彈片端子在電源適配器中的應(yīng)用

江劍東

（廈門(mén)臺(tái)和電子有限公司 廈門(mén) 361006）

前言

現(xiàn)在消費(fèi)產(chǎn)品款式千變?nèi)f化，隨著工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展, 產(chǎn)品越做越小, 要求也越來(lái)越美觀、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)也越來(lái)越巧妙, 越來(lái)越多的產(chǎn)品在輕薄短小的設(shè)計(jì)理念中, 使得批量生產(chǎn)越來(lái)越要簡(jiǎn)潔, 對(duì)于常規(guī)的電氣導(dǎo)通方法--導(dǎo)線連接法, 在電源適配器中因?yàn)槌杀酒? 組立浪費(fèi)人工, 不靈活美觀等缺陷, 被設(shè)計(jì)師們所詬病。而彈片導(dǎo)電連接發(fā)就是應(yīng)這一潮流而生的,這種實(shí)用性的設(shè)計(jì)取代導(dǎo)致連接技術(shù)方法。目前設(shè)計(jì)師一般因產(chǎn)品不同的結(jié)構(gòu), 內(nèi)部空間要求, 終端用途等，都會(huì)采用不同的彈片結(jié)構(gòu)，以符合產(chǎn)品的需要，以達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最終目的。如今電子產(chǎn)品已經(jīng)充斥整個(gè)市場(chǎng), 而電子產(chǎn)品采用的內(nèi)嵌電池式,當(dāng)電消耗殆盡都需要電源適配器對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充電量。作為電子產(chǎn)品與交流電源的媒介體，電源適配器,擁有著巨大潛力市場(chǎng), 于此同時(shí)，各個(gè)廠家也面臨著嚴(yán)峻的成本,質(zhì)量,進(jìn)度,安全等挑戰(zhàn), 主要表現(xiàn)在提高生產(chǎn)效率和滿足終端產(chǎn)品的使用要求的同時(shí),也要滿足安全使用規(guī)范以及客戶降低費(fèi)用的要求。在本章中,電源適配器的彈片作為市電電源與電氣線路板PCBA的連接部件, 其連接方式的質(zhì)量直接影響著整個(gè)產(chǎn)品的安全、功能。作為AC接觸彈片, 其固定方式和電氣導(dǎo)通性就變得至關(guān)重要。

1 端子連接的原理及過(guò)程

端子通常采用沖壓成型, 由于制造簡(jiǎn)單，且可根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)情況制成型式各異，成型簡(jiǎn)單，故應(yīng)用廣泛。彈片的制造一般來(lái)說(shuō)應(yīng)具有高的彈性極限、疲勞極限、沖擊韌性及良好的熱處理性能等，常用的有碳素彈片鋼、合金彈片鋼、不銹彈片鋼以及銅合金、鎳合金和橡膠等。彈片在受載時(shí)產(chǎn)生的彈性變形，把機(jī)械能或動(dòng)能轉(zhuǎn)化為變形能，而卸載后彈片的變形消失并回復(fù)原狀，將變形能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或動(dòng)能。多數(shù)材料都有不同程度的彈性變形曲線，如果將其彎曲后再釋放應(yīng)力，只要在其彈性極限范圍內(nèi)便會(huì)恢復(fù)其原形，這就是彈片的工作機(jī)能。

如圖1所示，材料的變形主要分為以下三個(gè)階段。

圖1 材料變形過(guò)程

2.1 第一階段-彈性變形階段

在這個(gè)階段中，材料再承受外力的后，當(dāng)外力消除，材料可以回復(fù)原始形態(tài)。其中末端的過(guò)度區(qū)域可以視作為彈性極限區(qū)域，在設(shè)計(jì)彈片時(shí)，需要計(jì)算彈片在彎曲過(guò)程中所受的應(yīng)力大小，需保持整體的力始終低于彈性極限。

2.2 第二階段-塑性變形階段

此階段處于彈性變形階段之后，這個(gè)階段是材料承受的應(yīng)力超過(guò)其屈服點(diǎn)，當(dāng)外力消除后，材料無(wú)法變回原始形態(tài)，而發(fā)生的物理變形。俗稱塑性變形。

2.3 第三階段-斷裂階段

如階段名稱，彈片材料會(huì)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，因?yàn)椴牧系某惺艿膽?yīng)力超過(guò)材料的斷裂的屈服點(diǎn)，所以材料發(fā)生斷裂。

以上三個(gè)階段中，彈片設(shè)計(jì)都要保持材料所發(fā)生的外力保持在第一個(gè)階段。若發(fā)生于第二階段,則彈片會(huì)發(fā)生物理變形，彈片行程會(huì)變短,會(huì)引起在導(dǎo)通電路中出現(xiàn)INT現(xiàn)象，造成危險(xiǎn)隱患。我們可以判定該階段為彈性失效階段，所以在做設(shè)計(jì)上時(shí)，需要計(jì)算其所承受的外力要低于其屈服點(diǎn)。

以下幾點(diǎn)是教科書(shū)對(duì)材料的常見(jiàn)物性的描述。

1）屈服點(diǎn)（σs）

材料在拉伸時(shí)，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)彈性極限，即使應(yīng)力不再增加，而材料仍繼續(xù)發(fā)生明顯的塑性變形，稱此現(xiàn)象為屈服，而產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的最小應(yīng)力值即為屈服點(diǎn)。

2）屈服強(qiáng)度（σ0.2）

有的金屬材料的屈服點(diǎn)極不明顯，在測(cè)量上有困難，因此為了衡量材料的屈服特性，規(guī)定產(chǎn)生永久殘余塑性變形等于一定值（一般為原長(zhǎng)度的0.2 %）時(shí)的應(yīng)力，稱為條件屈服強(qiáng)度或簡(jiǎn)稱屈服強(qiáng)度σ0.2。

3）抗拉強(qiáng)度（σb）

材料在拉伸過(guò)程中，從開(kāi)始到發(fā)生斷裂時(shí)所達(dá)到的最大應(yīng)力值。它表示鋼材抵抗斷裂的能力大小。與抗拉強(qiáng)度相應(yīng)的還有抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等。

4）伸長(zhǎng)率（δs）

材料在拉斷后，其塑性伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度與原試樣長(zhǎng)度的百分比叫伸長(zhǎng)率或延伸率。

5）屈強(qiáng)比（σs/σb）

鋼材的屈服點(diǎn)（屈服強(qiáng)度）與抗拉強(qiáng)度的比值，稱為屈強(qiáng)比。屈強(qiáng)比越大，結(jié)構(gòu)零件的可靠性越高。

6）彈性極限

指金屬材料受外力(拉力)到某一限度時(shí)，若除去外力，其變形(伸長(zhǎng))即消失而恢復(fù)原狀，彈性極限即指金屬材料抵抗這一限度的外力的能力[1]。

從以上得知，在彈片設(shè)計(jì)中，以上的參數(shù)是需要注意的，當(dāng)我們選用材料時(shí)，需要對(duì)照對(duì)應(yīng)的材料物性表進(jìn)行選別，以使得我們的設(shè)計(jì)能進(jìn)一步完善。

2 彈片材料在電源適配器中選用原則

所有作為連接器彈片受彎曲應(yīng)力，絕大部分材料的機(jī)械性能以拉伸試驗(yàn)獲得。一般金屬材質(zhì)的彈片都能滿足改要求，但作為電氣連接部件的端子，對(duì)其還有一定的金屬含量要求，例如銅含量，鋁含量，鐵含量。作為電源適配器的導(dǎo)電體，還必須滿足IEC-60884的通用要求，在選材上需要考慮金屬的含量，以免發(fā)生電極反應(yīng)。目前AC插腳一般采用國(guó)標(biāo)銅H59以上進(jìn)行設(shè)計(jì)，為避免電極反應(yīng)，彈片一般也采用含銅量的黃銅帶或者磷青銅帶。

綜合以上，實(shí)際生產(chǎn)中我們一般采用的常見(jiàn)材質(zhì)見(jiàn)圖2。從圖2中我們可以看出黃銅與磷青銅的物性差異。

圖2 端子常用銅材物性表

C2600 C2680是黃銅帶,其特性是銅含量高，塑性好，易加工成型。

C5191 C5210是磷青銅帶，以銅為基材，加入和少量的合金金屬，使其彈性好，硬度大。

而磷青銅作為廣泛應(yīng)用的彈性合金材料，其尺寸精度高、表面質(zhì)量好、板形和性能優(yōu)良。結(jié)合磷青銅板帶材的生產(chǎn)實(shí)際，高質(zhì)量磷青銅板帶在生產(chǎn)中的關(guān)得到廣泛應(yīng)用[2]。磷青銅C5191R-H具有良好的彈性，以及良好的經(jīng)濟(jì)性，是作為彈片的良好基礎(chǔ)，所以本文采用此材料作為研究對(duì)象。

3 彈片作為電氣連接部件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

以開(kāi)發(fā)一款終端產(chǎn)品為手機(jī)，符合通用要求的IEC-60950/60065，同時(shí)還要滿足作為電氣連接通用要求的IEC-60884的相關(guān)規(guī)定的電源適配器為例，其中連接方式，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)都有相關(guān)的規(guī)定。目前市場(chǎng)上的許多適配器都不符合安規(guī)要求，頻頻導(dǎo)致火災(zāi)等生命財(cái)產(chǎn)損失，所以安全問(wèn)題是作為充電器的第一重要的要求。而得到安規(guī)方面的認(rèn)證，是對(duì)一個(gè)產(chǎn)品是否選用的直接指標(biāo)。

3.1 安規(guī)對(duì)彈片端子的連接方式的規(guī)定

在端子設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師通常會(huì)想辦法通過(guò)各種結(jié)構(gòu)對(duì)端子進(jìn)行固定，若未申請(qǐng)安規(guī)方案的驗(yàn)證的話，通常會(huì)遺漏IEC-60884（以下簡(jiǎn)稱標(biāo)準(zhǔn)）對(duì)端子連接的一些特殊性要求。對(duì)于起承載部件及其連接，標(biāo)準(zhǔn)要求電氣連接應(yīng)能如圖4方式設(shè)計(jì)，使得接觸壓力不用靠一般絕緣材料傳遞[3]。由于每個(gè)人對(duì)標(biāo)準(zhǔn)理解的不同，很多企業(yè)在設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有深入的考慮到這項(xiàng)要求，最終頻頻導(dǎo)致產(chǎn)品的局部材料失效后發(fā)生火災(zāi)等安全隱患。

按圖3所示，這是一種常見(jiàn)的缺陷情況，從圖中可知，兩片端子在連接時(shí)是靠中間的插銷鉚釘進(jìn)行緊固,而鉚釘是在固定在底面的塑膠上。由于底面一般是采用熱塑性材料，使用彈片會(huì)導(dǎo)通電流，由W=I2R的公式可得知，端子部位會(huì)產(chǎn)生溫升，而熱塑性塑料在溫升到一定溫度會(huì)發(fā)生軟化變形，從而使得端子鉚接部分會(huì)產(chǎn)生連接松動(dòng)，造成鉚接不緊，從而更加導(dǎo)致接觸不良，使得電阻R加大，而加劇溫升上升，最終發(fā)生火災(zāi)。解決這種問(wèn)題，則必須對(duì)彈片鉚接方式的設(shè)計(jì)更改，鉚釘固定在連接片上不依靠熱塑性塑膠[3]。

圖3 錯(cuò)誤的端子連接的要求[2]

從圖3中，得知端子作為連接件,鉚接出現(xiàn)上面兩種情況，都是安規(guī)所不允許的，這種設(shè)計(jì)隱藏了隱患，在產(chǎn)品出廠檢驗(yàn)時(shí)無(wú)法檢測(cè)出，但再終端使用上有極大的風(fēng)險(xiǎn)。

所以設(shè)計(jì)時(shí)需考慮安規(guī)方面的要求，采用圖4方式，當(dāng)塑膠在完全失效的狀態(tài)下，端子之間的緊度依然穩(wěn)定，才能保證彈片連接的可靠性，使得整個(gè)產(chǎn)品符合安規(guī)要求。

圖4 正確的端子連接示意圖

3.1.1 實(shí)例產(chǎn)品簡(jiǎn)介。

如圖5是我們正在開(kāi)發(fā)的一款USB電源適配器，其中內(nèi)部采用彈片端子連接輸入插腳與PCB之間進(jìn)行導(dǎo)電，起到載流作用。

圖5 USB 電源適配器及其內(nèi)結(jié)構(gòu)

圖6是彈片端子內(nèi)部連接結(jié)構(gòu)圖，左圖是在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中的如圖3的一種通病設(shè)計(jì)，與安規(guī)要求不符。當(dāng)端子在鉚接后，彈片與金屬插腳可以有很牢固的貼合，但塑膠在受熱失效后，端子就會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)是無(wú)法通過(guò)安規(guī)認(rèn)證的。所以需要更正成右圖方式，當(dāng)塑膠受熱失效后，端子與金屬插腳依然有牢固的配合[4]。

圖6 端子與金屬插腳的截面示意圖

3.2 端子與PCB的連接設(shè)計(jì)

如圖7所示當(dāng)端子與金屬插腳確定鉚接方式后，便可以開(kāi)始設(shè)計(jì)與PCB連接方式，其也是彈片的通用設(shè)計(jì)功能，設(shè)計(jì)時(shí)須預(yù)設(shè)與PCB板的干涉，其干涉量我們預(yù)計(jì)為0.565 1 mm。

圖7 PCB與彈片端子的連接界面示意圖

通過(guò)以上數(shù)據(jù)，我們可以通過(guò)公式反推彈片的受力情況。

根據(jù)C5191的物性表及以上資料，我們可以計(jì)算該彈片的所受的作用力。

所受的應(yīng)力大小如下:

W=（b*H3*E*δ）/（4*L3）=4.8 N

注:彈片彈力的計(jì)算公式為：

式中：

b—彈片寬度，mm；

H—板材厚度，mm；

E—C5191的彈性系數(shù)，kg/mm2；

δ—變形量，mm；

L—彈片長(zhǎng)度，mm。

參考圖2的物性表，可得知C5191其彈性極限為45 kg/mm2。

按照以上公式，應(yīng)力大小僅為4.8 N，換算后得到F/a/b*H=0.71 kg/mm2遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其彈性極限的規(guī)定值（C5191的彈性極限為45 kg/mm2）。

如圖8所示，通過(guò)CAD受力模擬軟件，我們可以查看實(shí)時(shí)受力變形分析，用于驗(yàn)證以上結(jié)果是否準(zhǔn)確，從圖中可看出變形量以及所受的變形應(yīng)力。理論與實(shí)際會(huì)有些偏差，但大體的目的已經(jīng)達(dá)到。所以彈片端子按此尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)便可以滿足生產(chǎn)需要。

圖8 CAD模擬受力形態(tài)分析

3.3 PCB匹配性設(shè)計(jì)

從圖9中，我們可以得到本案的電源適配器的相關(guān)信息。從圖中我們可以看到，該電源適配器的輸入電氣特性為：100-240 V～ 50/60 Hz 0.3 A，也就是說(shuō)彈片需要在工作時(shí)負(fù)載0.3 A的電流。經(jīng)過(guò)溫度功率公式W=I2R，彈片的電阻越大會(huì)造成溫升越高。

圖9 電源適配器的產(chǎn)品信息

式中：

R—電阻；

S—截面積；

L—長(zhǎng)度；

ρ—電阻率。

其中ρ電阻率與圖2中的導(dǎo)電率有關(guān)，他們之間的換算關(guān)系如下：

在此案設(shè)計(jì)中，因?yàn)槭茄芯繌椘cPCB之間的接觸式設(shè)計(jì)，所以忽略其L的取值。

所以彈片與PCB之間的導(dǎo)電電阻R的取值多少與S有決定性關(guān)系，S越大，R越小。

所以在彈片設(shè)計(jì)上，我們要保證充分的接觸面積，減少?gòu)椘斐傻臏厣槠ヅ銹CB有可靠的電氣配合，避免接觸不良現(xiàn)象而引起溫升現(xiàn)象，PCB的接觸區(qū)域需要對(duì)彈片進(jìn)行焊盤(pán)露銅設(shè)計(jì)，在PCBA波峰焊后，焊盤(pán)的該區(qū)域整體的尺寸會(huì)有錫量凸起,若焊盤(pán)過(guò)大，則造成錫量拱起過(guò)高，尺寸不易控制，實(shí)際生產(chǎn)則采用較為理想的條式焊盤(pán)設(shè)計(jì)，過(guò)焊后焊錫高度保持在0.2﹢/-0.05 mm左右，從而保證PCB與彈片間緊密的配合。如圖10所示，為該案的實(shí)際PCB樣品。

圖10 PCB焊盤(pán)

于此同時(shí)，考慮彈片在批量加工時(shí)毛刺會(huì)在邊緣處不斷的生成，圖11的白色線位置，從而增加了接觸不良的風(fēng)險(xiǎn)，而毛刺隨著模具的磨損不斷增大，若設(shè)計(jì)時(shí)未完全考慮到毛刺帶來(lái)的影響，則會(huì)帶來(lái)產(chǎn)品的不良產(chǎn)生。按圖10的方式進(jìn)行實(shí)際組裝中，毛刺有幾率先接觸到PCB板的非焊盤(pán)區(qū)，從而使彈片接觸不到焊盤(pán)，造成接觸不良，或者無(wú)接觸，導(dǎo)致溫升不斷升高，從而引發(fā)一系列安全問(wèn)題。

圖11 彈片毛刺區(qū)域和錯(cuò)誤的彈片/PCB板配合區(qū)域

所以正確PCB焊盤(pán)的區(qū)域設(shè)計(jì)應(yīng)該是如圖12所示。當(dāng)彈片的邊緣有毛刺時(shí)，依然保證彈片與PCB板之間的電流導(dǎo)通。不會(huì)因?yàn)槊痰拇嬖诙斐僧a(chǎn)品輸入電氣的失效而引發(fā)的安全問(wèn)題，僅僅是局部毛刺部分作為導(dǎo)電區(qū)域，雖然安規(guī)并未對(duì)此進(jìn)行要求，但經(jīng)過(guò)我們不斷累積的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)表明，用此種方式的連接是最為可靠的。同時(shí)，在適配器的功率不斷增大的情況下，對(duì)彈片和PCB的接觸面的要求是越來(lái)越高，為了避免毛刺的影響整體接觸性能，我們還可以要對(duì)彈片的沖壓方向進(jìn)行規(guī)定，如圖13所示，規(guī)定毛刺方向朝內(nèi)，在開(kāi)模時(shí)，模具工程師即可在符合沖壓落料的方向進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而避免了毛刺。

圖12 正確的PCB焊盤(pán)區(qū)域設(shè)計(jì)

圖13 彈片的毛邊方向規(guī)定

3.4 彈片設(shè)計(jì)的安規(guī)爬電距離要求

爬電距離 creepage distance

沿絕緣表明測(cè)得兩個(gè)導(dǎo)電部件之間或者導(dǎo)電零部件與設(shè)備防護(hù)界面之間的最短路徑[5]。

從圖14中，我們可以看到在電壓達(dá)到250 V時(shí)，最小爬電距離為4 mm，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，爬電距離應(yīng)要比4 mm更大，才能保證安全。塑膠部分的絕緣等級(jí)需符合94V-0，所以爬電距離的解釋, 我們可以將其認(rèn)為是帶電部件到產(chǎn)品邊緣的最小距離，本案中，彈片背后需要設(shè)計(jì)絕緣肋骨擋墻，以增加絕緣距離。見(jiàn)圖15所示。其最小爬電距離 =1.35﹢4.3﹢0.8﹢1.6=8.05 mm，可以符合最小爬電距離的要求。這樣才能通過(guò)安規(guī)認(rèn)證。

圖14 最小爬電距離

圖15 彈片的內(nèi)部截面和彈片到外邊緣的爬電距離示意圖

至此,本案中的彈片端子的設(shè)計(jì)要點(diǎn)已經(jīng)研討完畢，安規(guī)并未對(duì)彈片的具體形狀做出規(guī)定，所以為配合不同結(jié)構(gòu)，彈片可以設(shè)計(jì)成多種多樣的形狀，以符合實(shí)際需要。在生產(chǎn)過(guò)程中，要結(jié)合安規(guī)在認(rèn)證過(guò)程中的電氣要求，材料的含量要求，以及模具的生產(chǎn)狀況加上潛在的失效分析,才能對(duì)彈片進(jìn)行正確的選材和設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

彈片端子是廣泛用于連接部件的配件，運(yùn)用正確的彈片材質(zhì)，成熟的結(jié)構(gòu)，合理的量化設(shè)計(jì)，使之符合正常的生產(chǎn)。接觸的良好與否直接影響整個(gè)產(chǎn)品的品質(zhì)，保證合理的彈片設(shè)計(jì)是保證整個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量的基礎(chǔ)，是電源適配器發(fā)展中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。通過(guò)其開(kāi)發(fā)階段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從源頭開(kāi)始進(jìn)行品質(zhì)考慮，以及優(yōu)化成熟的生產(chǎn)工藝即可以保證適配器在以后發(fā)展中有良好穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量。