互连设计中的功率完整性研究

随着对大功率小封装产品的需求增长，要解决新结构和系统平台的功率平衡问题，OEM系统和功率工程师遇上了电气和机械设计方面的挑战，他们需要选定能够确保信号和功率完整性的互连组件。
    信号连接器的传送速度不断提高，而体积则变得更小；但电源连接器却与之不同，需要一定量的传导材料来传送一定量的电流或者安培数，所以不存在可以使用更小的功率触点来传导更大电流的特殊设计秘诀，而功率需求增加，更高载流容量互连所需的空间也随之增加。
    设计密度和承载功率
    即使新的系统设计常常要求以有限的空间传送更大的功率，但仍然有数项因素影响着一款设计的功率密度以及它实际能够承载的功率的大小。清晰了解每一种因素是成功实现系统内功率完整性和安全性设计的关键所在，而这也有助于简化整体设计过程。这些关键因素包括：
    平衡空间和功率
    首先，必须确定电源互连需要多大的空间，并对照最终产品设计中分配了多大的可用空间。对于大多数OEM厂商而言，节省空间是优先考虑的因素，连接器的高度、宽度和长度，尤其是含铜量，将会直接影响可承载的电流密度。系统结构设计人员总是希望以相同的空间来获得更大的功率，而这正给连接器制造厂商带来了挑战。
    然而，世界领先的连接器制造厂商不断开发新型和创新型设计，采用导电率更高的材料，更富创造性地利用空间，以便在不增加空间的情况下提高输出功率和电气性能。例如在某些情况下，选用侧高较低的连接器，从而使冷却气流最大化。而在另一些情况下，则可能要选择具有更佳接触性能的较高的连接器，使用较少的卡边缘空间来承载所产生的电流。但重要的是，以空间设计要求来使PCB的功率及其产生的热效应之间达到最佳平衡，以确保最终产品的安全性和性能。
   
    热管理
    由接触或集中电阻和低效的空气流动所造成的发热问题永远是令人关注的问题，而且应该在设计过程中提早认真考虑。PCB含铜量是其中一个因素。含铜太少会限制电流流动，因而产生集中电阻(constriction resistance)。尺寸合适的铜迹线可以降低体电阻、降低温度并减小损耗。否则，热量可能“下沉”到连接器的接口，增加了需要考虑的可靠性问题。电源制造厂商在以各种特性来补足PCB结构方面极具创造性，以缓解发热和集中电阻的问题。
    此外，由于系统在更小的箱体中加入了更多的组件，因此必须确保定位于交叉点(如电源和服务器之间)的连接器周围气流获得恰当的管理。连接器周围和穿过连接器的气流充足，将有助于冷却功率触点，增加电流容量，并提高安全性。同时，连接器有时位于关键点上，并且阻碍气流流动。然而，在考虑气流问题时，连接器的冷却过程却通常不在设计人员优先考虑事项清单的前列。
    在工作安全性方面，设计人员需要考虑整体系统及其电源结构，针对影响热性能和电气性能的集中区域和压降，从头到尾了解可能出现的潜在问题。一般来讲，对于功率触点，压降超过30mV便会影响热稳定性。一旦跨越该阈值，热不稳定性的发生概率就会显着增加。
    世界级的连接器制造厂商正与客户合作开发改进型电源互连解决方案，具有更小的空间、更高的温度及更长的产品寿命，从而实现安全、可靠的运作。崭新的设计采用了新型合金和成型树脂、电镀、改进的触点技术，务求在不牺牲安全性和可靠性的前提下提高电流密度。
    减小风险
    传统上，连接器制造厂商将电流额定值建立于产品在理想环境下测试所得的电气性能之上。这些发布的额定值，在其测试环境下是精确的，但因为没有考虑到会影响连接器实际工作环境的各种条件和交互作用，所以并未反映整体状况。
    因此，OEM厂商通常会降低连接器的额定值，以便构建超过连接器制造厂商产品目录之产品额定值的发热安全余量。许多OEM厂商使用一种简单的做法，就是测试与一个数量较大的电路相伴的较少量电路，并绘制温度随电流升高的曲线，显示电路数目增加，载流能力降低。此外，有些用户会主观指定另一种比率，如果连接器供应商发布的产品额定值是100A，用户将会自行降低30%的额定值，以确保构建安全余量，防止出现过热现象。
    现在，领先的连接器供应商都了解到这种情况，并将与OEM厂商及其设计团队紧密合作，以实际应用条件下的科学测试和性能分析为基础，来选择满足特定应用要求的连接器。
    为了提供精确的额定值，顶级连接器制造厂商会进行大量的测试和预测性建模，例如焦耳发热有限元分析(FEA)和计算流体动力学(CFD)软件，将输入条件与连接器和PCB几何形状和材料性能、电流、触点电阻(实际测试数据)以及气流等条件相关联。使用这种方法，可以估计出每种互连产品的性能，并为用户提供可靠的忠告，说明哪种产品与应用需求最为匹配。虽然模拟和/或测试全部可能的环境是不现实的，但是这些模型和分析有助于指导设计人员花费较少的时间做出更明智的选择。这一点在适应电子行业所要求的快速设计周期方面是非常重要的。
    功率完整性规划带来更佳的结果
    在电子器件技术中，紧凑外形、传输速度、信号和功率完整性是极为重要的，前摄性功率完整性工程技术的优点绝不是夸大其词。由于计算能力的需求增加，推动了对更大功率的需求。同时，产品设计周期不断缩短，留给功率工程师做出关键决定的时间也更少了。