MicroTCA功率互連設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)之談

在電信和商業(yè)行業(yè)迅速發(fā)展的MicroTCA架構(gòu)可能成為電信產(chǎn)業(yè)的電子設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。以前，許多電信設(shè)計(jì)都是高度定制的，并且受所有權(quán)的保護(hù)。相比之下，MicroTCA中的互連應(yīng)用是標(biāo)準(zhǔn)化的，這可能是類似于計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)中普及的開放式架構(gòu)興起的一個(gè)信號(hào)。

雖然標(biāo)準(zhǔn)化連接器設(shè)計(jì)可能看起來很基礎(chǔ)，但是從MicroTCA功率連接器提案中獲得的經(jīng)驗(yàn)與電源和其它行業(yè)以及商業(yè)電力電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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。在通過接觸件和機(jī)架設(shè)計(jì)滿足這些要求時(shí)所采取的設(shè)計(jì)過程為如何實(shí)現(xiàn)其它應(yīng)用中的連接器設(shè)計(jì)提供了模板。

MicroTCA的發(fā)源歷程

PICMG組織最初開發(fā)了MicroTCA標(biāo)準(zhǔn)以滿足電信產(chǎn)業(yè)的要求。但是，在發(fā)展過程中，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(hù)性。由于這是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此客戶能夠利用現(xiàn)成的解決方案以較低的成本和較短的上市時(shí)間構(gòu)建他們的價(jià)值主張。

MicroTCA功率互連應(yīng)用基本上是以電源模塊和背板配置開始的，最后加入Advanced Mezzanine Card (AdvancedMC)以及如今被設(shè)計(jì)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(jì)算架構(gòu)(ATCA)的一個(gè)分支。

這種應(yīng)用或多或少被列為板到板連接器功率應(yīng)用。最終的設(shè)計(jì)是一個(gè)兩片的板到板功率連接器，這種連接器旨在滿足電信、航空、醫(yī)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(jì)問題，但是互連還必須滿足63.5mm內(nèi)24個(gè)具備熱插拔能力的12A功率接觸件和72個(gè)信號(hào)接觸件的密度要求。

MicroTCA標(biāo)準(zhǔn)提議采用針對(duì)ATCA子卡的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)AdvancedMC作為其自己的緊湊型背板和機(jī)架上的主要刀片(或板)(圖1)。該標(biāo)準(zhǔn)需要開發(fā)電源輸入模塊(電源)來向背板提供電源，并附帶必要的控制線路從而在刀片和電源之間傳遞狀態(tài)信息。標(biāo)準(zhǔn)組織針對(duì)能夠滿足功率和接觸件密度的集成功率和信號(hào)連接器對(duì)業(yè)內(nèi)進(jìn)行了調(diào)查，并確定不存在解決方案。

在為背板提供更多功率的傳統(tǒng)應(yīng)用中，增加了功率連接器的長(zhǎng)度以增加更多接觸件。圖2是傳統(tǒng)功率和信號(hào)連接器(前景)與MicroTCA PCB板(約74mm)的對(duì)比圖。很明顯，這種連接器不適合該應(yīng)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(hào)接觸件，而MicroTCA需要72個(gè)信號(hào)接觸件。這表明，傳統(tǒng)連接器不具備滿足MicroTCA的尺寸和功率/信號(hào)密度要求的能力。

在MicroTCA應(yīng)用中，功率/信號(hào)連接器的長(zhǎng)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(xiàn)有功率互連的最初評(píng)估，行業(yè)組織決定有必要開發(fā)新的功率互連設(shè)計(jì)。在制定設(shè)計(jì)目標(biāo)時(shí)，確定了新的連接器應(yīng)具備以下要求：

* 采用業(yè)內(nèi)接受的有可靠性指標(biāo)的接觸件技術(shù)
* 采用低成本制造工藝和材料
* 遵循所有現(xiàn)有和預(yù)期的全球環(huán)境要求，比如RoHS
* 與客戶的各種制造工藝兼容(焊接和壓接)

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(hào)引腳用于低電流電源以及功率模塊和線卡之間的狀態(tài)通信。此外，連接器機(jī)架還集成了對(duì)齊功能以確保功率或信號(hào)接觸件接合之前保持適當(dāng)?shù)呐帕小?

功率、信號(hào)和對(duì)齊桿功能的完全集成解決方案已經(jīng)被構(gòu)建在單片機(jī)架中，直角插頭僅占據(jù)60×19mm2左右的PCB空間，垂直插座僅占據(jù)61.1×27.2mm2的PCB空間。額外要求是提供四個(gè)連接器順序?qū)蛹?jí)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(shí)別通用功率模塊(UPM)接觸件。采用這種刀片和插座設(shè)計(jì)，接觸件對(duì)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(參見圖4和表)。它還通過采用多個(gè)順暢的尾部使每個(gè)接觸件通過PCB的電流高達(dá)14.5A(因此通過孔的電流不到4A)，從而具備流暢的電流分布。

為了滿足高壓對(duì)接和拔出要求，接觸件設(shè)計(jì)采用延長(zhǎng)的末端刀片設(shè)計(jì)。因此在高壓對(duì)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(cè)。一旦接觸件進(jìn)一步接合，另外的對(duì)接點(diǎn)就會(huì)接合，并且不產(chǎn)生任何電弧，這是因?yàn)樽畛醯慕佑|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(xiàn)較少的磨損，并維持接觸件接口的性能特征。

采用延長(zhǎng)的末端刀片設(shè)計(jì)，接觸件最多可進(jìn)行250次對(duì)接。沖壓和成形的接觸件的特性使得很容易通過兩種不同的接觸件對(duì)接長(zhǎng)度加入兩種級(jí)別的順序?qū)印?

采用MicroTCA設(shè)計(jì)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(jī)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程。然后通過電鍍和拋光步驟在連續(xù)鋼帶上對(duì)接觸件進(jìn)行加工，直到它們被插入到模制連接器機(jī)架中。

這種批量工藝相當(dāng)一致并且可重復(fù)，從而獲得了高度的一致性。在高功率應(yīng)用中，與相同橫截面積的圓形導(dǎo)線相比，扁平導(dǎo)線在相同的溫升下將提供更多電流。

在1970年1月9日的報(bào)告“NASA TM X-53975 扁平導(dǎo)線設(shè)計(jì)、制造和安裝中的3.2 FCC應(yīng)用”報(bào)告中顯示，滿負(fù)荷扁平導(dǎo)線可比相同橫截面積的圓形導(dǎo)線負(fù)載高155%的電流。在精密成形的電子接觸件中，盡管扁平導(dǎo)線的成本比圓形導(dǎo)線高，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(dǎo)線是采用連續(xù)鋼帶控制的，因此與電鍍不牢固的螺絲機(jī)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(hào)接觸件采用30微英寸鍍金，以確保苛刻環(huán)境下的長(zhǎng)期可靠性。

連續(xù)鋼帶工藝還允許按照Bellcore/Telcordia規(guī)范的要求增加額外表面區(qū)域處理。選擇沖壓和成形接觸件設(shè)計(jì)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(jī)械接觸件。

連接器中要求的72個(gè)信號(hào)接觸件采用Z-PACK 2mm HM接觸件接口，這種針對(duì)IEC 6176-4-101標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)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(hào)引腳中的高可靠性是通過采用信號(hào)接觸的多個(gè)接觸點(diǎn)設(shè)計(jì)以及30微英寸鍍金來實(shí)現(xiàn)的。在信號(hào)接觸件中另外加入了兩個(gè)順序?qū)蛹?jí)別，從而滿足客戶四個(gè)順序?qū)蛹?jí)別的要求。

獲得的經(jīng)驗(yàn)

這個(gè)MicroTCA連接器的設(shè)計(jì)工藝代表著電力行業(yè)內(nèi)發(fā)生的一系列變化。電力系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)正在經(jīng)歷巨大的變化，其方式與基于標(biāo)準(zhǔn)的電信架構(gòu)的發(fā)展變化方式相同。電源從數(shù)字電路遷移到從前的模塊領(lǐng)域已經(jīng)驅(qū)動(dòng)著電力行業(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(yīng)這一趨勢(shì)。因此尋求實(shí)現(xiàn)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(xiàn)MicroTCA連接器的總密度，在單個(gè)機(jī)架中集成功率、信號(hào)和對(duì)齊功能是有必要的。過去，這一目標(biāo)是通過將獨(dú)立導(dǎo)梢和對(duì)齊硬件單獨(dú)安裝到印制電路板以及個(gè)別功率連接器和個(gè)別信號(hào)連接器上實(shí)現(xiàn)的。

為了針對(duì)這種新的集成度進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要進(jìn)行仔細(xì)的分析以最大限度地縮小機(jī)架設(shè)計(jì)以在獲得較薄外壁和部件的同時(shí)，仍然保留集成的機(jī)械對(duì)齊桿和插座所需的魯棒功能。

需要采用PROEngineer和Moldflow進(jìn)行詳細(xì)建模，以優(yōu)化機(jī)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(xiàn)散熱和速度功能的功能并滿足成本目標(biāo)。

實(shí)現(xiàn)接觸件密度的MicroTCA連接器的關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素之一是增加第二行功率接觸件。此設(shè)計(jì)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(nèi)(圖5)。Tyco Electronics公司同時(shí)采用專有和商用的有限元分析(FEA)建模軟件(如ANSYS)來評(píng)估散熱性能。FEA數(shù)據(jù)可以用作指導(dǎo)。采用模仿目標(biāo)應(yīng)用的測(cè)試板設(shè)計(jì)的實(shí)際測(cè)試結(jié)果需要根據(jù)特定環(huán)境條件(印制電路板設(shè)計(jì)和含銅量、環(huán)境溫度和氣流)來驗(yàn)證溫升。這就會(huì)帶來與材料選擇相關(guān)的設(shè)計(jì)考慮因素。你可能會(huì)考慮采用較高傳導(dǎo)率的金屬來減少Trise，這取決于散熱模型的結(jié)果和預(yù)計(jì)的溫升情況。然而這會(huì)帶來一定的折衷，大多數(shù)較高傳導(dǎo)率的金屬都會(huì)增加連接器設(shè)計(jì)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題。建模被再次用來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布線，而不需要增加印制電路板層數(shù)。在這種情況下，采用Autocad或Mentor Graphics等印制電路板建模工具來對(duì)印制電路板進(jìn)行布線，并確定需要什么樣的走線和層密度。

僅在ATCA功率連接器之后幾年開發(fā)的功率連接器表明，采用MicroTCA連接器所用的相同設(shè)計(jì)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(qū)的優(yōu)化的影響。隨著這些趨勢(shì)的不斷延伸，通過分析新材料來實(shí)現(xiàn)更薄外壁、更高傳導(dǎo)率以及采用下一代EDA設(shè)計(jì)工具的趨勢(shì)將在功率連接器行業(yè)延續(xù)。

在MicroTCA連接器的開發(fā)過程中獲得的經(jīng)驗(yàn)可以應(yīng)用到電力行業(yè)的所有應(yīng)用中。在給定客戶在量(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(shè)計(jì)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(jì)的方式實(shí)現(xiàn)總目標(biāo)。

隨著功率應(yīng)用的發(fā)展，這些趨勢(shì)將延續(xù)。在功率連接器設(shè)計(jì)過程中整合這些設(shè)計(jì)工具、折衷因素和材料選擇將變得越來越重要。這基本上是“規(guī)模適化連接器”的過程，以順應(yīng)電源和分布系統(tǒng)設(shè)計(jì)的趨勢(shì)。以前往往默許(甚至希望得到)額外的設(shè)計(jì)裕量，而現(xiàn)在，功率連接器設(shè)計(jì)工程師力求優(yōu)化設(shè)計(jì)以滿足客戶的要求同時(shí)繼續(xù)堅(jiān)定追求可靠性是非常關(guān)鍵的。


作者：Nathan Tracy，業(yè)務(wù)發(fā)展部經(jīng)理
Mike Blanchfield，產(chǎn)品經(jīng)理
Tyco Electronics公司