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在電信和商業(yè)行業(yè)迅速發(fā)展的MicroTCA架構可能成為電信產(chǎn)業(yè)的電子設計的轉折點(diǎn)。以前，許多電信設計都是高度定制的，并且受所有權的保護。相比之下，MicroTCA中的互連應用是標準化的，這可能是類(lèi)似于計算機產(chǎn)業(yè)中普及的開(kāi)放式架構興起的一個(gè)信號。 雖然標準化連接器設計可能看起來(lái)很基礎，但是從MicroTCA功率連接器提案中獲得的經(jīng)驗與電源和其它行業(yè)以及商業(yè)電力電子系統的設計工程師相關(guān)。MicroTCA連接器要求高功率密度、熱插拔能力、高可靠性和低成本。在通過(guò)接觸件和機架設計滿(mǎn)足這些要求時(shí)所采取的設計過(guò)程為如何實(shí)現其它應用中的連接器設計提供了模板。 MicroTCA的發(fā)源歷程 PICMG組織最初開(kāi)發(fā)了MicroTCA標準以滿(mǎn)足電信產(chǎn)業(yè)的要求。但是，在發(fā)展過(guò)程中，這個(gè)標準受到軍事、航空、工業(yè)、工藝控制和媒體產(chǎn)業(yè)的關(guān)注。這個(gè)標準的引人之處在于它能夠在使用最新處理器、高速芯片和接口的同時(shí)最大限度地縮小空間和降低功耗，以提供高可用性和可維護性。由于這是一個(gè)工業(yè)標準，因此客戶(hù)能夠利用現成的解決方案以較低的成本和較短的上市時(shí)間構建他們的價(jià)值主張。 MicroTCA功率互連應用基本上是以電源模塊和背板配置開(kāi)始的，最后加入Advanced Mezzanine Card (AdvancedMC)以及如今被設計到市場(chǎng)中的背板排列。這個(gè)方法是較大的先進(jìn)電信計算架構(ATCA)的一個(gè)分支。 這種應用或多或少被列為板到板連接器功率應用。最終的設計是一個(gè)兩片的板到板功率連接器，這種連接器旨在滿(mǎn)足電信、航空、醫學(xué)等領(lǐng)域的高可靠性要求。新連接器的一些特定要求包括特有的成本和經(jīng)濟問(wèn)題，但是互連還必須滿(mǎn)足63.5mm內24個(gè)具備熱插拔能力的12A功率接觸件和72個(gè)信號接觸件的密度要求。 MicroTCA標準提議采用針對ATCA子卡的現行標準AdvancedMC作為其自己的緊湊型背板和機架上的主要刀片(或板)(圖1)。該標準需要開(kāi)發(fā)電源輸入模塊(電源)來(lái)向背板提供電源，并附帶必要的控制線(xiàn)路從而在刀片和電源之間傳遞狀態(tài)信息。標準組織針對能夠滿(mǎn)足功率和接觸件密度的集成功率和信號連接器對業(yè)內進(jìn)行了調查，并確定不存在解決方案。 在為背板提供更多功率的傳統應用中，增加了功率連接器的長(cháng)度以增加更多接觸件。圖2是傳統功率和信號連接器(前景)與MicroTCA PCB板(約74mm)的對比圖。很明顯，這種連接器不適合該應用。 圖2中的功率連接器顯示了提供所需的MicroTCA功率接觸件必需的尺寸，但是它僅有24個(gè)信號接觸件，而MicroTCA需要72個(gè)信號接觸件。這表明，傳統連接器不具備滿(mǎn)足MicroTCA的尺寸和功率/信號密度要求的能力。 在MicroTCA應用中，功率/信號連接器的長(cháng)度必須在63.5mm左右，以適合這種空間。MicroTC最初的功率密度要求是具備1000W以上的能力，在不同的電壓和電流水平下提供32個(gè)離散功率輸出，同時(shí)附帶上文提到的控制/狀態(tài)線(xiàn)路。這種連接器的額外要求是高可靠性(電信領(lǐng)域的必備條件)、熱插拔和低成本。 由于要求未完全連貫以及現有功率互連的最初評估，行業(yè)組織決定有必要開(kāi)發(fā)新的功率互連設計。在制定設計目標時(shí)，確定了新的連接器應具備以下要求：
連接器概述 MicroTCA中采用的功率連接器是一個(gè)雙片連接器，旨在使MicroTCA電源子卡(直角連接器)與背板(垂直連接器)互連(圖3)。這個(gè)連接器整合了24個(gè)功率接觸件，分兩行排列的每個(gè)接觸件都能夠處理14.5A的電流。有72個(gè)信號引腳用于低電流電源以及功率模塊和線(xiàn)卡之間的狀態(tài)通信。此外，連接器機架還集成了對齊功能以確保功率或信號接觸件接合之前保持適當的排列。 功率、信號和對齊桿功能的完全集成解決方案已經(jīng)被構建在單片機架中，直角插頭僅占據60×19mm2左右的PCB空間，垂直插座僅占據61.1×27.2mm2的PCB空間。額外要求是提供四個(gè)連接器順序對接級別。 沖壓和成形的功率接觸件基于整個(gè)電信產(chǎn)業(yè)采用的工業(yè)可識別通用功率模塊(UPM)接觸件。采用這種刀片和插座設計，接觸件對接點(diǎn)可以得到很好地限定和控制。連接器具備14.5A以上的極高電流密度以及30°C的溫升(參見(jiàn)圖4和表)。它還通過(guò)采用多個(gè)順暢的尾部使每個(gè)接觸件通過(guò)PCB的電流高達14.5A(因此通過(guò)孔的電流不到4A)，從而具備流暢的電流分布。 為了滿(mǎn)足高壓對接和拔出要求，接觸件設計采用延長(cháng)的末端刀片設計。因此在高壓對接和拔出周期，電子接觸件第一個(gè)點(diǎn)處產(chǎn)生的電弧被聚集到刀片末端的一側。一旦接觸件進(jìn)一步接合，另外的對接點(diǎn)就會(huì )接合，并且不產(chǎn)生任何電弧，這是因為最初的接觸件已經(jīng)確定。鍍金接觸件表面磨光的多點(diǎn)接觸件可以實(shí)現較少的磨損，并維持接觸件接口的性能特征。 采用延長(cháng)的末端刀片設計，接觸件最多可進(jìn)行250次對接。沖壓和成形的接觸件的特性使得很容易通過(guò)兩種不同的接觸件對接長(cháng)度加入兩種級別的順序對接。 采用MicroTCA設計時(shí)，決定是采用沖壓和成形的接觸件還是采用圓頭螺絲機械控制的接觸件取決于幾個(gè)因素，包括較高性能、較高可靠性、較小的變化以及較低的零件成本。沖壓和成形包含逐步?jīng)_壓銅合金材料的扁平帶的過(guò)程。然后通過(guò)電鍍和拋光步驟在連續鋼帶上對接觸件進(jìn)行加工，直到它們被插入到模制連接器機架中。 這種批量工藝相當一致并且可重復，從而獲得了高度的一致性。在高功率應用中，與相同橫截面積的圓形導線(xiàn)相比，扁平導線(xiàn)在相同的溫升下將提供更多電流。 在1970年1月9日的報告“NASA TM X-53975 扁平導線(xiàn)設計、制造和安裝中的3.2 FCC應用”報告中顯示，滿(mǎn)負荷扁平導線(xiàn)可比相同橫截面積的圓形導線(xiàn)負載高155%的電流。在精密成形的電子接觸件中，盡管扁平導線(xiàn)的成本比圓形導線(xiàn)高，但是如今扁平?jīng)_壓和成形接觸件的生產(chǎn)工藝比實(shí)心圓形接觸件更簡(jiǎn)單，因此能以較低成本提供更高的電流處理能力。 由于沖壓和成形導線(xiàn)是采用連續鋼帶控制的，因此與電鍍不牢固的螺絲機械控制零件相比，以更精密控制的電鍍厚度電鍍接觸件的特定部分更容易，從而可獲得更高的可靠性。這種連接器上的功率和信號接觸件采用30微英寸鍍金，以確�？量汰h(huán)境下的長(cháng)期可靠性。 連續鋼帶工藝還允許按照Bellcore/Telcordia規范的要求增加額外表面區域處理。選擇沖壓和成形接觸件設計的最終原因在于在一定的批量生產(chǎn)情況下，其成本低于螺絲機械接觸件。 連接器中要求的72個(gè)信號接觸件采用Z-PACK 2mm HM接觸件接口，這種針對IEC 6176-4-101標準而設計的接口被用于整個(gè)電信行業(yè)， 每個(gè)接觸件的額定電流為0.625A。信號引腳中的高可靠性是通過(guò)采用信號接觸的多個(gè)接觸點(diǎn)設計以及30微英寸鍍金來(lái)實(shí)現的。在信號接觸件中另外加入了兩個(gè)順序對接級別，從而滿(mǎn)足客戶(hù)四個(gè)順序對接級別的要求。 獲得的經(jīng)驗 這個(gè)MicroTCA連接器的設計工藝代表著(zhù)電力行業(yè)內發(fā)生的一系列變化。電力系統的實(shí)現正在經(jīng)歷巨大的變化，其方式與基于標準的電信架構的發(fā)展變化方式相同。電源從數字電路遷移到從前的模塊領(lǐng)域已經(jīng)驅動(dòng)著(zhù)電力行業(yè)向更低成本和更小物理尺寸的方向發(fā)展。功率連接器也必須順應這一趨勢。因此尋求實(shí)現連接器的新密度水平和集成度，同時(shí)仍保持成本最優(yōu)化的方法至關(guān)重要。 為了實(shí)現MicroTCA連接器的總密度，在單個(gè)機架中集成功率、信號和對齊功能是有必要的。過(guò)去，這一目標是通過(guò)將獨立導梢和對齊硬件單獨安裝到印制電路板以及個(gè)別功率連接器和個(gè)別信號連接器上實(shí)現的。 為了針對這種新的集成度進(jìn)行設計，需要進(jìn)行仔細的分析以最大限度地縮小機架設計以在獲得較薄外壁和部件的同時(shí)，仍然保留集成的機械對齊桿和插座所需的魯棒功能。 需要采用PROEngineer和Moldflow進(jìn)行詳細建模，以?xún)?yōu)化機架的所有方面和澆鑄這些不同部件所需的備選整形，同時(shí)仍然保留允許接觸件實(shí)現散熱和速度功能的功能并滿(mǎn)足成本目標。 實(shí)現接觸件密度的MicroTCA連接器的關(guān)鍵設計因素之一是增加第二行功率接觸件。此設計決策需要采用散熱模型，從而將每行的接觸件的溫升因素考慮在內(圖5)。Tyco Electronics公司同時(shí)采用專(zhuān)有和商用的有限元分析(FEA)建模軟件(如ANSYS)來(lái)評估散熱性能。FEA數據可以用作指導。采用模仿目標應用的測試板設計的實(shí)際測試結果需要根據特定環(huán)境條件(印制電路板設計和含銅量、環(huán)境溫度和氣流)來(lái)驗證溫升。這就會(huì )帶來(lái)與材料選擇相關(guān)的設計考慮因素。你可能會(huì )考慮采用較高傳導率的金屬來(lái)減少Trise，這取決于散熱模型的結果和預計的溫升情況。然而這會(huì )帶來(lái)一定的折衷，大多數較高傳導率的金屬都會(huì )增加連接器設計的成本。 與印制電路板的接口是更深一層地從總接觸件密度方面考慮的問(wèn)題。建模被再次用來(lái)確定接觸件密度水平，這種密度水平將仍然允許電路板走線(xiàn)布線(xiàn)，而不需要增加印制電路板層數。在這種情況下，采用Autocad或Mentor Graphics等印制電路板建模工具來(lái)對印制電路板進(jìn)行布線(xiàn)，并確定需要什么樣的走線(xiàn)和層密度。 僅在A(yíng)TCA功率連接器之后幾年開(kāi)發(fā)的功率連接器表明，采用MicroTCA連接器所用的相同設計技術(shù)可以實(shí)現更高的功率密度水平(圖6)。 在以前容納8個(gè)16A ATCA功率接觸件的相同空間中，我們現在已經(jīng)集成了16個(gè)14.5A接觸件，密度增加了81%左右。這體現了沖壓和成形直角接觸件、小心地間隔接觸件和外壁厚度，以及功率密度覆蓋區的優(yōu)化的影響。隨著(zhù)這些趨勢的不斷延伸，通過(guò)分析新材料來(lái)實(shí)現更薄外壁、更高傳導率以及采用下一代EDA設計工具的趨勢將在功率連接器行業(yè)延續。 在MicroTCA連接器的開(kāi)發(fā)過(guò)程中獲得的經(jīng)驗可以應用到電力行業(yè)的所有應用中。在給定客戶(hù)在量(市場(chǎng)大小)方面的要求的情況下，你必須考慮集成功能、制造技術(shù)、總接觸件密度和環(huán)境要求的選擇。有許多工具可供連接器設計工程師使用從而以平衡的方式整合這些要求，以便以經(jīng)濟的方式實(shí)現總目標。 隨著(zhù)功率應用的發(fā)展，這些趨勢將延續。在功率連接器設計過(guò)程中整合這些設計工具、折衷因素和材料選擇將變得越來(lái)越重要。這基本上是“規模適化連接器”的過(guò)程，以順應電源和分布系統設計的趨勢。以前往往默許(甚至希望得到)額外的設計裕量，而現在，功率連接器設計工程師力求優(yōu)化設計以滿(mǎn)足客戶(hù)的要求同時(shí)繼續堅定追求可靠性是非常關(guān)鍵的。 |
