大电流端子如何在减少装配时间和功耗的同时实现安全的供电

随着工业系统设计人员对效率的不断追求，对电子控制装置的使用也在不断增加。出于节省空间和降低成本的目的，人们需要的电子控制装置的外形尺寸越来越小。但是，随着外形尺寸的缩小，设计人员面临的大功率连接挑战也越来越多。大电流印刷电路板连接器和电源线需要厚实的重型连接，因此不能像数字电子器件那样的幅度进行尺寸缩小。此外，无论是表面贴装还是通孔安装，这些大电流连接点必须适合印刷电路板制造工艺。在解决这些必要问题的同时，还要管理紧缩的预算并缩短上市所需的时间。

为了满足这些要求，大功率电子产品开发人员必须密切关注印刷电路板大功率端子的设计、选择和组装。大电流端子也可能需要额外的装配时间，以保证焊接连接的牢固。

本文将简单讨论与大功率端子相关的问题，并说明大功率印刷电路板设计人员该如何利用专用大电流印刷电路板端子的优势。最后以 Würth Elektronik 的解决方案为例，展示如何使用适当的端子在系统之间可靠地提供大电流，以及如何在提供高机械稳定性和较低连接电阻的同时加速自动化装配。

端子如何导致功率损耗

工业系统设计人员经常需要提供和控制数百安培的大电流。通常给系统供电的大电流端子与数字控制电子装置会安装在同一块印刷电路板上。随着控制半导体的高度集成化，所需的印刷电路板面积也随之减少。这种外形尺寸的缩小给大功率电子产品设计人员带来了三个问题。

第一个问题是对印刷电路板电子器件上温度、湿度、气体等环境极端因素的考量。如果连接密闭不好，工业过程中产生的气体会氧化或腐蚀大电流连接，导致连接效率低下，从而导致电力损失或设备故障。这些问题很难诊断，有时即使目测得再仔细的也无法发现。

第二个问题是处理大功率连接的效率问题。随着功率水平的提高，即使是连接电阻增加的很小，也会导致功率损失，同时造成发热量明显增加。根据欧姆定律，一个 25.0 安培 (A) 的端子，如果焊点不良，导致电阻只有 0.050 欧姆 (Ω) 的增加，也会在焊点处产生(25.0²×0.050) = 31.25 瓦的损耗。除了损耗之外，产生的热量还会降低附近电子器件的寿命。最坏的情况是，高温可能会导致燃烧或火灾。

第三个问题是确保大电流端子与组装印刷电路板的制造方法兼容。对于大规模印刷电路板制造来说，所有的元器件都首选表面贴装。与通孔安装相比，表面贴装既减少了装配时间和人工成本，同时又能保证质量。然而，表面贴装印刷电路板端子的单端子载流能力是有限的。通孔回流焊印刷电路板端子比表面贴装能承载更多的电流，同时具有非常高的机械稳定性。然而，与表面贴装相比，通孔或混合印刷电路板装配线可能需要两倍的场地空间，以及额外的人工和装配时间，使得这种装配方法更加昂贵。

不管是哪种装配工艺，都必须保证质量，对于装配线来说，这意味着要专注减少误差。在这个方面，对于大电流端子来说，通孔可能更可靠，因为端子的性质使得它在回流焊过程中胀崩的可能性较小。由于表面贴装大电流端子需要较大的基底面，因此将焊膏均匀地涂在整个焊盘上至关重要。如果不均匀，焊盘在回流焊时就会受热不均，导致端子的一端翘起，从而造成表面贴装元件立起。

高功率大电流端子

为了解决大电流端子的潜在问题，Würth Elektronik 开发了 REDCUBE 端子产品线，支持大电流，且制造选择灵活。这种端子外形低矮，能够实现更快的环境散热，同时允许更多的气流流到邻近区域，从而增强对周围电子器件的冷却。REDCUBE 端子的设计实现了极低的焊接点电阻，因此可以提供高达 500 A 的电流，而几乎没有功率损失或发热。

该产品线支持表面贴装、通孔回流焊和压装印刷电路板制造工艺。因此可以让工业系统印刷电路板设计人员对来自单一供应商的端子进行标准化，使之在不同的制造工艺中易于视觉识别，并简化采购。

表面贴装大电流端子

为了与表面贴装器件 (SMD) 印刷电路板制造工艺兼容，设计人员可以使用 Würth 的REDCUBE SMD 工业端子系列。这些端子支持全自动表面贴装组装，同时实现了最小的发热。端子支持最高 85 A 的电气板对板连接。

举例来说，器件 7466003R 采用 M3 螺纹，在 20°C 时额定电流为 50 A（图 1）。该端子的直径为 8.3 毫米 (mm)。通过均匀分配端子的重量，减少立起，消除可能无法接受焊膏的尖角，圆形基底面提高了制造产出率。REDCUBE SMD 7466003R 的机身由重型黄铜制成，并进行了镀锡处理，额定温度为 -55℃ 至 +150℃。

图 1：REDCUBE SMD 7466003R 工业端子基底面很小，直径 8.3 mm，额定安全载流能力为 50 A。它贴有一个橙色聚脂贴膜，在表面贴装至印刷电路板之前，该贴膜由自动拾放设备移除。（图片来源：Würth Elektronik）

为了在减少热量的同时提供最佳的连接，建议与 M3 螺纹配接的螺栓和端子同样进行镀锡处理。这使得 7466003R 兼容大多数电源端子和螺栓。在装配前，橙色的聚脂贴膜可以保护要焊接的面不受污染和指印的影响。这有助于确保以最小的连接电阻实现良好的表面贴装焊接连接。另外，建议在端子与镀锡螺栓配接之前，M3 螺纹和端子顶部应进行保护以避免任何污染，以免影响所插入螺栓和接线片的配接电阻。这包括防止手指接触螺纹顶部。

通孔印刷电路板端子

针对需要通孔元件的工业应用，Würth 提供了 REDCUBE THR 系列。该系列支持自动通孔回流焊印刷电路板组装。例如，74651195R 是一个九针通孔直式螺纹端子，带有镀锡 M5 螺纹，设计用于连接采用螺母固定的接线片（图 2）。其工作温度范围为 -55°C 至 +150°C，20°C 时额定电流为 85 A。

图 2：REDCUBE THR 74651195R 在 20℃ 时的额定电流为 85 A，带有 M5 直式螺纹端子。九个印刷电路板插针提供了机械稳定性，防剪、抗撕。（图片来源：Würth Elektronik）

74651195R 上的 9 个插针排列成 3×3 的网格，旨在实现最佳的可焊性以及防剪、抗撕的机械稳定性。74651195R 是一块镀了锡的实心黄铜，与冲压端子相比，具有更高的载流能力和更好的扭矩承受能力。这种设计使得 74651195R 成为大功率工业应用的绝佳选择，因为在这些应用中，连接的电缆可以从任何角度拉出。

74651195R 外形低矮，总高度仅高出印刷电路板 10 mm，螺栓长度为 7 mm。它支持标准 M5 接线片和锁紧螺母，螺纹短，容易让气流围绕端子流动，从而提高了冷却效果。

适合较大电流的压装式端子

针对需要较大电流的电源和工业系统应用，Würth 开发了额定电流高达 500A 的 REDCUBE PRESS-FIT 产品线。这些端子不使用回流焊或波峰焊，而是将端子通过机械方式压入镀锡的印刷电路板孔中。将端子压入印刷电路板孔中所产生的摩擦力形成了冷焊连接。这种连接是气密性的，接触电阻只有 200 微欧 (µΩ)。

带有 M8 螺纹的 7461090 螺纹端子就是一个这样的解决方案实例（图 3）。20℃ 时额定电流为 350 A，工作温度为 -55℃ 至 +150℃。为了处理这个电流，7461090 使用了 20 个压装引脚，不需要任何热焊接方法。压装法使用了与通孔元件相同的印刷电路板孔，消除了像冷焊点这样的可焊性问题。此外，20 个压装引脚不需要像焊接通孔那样穿过印刷电路板，甚至可以直接在印刷电路板内部终止，不需要任何焊尾。这有助于防止印刷电路板下的大电流端子意外短路，从而提高系统安全性。

图 3：REDCUBE PRESS-FIT 7461090 工业螺纹端子压入印刷电路板孔中，无需波峰焊或回流焊方法。其独特的设计提供了非常小的接触电阻，使之能够处理高达350 A 的电流。（图片来源：Würth Elektronik）

M8 镀锡螺纹长度是 13.5 mm。为了以最小的接触电阻实现最大的电流输送能力，应选择镀锡螺栓，这样就可以让组装好的螺栓穿过接线片，并以最大的实际长度拧入 REDCUBE 端子，而不与印刷电路板发生接触。如此便在整个螺纹端子长度上实现了最大的接触面积。

在装配之前，必须防止任何污染物或手指接触到螺纹或端子的顶部，因为即使是污染物产生的最小电阻，也会在 350 A的温度下产生危险的过热。

方便连接和断开的插头端子

有时，一个大功率的工业系统需要方便在不同的源头之间进行重新配置和重新连接。对于这些应用，Würth 提供了 REDCUBE PLUG 压装式工业端子插座系列。这是一种压装式端子，具有无螺纹端子连接的便利，并可支持最高 120 A 的电流。

例如，REDCUBE PLUG 7464000 在 20℃ 时可处理最高 120 A 的电流，工作温度范围为 -45℃ 至 +125℃（图 4）。这款 REDCUBE PLUG 由一个镀锡铜合金插座组成，封装在一个红色玻璃纤维增强塑料外壳中。为了将兼容插头插入直径为 6.2 mm 的插座中，必须手动将外壳的顶部压向印刷电路板。这样可以将插座完全暴露出来，方便插入镀锡插头。松开外壳顶部即可将插头锁住。

图 4：REDCUBE PLUG 7464000 插头插座是一个压装式端子，20℃ 时额定电流为 120 A。它为大电流插头的连接和断开提供了方便，使之适用于可重新配置的电源解决方案。（图片来源：Würth Elektronik）

对于头顶空间小、难以安装螺栓或螺母的地方，REDCUBE PLUG 7464000 插头插座也是一个很好的解决方案。鲜红的颜色使得该插头在拥挤的印刷电路板上更容易识别。它带有 12 个间隔紧密的压装引脚，排列成一个 3×4 的网格。7464000 的最大接触电阻为 1 mΩ，因此适用于大电流应用。

结语

随着设计的集成度越来越高，大功率系统设计人员必须在高效率、低损耗的功率传输和易组装性之间取得平衡。因此，选择合适的大电流印刷电路板工业端子就显得尤为关键。设计人员必须了解板子的组装过程、端子可以安全处理的电流大小以及印刷电路板的连接方法。

如上所述，工业级端子具有灵活的装配选择，允许设计师在一条产品线上实现标准化，从而简化采购和互操作性。这使得工业系统能够安全地提供动力，同时通过最大限度地减少装配误差来提高制造产出率，从而加快装配速度，降低生产成本。