如何为大电流、低压电源设计最佳连接器?

大功率电子负载的设计挑战已超出电子产品的范围。不能跟被测设备进行良好连接，最好的电子负载电路将无法正常工作。连接应易于建立和断开，具有极低的电阻，并最大程度地减小电流的物理路径长度。而且保持高电流路径的面积短而小，也可以减少对负载电流压摆率性能有害的寄生电感。

什么是最好的连接器?

通孔连接器之所以具有优势，是因为它们可以连接到负载和电源PCB中的所有铜层。每个触点的通孔引脚越多越好，因为电流可以在更多点进入和离开PCB，从而降低了电阻。此外，通孔连接在物理上非常坚固，这对于将通过数百个连接周期使用的负载设备非常重要。

压配连接器可以消除PCB通孔和连接器引脚之间的焊点，从而进一步降低电阻。与铜相比，焊料是一种相对较差的导体，其体积电阻率大约高八倍。压配连接在引脚和PCB铜之间形成直接电连接。

Samtec UPS和UPT系列连接器是一个很好的选择。它们能够以较小的尺寸处理非常大的电流。该系列的连接器具有垂直和水平方向，引脚数范围从2到8。8引脚版本的示例如图1所示。

图1.Samtec UPT和UPS 8针连接器。

每个配对的触点对的电阻约为300 µl。电流为100A的8针连接器(负载100 A，电源接地100 A)，其有效热阻约为200°C / W，典型的接触温度高于环境温度约40°C，无气流。由于UPS和UPT直角连接器采用开放式流通设计，因此电子负载风扇的废气流也会冷却该连接器，这是一个附带好处。

如图2中的示例所示，交叉插入电源和接地连接对于减小连接中的磁环面积非常重要。这又使寄生电感最小。

图2.交错的电源和接地连接有助于最小化电感。

对于较小的负载设备，另一个好的选择是可以接受裸露的“卡边缘”的连接器。该连接器可以放置在负载或被测设备上，而对接设备的顶部和底部一侧的裸露铜构成。图3中的Samtec HSEC8-130-01-S-DV-A-WT-TR连接器是卡式边缘插槽的一个很好的示例;它容纳的宽度为0.062英寸，PCB的宽度为0.994英寸。

图3.这是Samtec卡式边缘插槽，部件号HSEC8-130-01-S-DV-A-WT-TR。

无论选择哪种连接器，协调设计工作都是很重要的，因此要测试的电源和电子负载都必须使用相配的连接器来构建，并要小心放置以避免机械障碍物阻止连接。

何时使用散热器

只要将工作占空比保持在非常低的水平，就可以设计一个仅用于测试瞬态响应的电子负载而无需散热片。但是，用于测试电源效率的电子负载几乎肯定需要散热片。

带有冷却风扇的铝散热器可以大大降低功率组件的有效热阻，从而使设计的功率处理能力比没有气流的PCB高十倍。带有鳍片的水槽在自然对流方面表现良好，但与风扇组合使用时，“针鳍式”水槽通常效果更好。

针翅式散热器很容易获得各种尺寸和配置。大多数接收器将具有平坦的配合表面，但是可以很容易地对其进行定制以更紧密地适合MOSFET和检测电阻器。例如，Front Panel Express LLC提供了一个简单的免费CAD工具，可用于定义要加工成铝板的凹口，从而在散热器配合表面和要冷却的组件之间提供精确的间隙。

图4给出了一个示例，其中对40mm BGA标准散热器的配合面进行了机械加工，以清除四个MOSFET和检测电阻对。此外，在水槽上钻有安装螺丝孔，以方便将其连接到PCB和风扇。

图4.经过优化的40毫米的散热器配合表面，适合MOSFET，并用于感测电阻器放置。

散热接口选项

为了在功率组件和散热器之间获得最佳的热连接，需要一些热界面材料。市面上存在很多选择，从粘贴到柔性板。导热系数是所选材料的特性，并且热阻随厚度变化。因此，无论界面材料的类型如何，都应使部件和散热器之间的界面材料层的厚度最小。

我们要选择一种材料，该材料应在易处理性和返工之间取得良好的折衷，并具有高导热性。同样，选择一种具有物理一致性特征的材料，该材料将允许其形成或流入薄片，而不会在PCB和组件上施加较大的力。

导热系数k通常以W/mK为单位给出，值越高越好。热阻与界面的厚度成正比，与配合表面的面积成反比。

Θ= L /(k x A)

例如，考虑一个Laird Technologies的Tcpm 580相变界面材料的10 mil层，该材料位于5×6 mm MOSFET外壳和散热器之间。界面材料的导热系数为3.8 W/mK，因此热阻如下：

面积：A = 5毫米×6毫米= 30mm2= 0.00003㎡

厚度：L = 0.010英寸×0.0254 m /英寸 = 0.000254 m

1K = 1°C

ΘCS=(0.000254 m)/3.8 W/mK×0.00003 m2)= 2.22°C / W

现在，我们考虑一个PSMN2R0-30YLE功率MOSFET，它在0.675 V的电压降下可承受25A的负载电流，耗散16.875 W(图5)。

图5.该图显示了MOSFET和感测电阻功率与负载电流之间的关系。

我们预计，结温将根据以下指标上升到高于散热器温度的水平：

TJ =功率×(ΘJC ΘCS)

TJ =(25A x 0.675V)×(0.45°C / W 2.22°C / W)

TJ = 16.875W×2.67°C / W = 45.1°C

因此，为使结温保持在最高温度175°C以下，散热器的配合面不得超过129.9°C。

对感测电阻器也进行了类似的分析，不同之处在于结到外壳的热阻通常没有等效参数。在大多数大功率检测电阻器结构中，电阻元件和外壳基本相同，因此仅需要外壳到散热器的热阻。