制造业信息化机电工程技术2016 年第45 卷第10期DOI:10.3969/j.issn. 1009-9492.2016.10.021电子连接器温升仿真分析*杨志坚，郑泰山，余 宁，蔡 川（广东省机械研究所，广东广州 510635）摘要：基于电子连接器各部件表面特征复杂，提出将表面换热系数作为未知量，通过CFD的有限体积法去求解连接器的温升，利用ICEPAK软件对一个电子连接器实例进行温升仿真分析，同时辅以Q3DExtractor计算连接器端子的体积电阻，最后进行温升实验测试验证仿真分析方法有效性。关键词：连接器；温升；ICEPAK；仿真分析中图分类号：TP391.9文献标识码：A文章编号：1009－9492(2016) 10－0080－05TemperatureRiseSimulationofElectronicConnectorYANGZhi-jian，ZHENGTai-shan，YUNing，CAIChuan（GuangdongMachineryResearchInstitute，Guangzhou510635，China）Abstract: Baseonthecomplexsurfacefeaturesofelectronicconnectorcomponents，thispaperproposedthatconsideredthesurfaceheattransfercoefficientasunknown，usedthefinitevolumemethodofCFDtosolvetheconnectoronthetemperaturerise，anelectronicconnectorcaseanalysisusingICEPAKsoftwaresimulation，supplementedbyQ3DExtractortocalculatethevolumeresistanceofconnectorterminals，finallycarriedonatemperaturerisetesttoverifythissimulation method.Keywords: connector；temperaturerise；ICEPAK；simulation 0 前言析可以大大缩短电子连接器产片的研发周期，减电子连接器 （也常被称为电路连接器、电连少产品研发失败成本 （如模具）。

接器），将一个回路上的两个导体桥接起来，使得目前在连接器热仿真分析方面前人做了大量[1-3] 电流或者讯号可以从一个导体流向另一个导体的的研究工作 ，但采用的分析方法均为有限元 导体设备。它广泛地应用于各种电气线路中，起（FEA）的稳态导热求解，其中自然对流的对流换 着连接或断开电流或者信号的作用。这种连接可热系数作为假定已知量输入计算。虽说此方法比 能是暂时并方便随时插拔的，也可能是电气设备较快速简化，但其准确性很大程度取决于人为控 或导线之间永久的结点。电流通过导体自身的体制的经验参数。本文提出通过CFD的有限体积法 积电阻和接触部的接触电阻而产生的焦耳热积聚去求解连接器的温升，此方法可以同时求解温度 使电子连接器产生温升。当今3C产品如电脑的大场、流场及热辐射，将表面换热系数作为未知量 功率化、手机的轻薄化和大电池容量都对电子连求解，得到的连接器温升值将会更贴近实际的情 接器的温升性能提出更高要求，作为零部件的电况。本文使用ICEPAK软件仿真分析电子连接器 子连接器的温度过高会影响到设备的总温升，长通电流达到热平衡后的温度场、流场及热辐射， 时间使用容易造成手感发烫、死机和重启的不良同时辅以Q3DExtractor软件仿真分析连接器导体 状况。

电子连接器通电流温升测试往往是产品的的体积电阻。 验证和确认，而对于研发初期的性能预测以及设1 电子连接器组成及其实例 计优化则要依托于软件的仿真分析，通过仿真分电子连接器由绝缘塑胶本体、铁壳、金属端 *广东省省级科技计划项目 （编号：2015A030401078） 收稿日期：2016－10－0880 万方数据杨志坚 等：电子连接器温升仿真分析制造业信息化 子 （导体）组成，一般以公头母座配插的方式装（2）公母端子间、端子与塑胶、塑胶与铁壳 配。本文以DCPowerJack连接器 （见图1所示）接触部位进行热传导。根据能量守恒定律和傅里 为实例进行仿真分析研究，DCPowerJack连接器叶定律得到三维、稳态、常物性导热微分方程如 主要应用于电子消费产品的电源传导，如Note⁃下：∙ book/Docking/Mobile/PDA等。此连接器的母座电2 2 2 Φ∂t ∂t ∂t（2）+ + + =0 源端子和接地端子均为2个端子并联 （见图2所∂x ∂y ∂z λ 示），减少了通过单个端子的电流去降低温升。其中：t——温度，单位为K；Φ̇ ——单位体积生成热，单位为W/m ；3λ——导热系数，单位为W/(m·K)。

（3）连接器端子、塑胶、铁壳接触空气表面进行对流换热，因传热过程无风扇等外力推动，由温度场的不均匀引起的空气流动，所以为稳态的自然对流换热。对流传热的基本计算式是牛顿冷却公式：Φ=hAΔt（3）其中： ——热流率，单位为W；Φh——表面换热系数，单位为W/(m ·K)2△t——壁面温度与流体温度的温度差，单位图1 DCPowerJack连接器3D图为K。影响对流换热关键的表面换热系数主要由几何表面特征及流场特性确定，因为连接器的塑胶作为容纳端子的主体，其多孔的结构使得表面特征复杂，而端子、铁壳表面也是复杂表面，空气在温度场不均匀的驱动下流经这些表面，是一个复杂多变的过程，如果取表面换热系数为常量的经验值就与实际情况有很大差别。为此本文提出表面换热系数应当作为未知量，通过流场和温度场去联合求解电子连接器温升。（4）端子、塑胶、铁壳、空气之间因温度差图2 DCPowerJack连接器端子图产生的热辐射换热。两个物体间热辐射净热量传 2 电子连接器温升相关理论递可以用斯蒂芬-玻尔兹曼公式计算：4 4Φ=εσA F (T -T )（4）电子连接器通电流达热平衡后的传热机理主1 12 1 2其中： ——热流率，单位为W；Φ 要包括以下几个方面。

（1）连接器导体(端子)通电流后成为发热源，ε——热辐射率，其中0热辐射率1； 根据焦耳定律有：σ——斯蒂芬-玻尔兹曼常数，其值为5.67×-8 2 4Φ=I R2（1） 10 W/(m ·K)；A ——辐射面1的面积，单位为m ；12其中： ——热流率，单位为W；ΦF ——从辐射面1到辐射面2的形状系数；I——通过导体电流，单位为A；12T ——辐射面1的绝对温度，单位为K;1R——导体电阻，单位为 。ΩT ——辐射面2的绝对温度，单位为K。2对于连接器电阻包括了导体自身的体积电阻电子连接器器温升过程无风机外力参与，属 和导体间的接触电阻。81 万方数据 制造业信息化机电工程技术2016 年第45 卷第10期 于弱对流换热，因此热辐射不能被忽略，否则仿（3）接触电阻 真分析的结果会比实际偏高。连接器的接触电阻是由于弹性可分离接触界 3 仿真分析模型及参数设置面产生的额外电阻，其与弹片的接触形态、正向（1）材质参数和分析条件力、接触面积、表面镀层厚度及材质相关 （见图DCPowerJack连接器各部件的材质参数见表4）。正向力越大、接触面积约大、表面镀层越厚 1，按设计要求通极限电流为：电源端子通7A电则接触电阻越小 （见图5），另表面镀层为良导体 流，作为回路的接地端子同样通7A电流，侦测（如金、银）也有利于降低接触电阻。

因接触电阻 端子通1A电流。连接器的温升不超过30℃ （连影响因素较多，机理复杂，仿真方法求解接触电 接器通电流达到热平衡后与环境温度的差值）。阻的适用范围太窄，本文采用以往的实测经验进行预估。根据相似产品良好接触和良好电镀的经表1 材质参数验，端子接触区宽度大于0.2mm，接触区镀金大μ密度 比热容 导热率 导电率于15 ，接触正向力大于50 gf，接触电阻为 部件 材料32～3mΩ，本文按良好接触和良好电镀情况，并kg/m J/(kg·K) W/(kg·K) %留一些分析裕量，取接触电阻为3mΩ。 端子 C2680 8470 343 120 24% 铁壳 SPCC 8000 502 14.6 2.6% 塑胶 LCP 1700 1350 0.395 -（2）连接器端子的体积电阻仿真分析电子连接器的导体——端子一般由铜材冲压 而成，形状复杂难以直接计算体积电子，因此本 文使用电磁场仿真软件Q3DExtractor去求解端子 的体积电阻，求解模型见图3，求解结果见表2。图4 连接器接触电阻示意图（4）电子连接器温升仿真分析模型建立电子连接器温升仿真分析模型的步骤如下。

1）导入3D图档并建立模型中各个部件的实体，加入PCB，设置合理大小的空气盒，并设置空气盒的所有面为open边界，见图6。2）分别设置各部件的材质参数，以及各个部图3 Q3DExtractor去求解端子的体积电阻模型件的表面辐射材质。表2 连接器各端子的电流、电阻和发热功率3）输入各个端子的发热功率，见表2。4）划分整个模型网格，网格类型为Hexaun⁃电流 体积电阻 接触电阻总电阻 发热功率 部件 A ΩΩΩWstructured，本例的单元数为954 874，节点数为973577。 电源端子 7 0.001798 1 0.003 0.004798 1 0.23510695）求解参数设置：设置为层流，因为是自热 接地端子 7 0.0023050 0.003 0.0053050 0.2599450对流，需设置重力方向，打开辐射计算选项，设 侦测端子 1 0.005 1934 0.003 0.008 1934 0.008 1934置环境温度为25℃。82 万方数据杨志坚 等：电子连接器温升仿真分析制造业信息化6）运算求解。4 仿真分析结果与实验测试结果对比（1）电子连接器温升仿真分析结果仿真分析结果温度云图如图7，环境温度设置为25 ℃，由于热积聚效应最高温度出现在连接器靠中部通7A电流的两个电源端子，最高温度为45.85℃，温升为20.85℃。

（2）实验测试结果为验证此连接器温升图5 正向力与接触电阻关系图仿真分析结果，进行实物温升实验，实验条件：连接器置于恒温箱中，在两组电源端子和两组接地端子靠近接触部布热电偶测温点，测温线引到箱外数据采集系统，实时采集各测温点数据，实验结果见图8。实验测试最大温升为21.79℃，分析结果对比实验结果的误差为4.31%，考虑到模型与实际产品的差异、材质参数差异、测试误差等因素，此分析与图6 DCPowerJack连接器在ICEPAK中的模型图实验误差在可接受范围，图7 仿真分析温度云图83 万方数据 制造业信息化机电工程技术2016 年第45 卷第10期此温升仿真分析方法应用于电子连接器足够准确有效。参考文献：［1］文艺. 电连接器温度场数值分析研究 ［D］. 天津：河北工业大学，2012.［2］李志博，朱玛，张高峰.ANSYS在电连接器温升分析中的应用［J］. 计算机应用与软件，2011，28 （5）：190-192.［3］许成彬，潘骏，陈文华，等.高温电连接器有限元热分析与接触件插拔试验 ［J］. 工程设计学报，2015，22 （3）：250-255.图8 实验测试数据［4］杨世铭，陶文铨.传热学 ［M］.北京：高等教育出版社，2006. 分析结果有效。

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