器。用于飞船生命保障系统的连接器应阻燃无毒,无异味。
5)高寿命
航天电连接器的长寿命是指在规定工作环境下,在额定值范围内,其使用寿命达到较长的年限。如按航天电子元器件贮存 和超期复验规定;在中等环境温湿度控制的库房内,连接器可贮存8年。在使用中,经安装、调试、试验后随卫星上天完成运行寿命的过程约需10年以上,故必须考虑长期贮存后的电连接器在运载火箭飞行段 的动力学环境与空间辐射环境中工作的可靠性。
6)良好的工艺成型性能
在满足设计预定的零件功能要求之同时,必须考虑材料的工艺性能,应尽可能选用适合于成熟生产工艺、效率高和相对成本低的材料。
例如宇航用电连接器标准规定;压接接触件的绝缘安装板中的接触件固定卡爪应能保持在硬质绝缘安装板中,应能固定接触件并符合标准规定 的接触件固定性要求。目前一种与绝缘安装板材料一体化的卡爪精密注塑新工艺,正在逐步替代原卡爪采用铍青铜带冲压成型再嵌入硬质绝缘安装板中的老工艺。
宇航电连接器的选择也可以和电子元件技术网的连接器选型替代工具结合起来进行,根据种类等具体参数查找。
电源连接器的选择
系统设计日趋小型化,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。
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。
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、2mmHM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。
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。
电子元件技术网提供的电源连接器选型替代工具,按照连接器的Pitch、标准、应用、额定电流安装方式等,同样也可以方便电源连接器的选择。
新能源汽车连接器的选择
新能源汽车由于存在高压系统,对连接器的要求也与传统汽车“求同存异”。要求绿色,安全、连通性、耐久性、可靠性、紧凑性和减轻重量。
由于新能源汽车是“绿色”的汽车,因而连接器也要求绿色环保。其中,最首要的就是安全问题,因为工作电压的范围为400V~600V,工作电流的范围达到50A~300A甚至更高。考虑到操作工在汽车的整个生命周期中会不可避免地接触发动机舱,高标准的防触电保护需求是显而易见的。此外,在如此高的功率下,电磁干扰是另一个重要问题。还有,在连接器插拔操作中会产生电弧,这会严重危害到电气连接和电子设备,并且可能引起汽车燃烧。这些都需要连接器的特殊设计与开发。
随着大容量锂电池的出现,在一些案例中引发了危险的失效模式。这也将引火风险提到了议事日程的首页。此外,需要考虑如何降低电池的重量和成本:一方面,增加电动汽车的续航里程和电池的容量意味着每个元件的重量都要减轻;另一方面,由于新一代电动汽车牢牢地定位于大众市场,经济性同样扮演着极为重要的角色。而仅电池成本就可能高达数千欧元,因此,降低汽车内其他配置成本的压力就更大了。
新能源汽车连接器要达到其高性能要求主要靠严格的设计规范,比如在暴露的情况下要防止高压把空气击穿,这需要保留一定的空气间隙;在高电压大电流的情况下,其温度升高不能超过额定值;在选择外壳材料时要考虑重量、强度和是否易于加工,而且在不同温度下连接器端子的材料性能如何保持稳定性、如何保证必要的导电率等都需要考量。
在连通性方面,由于汽车娱乐系统的不断扩充,高速数据传输功能的重要性日益突出。比如在有些车型上,倒车反光镜上安装了摄影头,可使驾驶员拥有更广阔的视野,这就需要连接器传输更多的数据。有时还需要一个连接器同时解决传输GPS信号和广播信号的问题,这就需要提升其数据传输能力。同时,连接器还需要承受高温,因为汽车引擎通常放置在汽车前方,尽管有防火墙进行防护,但还会有一些热量会传导过来,因此连接器要能够承受高温。
另外对汽车连接器的“苛刻”要求还体现在其寿命上。一般的连接器当中有弹性元件,在插拔一定次数之后就会失去功效,因而寿命一般在3-5年左右,而一辆汽车可以使用10年-20年,因此汽车连接器寿命必须要和汽车寿命等同,对连接器的要求是相当高的。
在进行新能源汽车连接器的选择时,也可以参考运用到连接器的选型替代工具中的Pitch、额定电流等具体参数进行查找。