Sia che si tratti di connettori per circuito stampato o di I/O, i problemi fondamentali in merito all’alimentazione dei sistemi sono gli stessi. Complici il continuo aumento delle prestazioni e la spinta verso miniaturizzazione, i connettori utilizzati per l’alimentazione devono soddisfare due requisiti in contrapposizione tra di loro: garantire maggiori prestazioni con dispositivi sempre più compatti. Per affrontare in maniera efficace queste problematiche è necessario utilizzare connettori progettati in maniera opportuna e ottimizzare il layout del Pcb. La corsa verso la miniaturizzazione, che si traduce in una drastica riduzione delle dimensioni, comporta l’insorgere di un certo numero di problematiche di progetto. Da un lato, i componenti caratterizzati da un elevato livello di integrazione sono ospitati in contenitori sempre più piccoli, sebbene vengano utilizzati circuiti Asic sempre più complessi. Dal lato Pcb, è possibile trovare schede multistrato con strutture di tipo “fine-line” e microvias, oppure Pcb con componenti elettronici integrati come ad esempio filtri e altri tipi di funzioni embedded. In molti casi per i Pcb è prevista la presenza di un sistema di gestione termica. Anche l’utilizzo di schede madri miniaturizzate al posto dei backplane da 19” comporta l’insorgere di problematiche a livello di gestione termica e di alimentazione. Tutte queste problematiche, ovviamente, coinvolgono anche i connettori.
Una gamma completa
L’offerta di Erni Electronics prevede parecchie famiglie di connettori miniaturizzati, tutte in grado di garantire una capacità di corrente (o portata) elevata, sia che si tratti di connettori ibridi - che generalmente dispongono di pochi contatti di potenza e la maggior parte dei quali hanno contatti di segnale - o di moduli di potenza completi, equipaggiati esclusivamente con contatti ad alta potenza. Per esempio i componenti MicroStac con passo da 0,8 mm sono caratterizzati da una portata di 1,6 A per pin. I connettori SMC a doppia riga con passo da 1,27 hanno una portata in corrente di 1,6 A. I connettori per cavo a riga singola MiniBridge con passo da 1,27 mm sono specificato per correnti di 2 A mentre i componenti MaxiBridge a doppia riga con passo di 2,54 mm sono in contraddistinti da una capacità di corrente di valore compreso tra 6 e 7 A. I moduli di potenza della linea MicroSpeed sono in grado di fornire valori di correnti nominali compresi tra 6 e 8 A. La capacità di corrente è determinata in larga misura dalla resistenza delle connessioni. La resistenza verticale per una coppia di connettori accoppiati è data dalla somma della resistenza di volume e della resistenza di contatto. I fattori critici in questo caso sono il diametro dei contatti maschio e femmina, il materiale base del contatto (CuSn6, CuNiSi, ecc.) e la finitura dei contatti. La resistenza di volume è la resistenza intrinseca del contatto ed è determinata dalla resistenza del materiale specifico, dalle dimensioni e dalla distribuzione di corrente. Alla resistenza di contatto contribuiscono la resistenza della finitura della superficie di contatto e la resistenza del restringimento del punto di contatto. Questa’ultima è indipendente dal materiale base ed è determinata dalle dimensioni dell’area di contatto e dalla forza di contatto (sollecitazione di contatto di tipo hertziano). Grazie a un progetto ottimizzato del connettore è possibile minimizzare la resistenza verticale incrementando in tal modo la portata in corrente.
Riduzione della prestazioni
Le specifiche relative ai connettori, come ad esempio le Iec 61076-ff e Iec 60603-ff - definiscono le portate in corrente nominali. Metodi di misura, set-up e condizioni ambientali sono standardizzate e derivano dalla normativa Iec 60512-5-2Test 5b. I valori misurati producono la cosiddetta curva base che, in funzione della temperatura limite selezionata, fornisce i valori di capacità di corrente per una specifica temperatura ambientale. Al fine di tener conto dell’obiettivo del collaudo e delle tolleranze di misura, i valori misurati vengono ridotti (ovvero subiscono un’operazione di derating) del 20% al fine di ottenere la curva di riduzione (derating curve). Nello stesso tempo, è importante sottolineare che l’aumento di temperatura viene misurato nel punto più critico, ovvero il punto più caldo del componente con valori di corrente specifici. Poiché l’incremento di temperatura non dipende dalla temperatura ambiente, le misure possono essere effettuate a temperatura ambiente. Quest’ultima temperatura deve restare costante per tutte le misure e registrata al fine di effettuare i calcoli.
Per ottenere la curva di derating è necessario definire una temperatura limite per il connettore, al quale è consentito riscaldarsi fino a questo valore massimo nei punti di contatto. La curva di derating si ottiene quindi in questo modo:
ascissa: temperatura limite al quale viene sottratto l’incremento di temperatura misurato ordinata: il valore della corrente che corrisponde all’incremento di temperatura. Ciò significa che per una temperatura x e un valore di corrente y, la temperatura limite viene raggiunta nel punto di misura. Nel caso si assuma che la temperatura x sia la temperatura di funzionamento, è necessario dissipare le perdite di potenza provocate dall’aumento della temperatura. Queste perdite sono prodotte dalla tensione, il cui valore diminuisce in corrispondenza del resistore di contatto. Nel punto di contatto la resistenza di un accoppiamento integro è pari a 0,5 mΩ (valore tipico), mentre risulta uguale a 5 e/o 10 mΩ da pin a pin a secondo del progetto del connettore. Nel caso di connettori a più poli e in condizioni limite, è possibile che si verifichi una perdita di potenza che può avere un impatto significativo sul funzionamento del dispositivo. In parecchi dispositivi e prodotti standard, un incremento di temperatura viene spesso indicato come valore limite. Ciò, ovviamente, può essere verificato solo a livello di sistema e quindi difficile da valutare per quel che concerne i connettori, poiché la perdita di potenza provocata dai contatti è trascurabile rispetto a quella imputabile ai componenti attivi.
Ottimizzare la capacità di corrente
Erni Electronics ha condotto numerose misure e una serie completa di test per valutare le modalità di ottimizzazione della capacità di corrente. Le corrispondenti curve di derating sono state ottenute a partire da una coppia di connettori saldata su una scheda Pcb. Il layout utilizzato per il collaudo è stato progettato in modo da garantire un elevato livello di flessibilità in termini sia di routing delle piste dei conduttori sia di struttura del Pcb in modo da poter soddisfare i requisiti di specifiche applicazioni del cliente. Nel caso il progetto venga specificato con un livello di dettaglio elevato è possibile conseguire sensibili miglioramenti. Per l’ottimizzazione del Pcb sono disponibili numerose opzioni come ad esempio l’incremento dello spessore dello strato di rame, l’ottimizzazione delle ampiezze delle piste del conduttore, il riempimento dei singoli strati con rame, l’inserimento di strati interni di rame di differente spessore abbinati a vias termiche. Dal punto di vista del connettore, i fattori che hanno una maggiore influenza sono la scelta dell’isolatore e del materiale di contatto, la distanza e la configurazione fisica del contatto.
Un esempio concreto: il connettore SMC
Per illustrare i miglioramenti che è possibile ottenere utilizzando differenti layout, si consideri un connettore SMC a doppia riga con passo di 1,27 mm. A questo proposito è stato utilizzata una scheda Pcb in cui sono presenti 12 pin collegati e adiacenti l’uno all’altro adibiti alla conduzione della corrente. Il layout del Pcb, realizzato con FR4, è stato ottimizzato sfruttando differenti opzioni. La versione A è quella di riferimento: si tratta di una scheda Pcb a singola faccia con la corrente che fluisce sulla parte superiore e per la quale non è stata prevista alcuna ottimizzazione dal punto di vista termico. Le misure effettuate hanno dimostrato che mediante un semplice incremento dello spessore dello strato di rame è possibile ottenere una migliore dissipazione termica, che si traduce in un aumento dei valori della portata in corrente. L’inserimento di strati interni comporta ulteriori e sensibili vantaggi. Se questi risultano collegati con vias termiche, è possibile conseguire una distribuzione e una dissipazione del calore ottimizzati. I test condotti hanno evidenziato che, anche con accorgimenti molto semplici, come ad esempio l’incremento dello spessore dello strato di rame e l’ottimizzazione delle ampiezze delle piste dei conduttori, è possibile ottenere un notevole incremento della portata in corrente. L’inserimento di strati interni aggiuntivi permette persino di triplicare questi valori. Sulla base dei risultati ottenuti, è possibile ampliare le già notevoli potenzialità applicative dei connettori della linea SMC. In definitiva per aumentare la portata in corrente e/o migliorare il comportamento dal punto di vista termico, è possibile ottimizzare sia il progetto del connettore sia quello della scheda Pcb. Per quanto concerne il connettore è possibile sfruttare differenti opzioni quali ad esempio l’utilizzo di materiali ottimizzati dal punto di vista termico ed elettrico, l’impiego di forme dei contatti convesse, il restringimento dell’area di contatto, l’aumento della forza di contatto, l’impiego di superfici lisce e di una finitura avanzata dei contatti. Al fine di ottimizzare le strutture della scheda Pcb è invece possibile impiegare più strati, aumentare lo spessore del rame per gli strati di potenza, prevedere isolamenti più sottili per assicurare un miglior trasferimento del calore, garantire una distribuzione di rame che copre il 90% di tutti gli strati e prevedere le vias termiche. Tutto ciò senza dimenticare che ogni applicazione è contraddistinta da specificità da tenere nella dovuta considerazione.