Передовые методики проектирования и технологии для разработки промежуточных плат питания

15 Июл 2017

(Опубликовано в журнале «Вестник Электроники», №1 2014)
Скачать статью в формате PDF (2,56 МБ)

---

Потребность в увеличении мощности вычислительной техники в целом ряде отраслей, включая потребительские товары и приборы, устройства передачи данных, коммуникационные устройства, медицинское и диагностическое оборудование, серверы и другие сетевые системы, помимо задач короткого цикла проектирования изделия и компактного дизайна, привела к необходимости применения новых методик и инновационных подходов проектирования решений для промежуточных плат.

 

 

Ключевые соображения в оценке силовой нагрузки для промежуточных плат

Как известно, для работы прибору (изделию) необходимо подать питание и распределить его по отдельным блокам (часто в разной пропорции) через систему распределительных разъемов по всему устройству. Силовые разъемы для распределения питания обычно имеют номинальные значения тока в 50 А и выше, в то время как распределительные разъемы питания для промежуточных плат обычно могут находиться в диапазоне от 1–2 А до 20 А максимум.

 

Есть несколько факторов, которые инженер-конструктор должен оценить на ранних стадиях определения силовой нагрузки для промежуточных плат. Помимо четкого понимания применения, существует ряд необходимых вопросов, на которые нужно получить ответ при выборе силового разъема промежуточной платы:

• какая сила тока требуется на контакт?
• какие требования к напряжению?
• каково доступное пространство на плате и ее конфигурация?
• сколько доступного пространства в корпусе устройства?
• есть ли ограничения по высоте?
• какая конфигурация требуется (провод-провод, провод-плата или плата-плата)?
• требуется ли возможность монтажа вслепую?
• какие опции или характеристики могут улучшить конструкцию или функциональность?
• какой способ монтажа предпочтителен (поверхностный, в отверстия или запрессовка)?

Среди конструкционных соображений первоочередными являются требования к амперной нагрузке, индивидуальной для определенного применения. Требования к амперной нагрузке для силовых разъемов промежуточных плат могут очень широко варьироваться в зависимости от применения.

Например, монитору компьютера может понадобиться только 5 А внутри устройства по сравнению с подачей питания, которая может составить пару сотен ампер. Помимо параметров применения и потребностей в питании, доступное пространство – еще одно важное соображение при выборе правильного разъема промежуточной платы.

 

Стратегия нахождения баланса между экономией пространства и доступной токовой нагрузкой

Во всех отраслях растет спрос на компактные и низкопрофильные высокоэффективные разъемы питания для промежуточных плат. Системные конструкторы и инженеры-электрики всегда хотят получить больше мощности в одном и том же пространстве, тем самым бросая вызов производителям коннекторов. В отличие от сигнальных разъемов, которые продолжают становиться все меньше при более высоких скоростях передачи, разъемам питания промежуточных плат требуется определенное количество проводящего материала, для того чтобы выдерживать определенные параметры тока и напряжения. По мере роста потребности в силе тока для осуществления питания также растут и потребности в пространстве для размещения разъемов с более высокой токовой нагрузкой.

Во всех отраслях растет спрос на компактные и низкопрофильные высокоэффективные разъемы питания для промежуточных плат. Системные конструкторы и инженеры-электрики всегда хотят получить больше мощности в одном и том же пространстве, тем самым бросая вызов производителям коннекторов.

Производители разъемов продолжают разрабатывать новые конструкции, которые используют материалы с большей проводимостью, что позволяет оптимизировать использование пространства и увеличить величину тока питания с сохранением электрических характеристик без выхода за рамки пространственных требований. Для того чтобы сбалансировать занимаемое пространство и ток питания, необходимо определить, сколько пространства требуется для силового разъема промежуточной платы по сравнению с тем, сколько пространства было выделено в конструкции устройства. Вдобавок к экономии пространства, которая является главным приоритетом, высота, ширина и длина разъема, а также содержание меди в нем – все эти факторы влияют на достижимую плотность тока.

Следуя стратегии сохранения пространства и экономии энергии, инженеру требуется тщательно оценить задачу и провести стратегическое разделение питания: необходимо оценить, какой ток требуется в разъеме. Вдобавок к определению общей потребности системы в питании и ее отдельных приложений в оценке силовой нагрузки необходимо рассмотреть количество контактов, на которое будет разбито питание. Например, для тока в системе в 30 А требуется шесть контактов, то есть разбивка общего питания на контакты до 5 А через конструкцию контакта ножевого типа. Выбор однорядного или двухрядного разъема обычно сводится к оценке доступного пространства и размеру корпуса разъема. Сопоставление этих величин помогает определить, какое размещение доступно: вертикальное или горизонтальное, что и продиктует, какой разъем станет подходящим: однорядный или двухрядный. Низкопрофильный разъем может быть более предпочтительным для того, чтобы максимально увеличить охлаждение. В других случаях более высокий разъем с высокими пропускными показателями может стать правильным выбором для того, чтобы сэкономить место. В некоторых конструкционных конфигурациях рекомендуется поместить дополнительную защелку, что позволит повысить надежность соединения. Поскольку площадь корпуса устройств, выделенная под размещение разъемов, уменьшается, разработчики переходят от разъемов с шагом контактов 6 мм к разъемам с шагом 4,2 мм и меньше для подачи питания на промежуточную плату.

 

Стратегии проектирования для нахождения баланса между экономией энергии и терморегулированием

Точность в размерах силовых разъемов трансформируется в оптимальное энергопотребление. Однако подход к выбору размеров разъемов должен быть взвешенным, с соблюдением параметров безопасности и сбалансированного энергопотребления. Для того чтобы правильно выбрать разъем для конкретного приложения, должно быть понимание конструкционных соотношений между силовым разъемом промежуточной платы, печатной платой и окружающей средой.

Вопросы терморегулирования могут возникать из-за контактов или переходного сопротивления, а также недостаточного воздушного потока. Медные части печатной платы – еще один элемент, который необходимо рассмотреть. Слишком малое количество меди в них может ограничить прохождение тока, что приводит к увеличению переходного сопротивления. Надлежащее количество меди снижает общее сопротивление, что приводит к снижению температуры и меньшим потерям тока.

Поскольку новые системы «упаковываются» во все меньшие корпуса с большим числом компонентов, крайне важно обеспечить надлежащий контроль за воздушным потоком вокруг разъемов, которые размещаются в «тесных» местах (например, между источником питания и сервером) и могут потенциально блокировать свободное прохождение воздушного потока. Хотя охлаждение разъемов не всегда стоит в приоритете у конструкторов, рассматривающих воздушные потоки, разъемы, находящиеся в ключевых точках, могут преграждать или блокировать воздушный поток. Полноценный воздушный поток вокруг разъема помогает его охладить, что дает больше тока и повышает безопасность.

 

Соблюдайте номинальные значения тока коннектора промежуточной платы, а не снижайте их

В процессе пропорционального уменьшения конечного изделия и его компонентов инженеры-конструкторы по-прежнему должны соблюдать законы физики. Разъемы питания промежуточной платы с неверными номинальными значениями токов могут вызвать электромагнитные помехи, которые повлияют на передачу сигналов в устройстве, а также создать серьезные проблемы для безопасности. Применение большей амперной нагрузки на контакт, чем та, которая является номинальной, может привести к перегреву или даже к возгоранию.

Разъемы промежуточных плат и другие силовые компоненты должны работать в рамках пороговых значений. Разъем рассчитан на номинальную силу тока и напряжения для поддержания стабильности его работы во времени, с достаточным числом контактных точек для сведения к минимуму потерь питания. В то время как сопротивление в сигнальных контактах может быть приемлемым при уровнях в 10 мОм, требования для силовых контактов обычно более строгие. Обычно максимальное падение напряжения 30 мВ определяет порог термостабильности для силового контакта. При его пересечении вероятность термической нестабильности резко увеличивается.

Номинальные значения для разъема промежуточной платы традиционно основываются на его специфических электрических характеристиках, измеренных при тестировании.

В последних разработках разъемов питания для промежуточных плат применены новые сплавы и электролитические покрытия, усовершенствованы технологии производства контактов – все это сделано для того, чтобы увеличить плотность тока, не принося в жертву безопасность и надежность.

Общая практика изготовителей устройств состоит в том, чтобы автоматически снизить номинальные значения тока силовых разъемов для того, чтобы обеспечить большую термобезопасность, чем при номинальных значениях, указанных в техническом описании. Многие конструкторы используют простой подход тестирования нескольких разъемов с количеством контактов, различающимся на один, а затем строят график «повышение температуры в зависимости от тока», на котором показана наименьшая допустимая токовая нагрузка по мере увеличения количества контактов. Некоторые конструкторы используют другой метод и пользуются условным процентом, то есть если поставщик разъема поставил продукт с номинальным показателем 100 А, конструктор автоматически снижает допустимое значение на 30 процентов для обеспечения безопасности и отсутствия перегрева.

 

В идеале конструктор должен рассмотреть всю систему и ее силовую архитектуру для того, чтобы установить уровни падения напряжения, которые влияют на термические и электрические эксплуатационные показатели. Итак, лучший подход для обеспечения оптимальной эксплуатационной безопасности – это следовать норме, а не снижать номинальные значения. На повышение температуры разъема также влияет выбор материала и содержание меди. Легкая медь в печатной плате может вызвать скопление тепла, а использование более тяжелой меди позволит обеспечить лучшее прохождение тока из-за меньшего сопротивления. В некоторых случаях конструктор может захотеть вставить радиатор между разъемом и печатной платой.

 

Характеристики и опции разъемов для промежуточной платы

В последних разработках разъемов питания для промежуточных плат применены новые сплавы и электролитические покрытия, усовершенствованы технологии производства контактов – все это сделано для того, чтобы увеличить плотность тока, не принося в жертву безопасность и надежность.

Устройства, перед которыми ставятся особо сложные задачи, например эксплуатации при сильной вибрации, могут потребовать и применения особых разъемов питания. Наилучшим решением может стать в этом случае серия разъемов Molex Sabre™ (рис. 3), идеально отвечающих требованиям вибростойких приложений с большим током, для которых требуется конструкционная гибкость: конфигурации провод — провод и провод — плата в обычной и угловой ориентации. В ассортименте Sabre используются приспособления TPA (гарантия конечного положения), которые обеспечивают фиксацию контактов в их корпусах для того, чтобы предотвратить разъединение контактов из-за вибрации. Силовые разъемы Sabre промежуточной платы обеспечивают номинальный ток в 18,0 А на контакт при 600 В и доступны в вариантах исполнения для обжимки контактов на провода разного сечения и с разной толщиной изоляции.

Часто возникает потребность слегка изменить стандартные разъемы питания для промежуточных плат. Когда инженеру требуется подобрать разъем с индивидуальными характеристиками, в портфеле предложений разъемов Molex для промежуточных плат MiniFit® и MicroFit® есть целый ассортимент опций. MiniFit (рис. 4) рассчитан на 13 А на контакт, а MicroFit (рис. 5) — на 5 А на контакт, что делает их теоретически пригодными для всех приложений, за исключением мобильных устройств.

MiniFit и MicroFit производятся в конфигурациях провод-провод, провод-плата и плата-плата, обладают рабочим диапазоном температур от –40 до +105 °C, имеют полностью изолированные контакты, защелку на корпусе, низкое усилие сочленения и корпуса с системой «ключа». Доступны в однорядном и двухрядном варианте, от 2 до 24 контактов.

Признавая, что каждое изделие по-своему уникально, важно выявить, какие опции разъема желательны. Например, однорядные опции могут отвечать требованиям по минимальной высоте. Силовые разъемы Molex для промежуточной платы могут иметь поляризацию для того, чтобы избежать неправильной стыковки. Независимо от того, существует ли вероятность вибрации, принудительное защелкивание требует принудительной деблокировки для предотвращения нежелательного разъединения. Например, система принудительной блокировки разъемов MiniFit требует нажатия большим пальцем для защелкивания и деблокировки, что не допускает случайного отключения от источника питания.

 

---

Комментарий специалиста

Иван Некрасов, технический специалист PT Electronics, ivan.nekrasov@ptelectronics.ru

Разъемы питания являются ключевыми элементами любого устройства, от них зависит вопрос обеспечения его стабильного функционирования. Силовые разъемы Molex полностью отвечают всем требованиям рынка по надежности, эффективности и компактности, а также допускают возможность подстройки характеристик и опций разъема под конкретные требования заказчика. Все это вкупе делает разъемы питания от компании Molex решениями, снискавшими себе заслуженную популярность во многих отраслях применений.