MicroTCA功率互連設(shè)計經(jīng)驗之談

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)計的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。以前，許多電信設(shè)計都是高度定制的，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，這可能是類似于計算機(jī)產(chǎn)業(yè)中普及的開放式架構(gòu)興起的一個信號。

雖然標(biāo)準(zhǔn)化連接器設(shè)計可能看起來很基礎(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)計滿足這些要求時所采取的設(shè)計過程為如何實現(xiàn)其它應(yīng)用中的連接器設(shè)計提供了模板。

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間構(gòu)建他們的價值主張。

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)計到市場中的背板排列。這個方法是較大的先進(jìn)電信計算架構(gòu)(ATCA)的一個分支。

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)計是一個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個具備熱插拔能力的12A功率接觸件和72個信號接觸件的密度要求。

MicroTCA標(biāo)準(zhǔn)提議采用針對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)組織針對能夠滿足功率和接觸件密度的集成功率和信號連接器對業(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度以增加更多接觸件。圖2是傳統(tǒng)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(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個信號接觸件，而MicroTCA需要72個信號接觸件。這表明，傳統(tǒng)連接器不具備滿足MicroTCA的尺寸和功率/信號密度要求的能力。

在MicroTCA應(yīng)用中，功率/信號連接器的長度必須在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個離散功率輸出，同時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估，行業(yè)組織決定有必要開發(fā)新的功率互連設(shè)計。在制定設(shè)計目標(biāo)時，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)。這個連接器整合了24個功率接觸件，分兩行排列的每個接觸件都能夠處理14.5A的電流。有72個信號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)架還集成了對齊功能以確保功率或信號接觸件接合之前保持適當(dāng)?shù)呐帕小?

功率、信號和對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連接器順序?qū)蛹墑e。

沖壓和成形的功率接觸件基于整個電信產(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(shè)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(參見圖4和表)。它還通過采用多個順暢的尾部使每個接觸件通過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。

為了滿足高壓對接和拔出要求，接觸件設(shè)計采用延長的末端刀片設(shè)計。因此在高壓對接和拔出周期，電子接觸件第一個點(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，另外的對接點(diǎn)就會接合，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)接觸件可以實現(xiàn)較少的磨損，并維持接觸件接口的性能特征。

采用延長的末端刀片設(shè)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兩種不同的接觸件對接長度加入兩種級別的順序?qū)印?

采用MicroTCA設(shè)計時，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日的報告“NASA TM X-53975 扁平導(dǎo)線設(shè)計、制造和安裝中的3.2 FCC應(yīng)用”報告中顯示，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)工藝比實心圓形接觸件更簡單，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接觸件采用30微英寸鍍金，以確?？量汰h(huán)境下的長期可靠性。

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(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計的接口被用于整個電信行業(yè)， 每個接觸件的額定電流為0.625A。信號引腳中的高可靠性是通過采用信號接觸的多個接觸點(diǎn)設(shè)計以及30微英寸鍍金來實現(xiàn)的。在信號接觸件中另外加入了兩個順序?qū)蛹墑e，從而滿足客戶四個順序?qū)蛹墑e的要求。

獲得的經(jīng)驗

這個MicroTCA連接器的設(shè)計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。因此尋求實現(xiàn)連接器的新密度水平和集成度，同時仍保持成本最優(yōu)化的方法至關(guān)重要。

為了實現(xiàn)MicroTCA連接器的總密度，在單個機(jī)架中集成功率、信號和對齊功能是有必要的。過去，這一目標(biāo)是通過將獨(dú)立導(dǎo)梢和對齊硬件單獨(dú)安裝到印制電路板以及個別功率連接器和個別信號連接器上實現(xiàn)的。

為了針對這種新的集成度進(jìn)行設(shè)計，需要進(jìn)行仔細(xì)的分析以最大限度地縮小機(jī)架設(shè)計以在獲得較薄外壁和部件的同時，仍然保留集成的機(jī)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(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，同時仍然保留允許接觸件實現(xiàn)散熱和速度功能的功能并滿足成本目標(biāo)。

實現(xiàn)接觸件密度的MicroTCA連接器的關(guān)鍵設(shè)計因素之一是增加第二行功率接觸件。此設(shè)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(nèi)(圖5)。Tyco Electronics公司同時采用專有和商用的有限元分析(FEA)建模軟件(如ANSYS)來評估散熱性能。FEA數(shù)據(jù)可以用作指導(dǎo)。采用模仿目標(biāo)應(yīng)用的測試板設(shè)計的實際測試結(jié)果需要根據(jù)特定環(huán)境條件(印制電路板設(shè)計和含銅量、環(huán)境溫度和氣流)來驗證溫升。這就會帶來與材料選擇相關(guān)的設(shè)計考慮因素。你可能會考慮采用較高傳導(dǎo)率的金屬來減少Trise，這取決于散熱模型的結(jié)果和預(yù)計的溫升情況。然而這會帶來一定的折衷，大多數(shù)較高傳導(dǎo)率的金屬都會增加連接器設(shè)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)計技術(shù)可以實現(xiàn)更高的功率密度水平(圖6)。

在以前容納8個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。隨著這些趨勢的不斷延伸，通過分析新材料來實現(xiàn)更薄外壁、更高傳導(dǎo)率以及采用下一代EDA設(shè)計工具的趨勢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)的方式實現(xiàn)總目標(biāo)。

隨著功率應(yīng)用的發(fā)展，這些趨勢將延續(xù)。在功率連接器設(shè)計過程中整合這些設(shè)計工具、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)計的趨勢。以前往往默許(甚至希望得到)額外的設(shè)計裕量，而現(xiàn)在，功率連接器設(shè)計工程師力求優(yōu)化設(shè)計以滿足客戶的要求同時繼續(xù)堅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