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摘要：为了解电子设备连接器在不同电气过载情况下的异常升温随时间的变化情况，以便分析在不同过载电流下的增温速率以及到达产品运行允许的最高温度的时间，制定一套完整的试验方案。用步入式高低温实验室模拟产品的使用环境，按正常使用条件安装产品；通过恒流电源输出稳定电流并控制电流大小，以控制流过电子设备连接器过载电流的大小；用高精度温度巡检仪测量不同过载电流下电子设备连接器表面达到最高允许温度时所需的时间。对温度升高的速率进行分析，得到不同电流下的速率变化曲线，绘制出相对于时间的最大过载电流曲线。研究结果能够为产品设计提供参考。
关键词：电子设备连接器；异常升温；升温速率；过载电流曲线
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ＧｏｎｇＪｉｅｗｅｉ，ＷａｎｇＺｈａｏｙｕ，ＹｕｅＢａｏｑｉａｎｇ，ＳｈａｏＪｉｅｍｉｎ
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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｔｈｅａｂｎｏｒｍａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｉｓｅｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｅｑｕｉｐｍｅｎｔｃｏｎｎｅｃｔｏｒｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｏｖｅｒｌｏａｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｗｉｔｈｔｉｍｅａｎｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｗａｒｍｉｎｇｒａｔｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｖｅｒｌｏａｄｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｔｈｅｔｉｍｅｔｏｒｅａｃｈｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔ，ａｃｏｍｐｌｅｔｅｔｅｓｔｐｒｏｇｒａｍｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅｓｔｅｐｈｉｇｈａｎｄｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｌａｂｏｒａｔｏｒｙｉｓｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｈｅｓｅｒｖｉｃｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｏｆｐｒｏｄｕｃｔｓ，ｐｒｏｄｕｃｔｓａｒｅｉｎｓｔａｌｌｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｎｏｒｍａｌｕｓｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ；ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｃｏｎｓｔａｎｔｃｕｒｒｅｎｔｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｏｕｔｐｕｔｓｔａｂｌｅｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｉｚｅｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｏｖｅｒｌｏａｄｃｕｒｒｅｎｔｆｌｏｗｉｎｇｓｉｚｅｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｄｅｖｉｃｅｃｏｎｎｅｃｔｏｒ；ａｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｏｎｉｔｏｒｉｓｕｓｅｄｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｔｉｍｅｒｅｑｕｉｒｅｄｆｏｒｔｈｅｃｏｎｎｅｃｔｏｒｓｕｒｆａｃｅｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｅｑｕｉｐｍｅｎｔｔｏｒｅａｃｈｔｈｅｍａｘｉｍｕｍａｌｌｏｗａｂｌｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｖｅｒｌｏａｄｃｕｒｒｅｎｔｓ．Ｔｈｅｒａｔｅｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｉｓｅｉｓａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅｒａｔｅｃｕｒｖｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｕｒｒｅｎｔｉｓｏｂｔａｉｎｅｄ，ａｎｄｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｏｖｅｒｌｏａｄｃｕｒｒｅｎｔｃｕｒｖｅｒｅｌａｔｉｖｅｔｏｔｉｍｅｉｓｄｒａｗｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｐｒｏｄｕｃｔｄｅｓｉｇｎ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｅｑｕｉｐｍｅｎｔｃｏｎｎｅｃｔｏｒ；ａｂｎｏｒｍａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｉｓｅ；ｈｅａｔｉｎｇｒａｔｅ；ｏｖｅｒｌｏａｄｃｕｒｒｅｎｔｃｕｒｖｅ
０引言
进入２１世纪以来，科学技术在全球呈现出大爆炸的发展态势。随之而来的是各种电子设备的大量研发和不断深入到现代社会的各个方面。特别是近年来，我国信息技术的高速发展，其水平已经与国际接轨，甚至处于世界领先水平。电子设备智能制造已成为我国电子制造产业的重要组成部分［１］。然而，技术的高速发展必然要求行业向着高质量发展转型，产品的安全性和可靠性越来越成为行业关注的焦点问题。目前，电子信息工程的发展已经成为科技发展的关键。各种电子设备广泛应用于生活、工程管理、农业、交通运输、教育、航空航天、军事国防等领域，因此产品的安全性和可靠性就显得尤为重要［２－３］。电子设备整体的安全性和可靠性必然离不开每一个组成部分的安全性和可靠性。
电子设备运行过程中的发热问题是目前产品设计中绕不开的话题之一，如何降低产品使用过程中的温度甚至成为产品性能优良的关键［４］。然而电子设备在运行过程中一旦发生过载其发热量将会成倍增加，电子设备过载运行是指在设备运行过程中电路中产生了高于正常工作时的过载电流［５］。一旦过载电流超过一定的界限且不能及时切断过载电流，则有可能对电路中其他设备甚至是整个电子设备造成损坏［６－７］。
本文将通过试验模拟在实际使用过程中电子设备连接器电路中突然产生不同额定电流倍数的过载电流时的情况，当流过的过载电流不断增大时，电子设备连接器的温度将会急剧增加。当温度达到最大允许电流时，应当及时切除电路中的电流。试验中实时监测流过这些电流时电子设备连接器的温度变化情况，并分析采集的温度变化数据，得到相应的结论并用于同类产品的开发设计，从而在产品中设计当达到电子设备连接器所能允许的最大温度时对整个电路系统采取相应的保护措施，进而保证电子设备的安全可靠运行，同时提高整个系统运行的安全性和可靠性。研究结果可为产品的设计提供可靠的技术支撑。
１电子设备连接器的电气过载试验
１．１试验目的
本试验旨在制定一个标准来评估电子设备连接器在有限的时间内流过过载电流的性能［８］。本试验测试过程基于测量在一定时间内过载电流流过连接器时产品预期的温度变化。指定过载电流为额定电流的整数倍，测量在相应电气过载电流施加期间的产品温度。进而通过对试验数据的处理计算出在有限时间内连接器通过过载电流而不至使触点损坏的倍数。
１．２试验方法
将３个产品串联通以过载电流，过载电流调整为产品说明中规定的额定电流整数倍。过载电流施加一段时间，当温度达到产品规定的温度上限时，立即停止通电，完成一次过载电流试验。在下一次试验时应将产品温度恢复至环境温度，然后再进行通电试验［８］。
１．２．１试验环境
进行试验时应防止受外来非正常加热和冷却的影响，产品所处的环境条件应是不受阳光照射或其他热辐射影响并且无外来气流的关闭的房间内。本研究在容积为３ｍ×４ｍ×５ｍ的步入式高低温试验室中进行，高低温试验室的容积远大于试验对象的体积，在样品温度达到稳定后通电。可以很好地满足测试过程中对环境条件的要求［９］。
１．２．２试验电源
试验电流值应保持稳定，因为电器导体的电阻损耗功率Ｐ＝Ｉ２Ｒ，即与电流值的平方成正比，所以试验电流的波动对电器温升会产生很大的影响。电流不稳定主要是受电源电压波动和电路与试品发热的影响［１０］。为保持电流稳定，本文采用的是具有自动稳流功能的电源装置，且通电时间不会太长，因此可以基本忽略电流不稳定对试验结果的影响。
１．２．３温度的测量
（１）温度计测量
温度计的优点是构造简单、价格便宜；缺点是读数不便、热惯性大且易损坏。由于温度计必须放置在被测点的表面，以测量该点的最高温度，因此只能在被测部位有足够大的触及面积且可以紧密接触，同时其温度也不会因温度计的存在而发生明显变化，并且不会破坏被测试品正常工作位置的情况下使用［１１］。
（２）热电偶测量
热电偶具有尺寸小、便于放置、热惯性小、对被测点温升影响小、制造和使用方便等优点，在电器温度测试中被广泛使用［１１］。
对比两种测温方案的优缺点，本文采用热电偶测量的方法，以保证测试结果的精确性。
两种不同金属导体Ａ和Ｂ两端连接起来构成闭合回路，这种结构称为热电偶。若使两连线端１和２具有不同的温度ｔ和ｔ０时，如图１所示，这一回路中便会产生热电动势。
如果ｔ＞ｔ０，将温度较高的连接端１称为热端，温度较低的连接端２称为冷端，回路中产生的热电动势［１２］可表示为：
式中：ｅＡＢ（ｔ）和ｅＢＡ（ｔ０）分别为热端和冷端产生的电动势，分别为温度ｔ和ｔ０的函数；下标Ａ、Ｂ表示导体间电动势方向由导体Ａ指向导体Ｂ，若Ａ、Ｂ顺序更换，则电动势符号也相应改变，故式（１）可改写为：
如果保持冷端的温度ｔ０不变，则ｅＢＡ（ｔ０）为一常数Ｃ，因而ｆ（ｔ０）＝Ｃ，所以：
因此，根据式（３），可以看出热电偶产生的热电动势只随热端温度的变化而变化，即一定的热电动势对应着一定的温度，因此可以把温度的测量转换为热电动势的测量。
常用的热电偶测温线路有两种：一种是冷端放在空气中，直接把两种不同金属的两个端头接到电位差计两端；另一种是在热电偶测量线路中再反接串联一个相同的热电偶，并将串联的热电偶冷端置于保温瓶内的冰水混合物中，如图２所示。
１．３试验过程
过载电流承载能力受多种属性的影响，并受到触点、镀层、端子、外壳等的最大允许温度的限制。电流过载下的最大温升ｔｂ可以通过式（４）计算［８］。
式中：ｔｕ为连接器根据详细规格的温度上限；ｔｅ为连接器周围环境在应用中的最大允许环境温度。
因电子设备连接器的额定电流、过载电流倍数、使用中的温度上限及在使用中的最大允许环境温度等具体技术指标会在相应的产品技术资料中详细说明，本文不做具体分析。
１．３．１试验前准备
试验前将电子设备连接器放入步入式高低温试验室中不少于２４ｈ，以便产品适应试验室的环境温度。在试验开始前先运行步入式高低温试验室，使试验室内环境温度达到试验要求的环境温度［１３］。
１．３．２试验设备
（１）供电电源：是否能准确输出所需的电流以及输出电流的稳定性是试验结果准确与否的一个关键因素［１４］。因此，选用具有自动稳流功能的电源装置电动调节电流。电流调节越快且电源稳定性越好，试验结果的准确性越高。
（２）步入式高低温试验室：实现对环境温度的控制，保证在电子设备连接器最大允许环境温度下进行试验。
（３）温度巡回检测仪：实时采集热电偶产生的热电动势，并通过采集模块内部处理测量电子设备连接器待测点的温度，设备实时采集，快速记录，准确度高。
（４）电流互感器＋交流数字电流表：用以监测试验过程中电流的波动情况。
１．３．３试验过程
在规格为５０ｍｍ２，２５０Ａ和７０ｍｍ２，３１５Ａ的样品上进行试验，样品制作采用相同的工艺，铜排铜含量９９．９％，表面镀镍５～２０μｍ，焊接工艺为银钎焊接，截面积分别为５０、７０ｍｍ２。产品技术指标：温度上限为１２５℃，使用中的最大允许环境温度为６０℃，过载电流分别为额定电流的２倍、３倍、４倍、５倍和６倍。
按照要求，每组试验将３个电子设备连接器样品串联进行试验，在样品连接中要注意尽量保证样品处于自由状态，保证软连接部分和焊接部分不经受额外的力以防止对试验结果造成影响。将试验样品安装至步入式高低温试验室时，要注意电子设备连接器与步入式高低温试验室壁要保持一定的距离，以减少步入式高低温试验室壁的辐射热和温度的不均匀性对测试结果造成影响。样品布置如图３所示。
试验时设置步入式高低温试验室温度为６０℃，运行一段时间待试验样品的温度达到环境温度且步入式高低温试验室内温度稳定后通以相应的过载电流，测量样品温度到达１２５℃的时间。试验过程中要关注电流的变化情况，防止电流波动太大。完成一个过载电流试验后，进行第二个过载电流试验前，要保证样品和步入式高低温试验室内的温度重新到达初始温度（６０℃）且稳定后再通电进行试验。重复完成６个过载电流试验，记录试验数据。
２电子设备连接器的电气过载试验结果及分析
２．１试验结果
试验过程中用温度巡检仪连续采集电子设备连接器的温度变化情况，每１ｓ记录一个温度数据。各过载电流下电子设备连接器到达允许最高温度的时间如表１～２所示。由于篇幅限制，试验过程中采集的数据在这里不再赘述，根据采集的数据绘制温度随时间和电流的变化和相对于时间的最大过载电流，分别如图４～７所示。
２．２试验结果的分析与应用
对温度随时间和电流变化图中的曲线进行拟合，图４中过载电流为５００、７５０、１０００、１２５０、１５００Ａ时，温度随时间的函数分别如下所示。
式中：Ｔ１为过载电流为５００Ａ时连接器的温度；Ｔ２为过载电流为７５０Ａ时连接器的温度；Ｔ３为过载电流为１０００Ａ时连接器的温度；Ｔ４为过载电流为１２５０Ａ时连接器的温度；Ｔ５为过载电流为１５００Ａ时连接器的温度；ｔ为过载电流持续的时间。
图６中过载电流为６３０、９４５、１２６０、１５７５、１８９０Ａ时，温度随时间的函数分别如下所示。
式中：Ｔ６为过载电流为６３０Ａ时连接器的温度；Ｔ７为过载电流为９４５Ａ时连接器的温度；Ｔ８为过载电流为１２６０Ａ时连接器的温度；Ｔ９为过载电流为１５７５Ａ时连接器的温度；Ｔ１０为过载电流为１８９０Ａ时连接器的温度。
通过计算可以得出规格为５０ｍｍ２，２５０Ａ的电子设备连接器和规格为７０ｍｍ２，３１５Ａ的电子设备连接器在过载电流为２倍、３倍、４倍、５倍、６倍额定电流时的平均升温速率，具体如表３所示。由表可知，不同规格的电子设备连接器在过载电流为额定电流相同倍数的情况下，５０ｍｍ２、２５０Ａ的升温速率是７０ｍｍ２、３１５Ａ的２～３倍，铜排的截面积对升温速率有一定影响。对于同一规格的电子设备连接器在不同的过载电流下随着过载电流的增大，增温速率也成倍增加。当过载电流为３倍额定电流时，两个样品的增温速率分别为２倍额定电流时的１．５１倍、１．４０倍，过载电流为４倍额定电流时增温速率分别为２倍额定电流时的２．２９倍、２．０７倍，过载电流为５倍额定电流时增温速率分别为２倍额定电流时的４．１７倍、４．５３倍，过载电流为６倍额定电流时增温速率分别为２倍额定电流时的５．９７倍、６．９３倍。升温速率随着过载电流相对于额定电流的倍数增加具有一定的相关性，在企业不具备大电流试验设备的情况下可以通过小倍数过载电流时的升温速率进行相应的估算，但考虑到产品设计的安全性和可靠性最好是进行全部过载电流试验。
通过运用相对于时间的最大过载电流图，可以在电子设备连接器的使用过程中通过对电路中电流的监测确定电子设备连接器的过载情况，进而根据相对于时间的最大过载电流图得到相应过载电流下最大允许通电时间。在电路设计和保护中可作为保护器件动作时间整定值的重要参考之一，避免因为线路长期过载造成设备损坏和发生危险。
同时，通过分析两个规格产品的试验结果，可知不同规格的产品其过载电流和最大允许时间与产品的规格之间不具有明显的相关性。因此，对于不同的电子设备连接器最好分别进行试验，验证其过载性能以便为产品的设计提供技术支撑。
３结束语
本文主要介绍了电子设备连接器过载试验的试验目的、试验方法及试验过程中相关试验设备的使用以及在试验过程中应注意的事项。进行了相关试验，主要得出以下结论：（１）当过载电流维持在２倍额定电流时电子设备连接器的温度不会超过最高允许温度，因此２倍额定电流的过载电流可作为一个安全的过载电流考虑，可作为分析高倍过载电流的一个参考；（２）在推荐的额定电流系列中相邻额定电流的产品，小电流的电子设备连接器的增温速率是大电流的２～３倍，这与随着额定电流的增大铜排的尺寸也相应增加有着密不可分的关系。因此在成本可控的情况下可适当增加电子设备连接器的载流面积以保证使用中的安全性。由同一规格的电子设备连接器的试验结果可知，当过载电流维持在低过载电流（４倍额定电流以下）时增温速率是过载电流与２倍额定电流的过载电流之比，但当过载电流维持在高过载电流（４～６倍额定电流）时是过载电流与２倍额定电流的过载电流之比的２倍，因此要特别注意电子设备连接器出现高过载电流时的安全性，因为产品会在几十秒之内就到达最高允许温度，如不及时采取措施容易发生危险。研究结果可为后续电子设备连接器的过载试验、应用以及电子设备的设计提供一定的参考。
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