彈片端子在電源適配器中的應用

江劍東

（廈門臺和電子有限公司 廈門 361006）

前言

現在消費產品款式千變萬化，隨著工業化進程的發展, 產品越做越小, 要求也越來越美觀、設計結構也越來越巧妙, 越來越多的產品在輕薄短小的設計理念中, 使得批量生產越來越要簡潔, 對于常規的電氣導通方法--導線連接法, 在電源適配器中因為成本偏高, 組立浪費人工, 不靈活美觀等缺陷, 被設計師們所詬病。而彈片導電連接發就是應這一潮流而生的,這種實用性的設計取代導致連接技術方法。目前設計師一般因產品不同的結構, 內部空間要求, 終端用途等，都會采用不同的彈片結構，以符合產品的需要，以達到產品設計的最終目的。如今電子產品已經充斥整個市場, 而電子產品采用的內嵌電池式,當電消耗殆盡都需要電源適配器對其進行補充電量。作為電子產品與交流電源的媒介體，電源適配器,擁有著巨大潛力市場, 于此同時，各個廠家也面臨著嚴峻的成本,質量,進度,安全等挑戰, 主要表現在提高生產效率和滿足終端產品的使用要求的同時,也要滿足安全使用規范以及客戶降低費用的要求。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, 其連接方式的質量直接影響著整個產品的安全、功能。作為AC接觸彈片, 其固定方式和電氣導通性就變得至關重要。

1 端子連接的原理及過程

端子通常采用沖壓成型, 由于制造簡單，且可根據產品的設計情況制成型式各異，成型簡單，故應用廣泛。彈片的制造一般來說應具有高的彈性極限、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。彈片在受載時產生的彈性變形，把機械能或動能轉化為變形能，而卸載后彈片的變形消失并回復原狀，將變形能轉化為機械能或動能。多數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力，只要在其彈性極限范圍內便會恢復其原形，這就是彈片的工作機能。

如圖1所示，材料的變形主要分為以下三個階段。

圖1 材料變形過程

2.1 第一階段-彈性變形階段

在這個階段中，材料再承受外力的后，當外力消除，材料可以回復原始形態。其中末端的過度區域可以視作為彈性極限區域，在設計彈片時，需要計算彈片在彎曲過程中所受的應力大小，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，這個階段是材料承受的應力超過其屈服點，當外力消除后，材料無法變回原始形態，而發生的物理變形。俗稱塑性變形。

2.3 第三階段-斷裂階段

如階段名稱，彈片材料會出現斷裂現象，因為材料的承受的應力超過材料的斷裂的屈服點，所以材料發生斷裂。

以上三個階段中，彈片設計都要保持材料所發生的外力保持在第一個階段。若發生于第二階段,則彈片會發生物理變形，彈片行程會變短,會引起在導通電路中出現INT現象，造成危險隱患。我們可以判定該階段為彈性失效階段，所以在做設計上時，需要計算其所承受的外力要低于其屈服點。

以下幾點是教科書對材料的常見物性的描述。

1）屈服點（σs）

材料在拉伸時，當應力超過彈性極限，即使應力不再增加，而材料仍繼續發生明顯的塑性變形，稱此現象為屈服，而產生屈服現象時的最小應力值即為屈服點。

2）屈服強度（σ0.2）

有的金屬材料的屈服點極不明顯，在測量上有困難，因此為了衡量材料的屈服特性，規定產生永久殘余塑性變形等于一定值（一般為原長度的0.2 %）時的應力，稱為條件屈服強度或簡稱屈服強度σ0.2。

3）抗拉強度（σb）

材料在拉伸過程中，從開始到發生斷裂時所達到的最大應力值。它表示鋼材抵抗斷裂的能力大小。與抗拉強度相應的還有抗壓強度、抗彎強度等。

4）伸長率（δs）

材料在拉斷后，其塑性伸長的長度與原試樣長度的百分比叫伸長率或延伸率。

5）屈強比（σs/σb）

鋼材的屈服點（屈服強度）與抗拉強度的比值，稱為屈強比。屈強比越大，結構零件的可靠性越高。

6）彈性極限

指金屬材料受外力(拉力)到某一限度時，若除去外力，其變形(伸長)即消失而恢復原狀，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，在彈片設計中，以上的參數是需要注意的，當我們選用材料時，需要對照對應的材料物性表進行選別，以使得我們的設計能進一步完善。

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力，絕大部分材料的機械性能以拉伸試驗獲得。一般金屬材質的彈片都能滿足改要求，但作為電氣連接部件的端子，對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，以免發生電極反應。目前AC插腳一般采用國標銅H59以上進行設計，為避免電極反應，彈片一般也采用含銅量的黃銅帶或者磷青銅帶。

綜合以上，實際生產中我們一般采用的常見材質見圖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用的彈性合金材料，其尺寸精度高、表面質量好、板形和性能優良。結合磷青銅板帶材的生產實際，高質量磷青銅板帶在生產中的關得到廣泛應用[2]。磷青銅C5191R-H具有良好的彈性，以及良好的經濟性，是作為彈片的良好基礎，所以本文采用此材料作為研究對象。

3 彈片作為電氣連接部件的設計要點

以開發一款終端產品為手機，符合通用要求的IEC-60950/60065，同時還要滿足作為電氣連接通用要求的IEC-60884的相關規定的電源適配器為例，其中連接方式，設計結構都有相關的規定。目前市場上的許多適配器都不符合安規要求，頻頻導致火災等生命財產損失，所以安全問題是作為充電器的第一重要的要求。而得到安規方面的認證，是對一個產品是否選用的直接指標。

3.1 安規對彈片端子的連接方式的規定

在端子設計過程中，工程師通常會想辦法通過各種結構對端子進行固定，若未申請安規方案的驗證的話，通常會遺漏IEC-60884（以下簡稱標準）對端子連接的一些特殊性要求。對于起承載部件及其連接，標準要求電氣連接應能如圖4方式設計，使得接觸壓力不用靠一般絕緣材料傳遞[3]。由于每個人對標準理解的不同，很多企業在設計時沒有深入的考慮到這項要求，最終頻頻導致產品的局部材料失效后發生火災等安全隱患。

按圖3所示，這是一種常見的缺陷情況，從圖中可知，兩片端子在連接時是靠中間的插銷鉚釘進行緊固,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，使用彈片會導通電流，由W=I2R的公式可得知，端子部位會產生溫升，而熱塑性塑料在溫升到一定溫度會發生軟化變形，從而使得端子鉚接部分會產生連接松動，造成鉚接不緊，從而更加導致接觸不良，使得電阻R加大，而加劇溫升上升，最終發生火災。解決這種問題，則必須對彈片鉚接方式的設計更改，鉚釘固定在連接片上不依靠熱塑性塑膠[3]。

圖3 錯誤的端子連接的要求[2]

從圖3中，得知端子作為連接件,鉚接出現上面兩種情況，都是安規所不允許的，這種設計隱藏了隱患，在產品出廠檢驗時無法檢測出，但再終端使用上有極大的風險。

所以設計時需考慮安規方面的要求，采用圖4方式，當塑膠在完全失效的狀態下，端子之間的緊度依然穩定，才能保證彈片連接的可靠性，使得整個產品符合安規要求。

圖4 正確的端子連接示意圖

3.1.1 實例產品簡介。

如圖5是我們正在開發的一款USB電源適配器，其中內部采用彈片端子連接輸入插腳與PCB之間進行導電，起到載流作用。

圖5 USB 電源適配器及其內結構

圖6是彈片端子內部連接結構圖，左圖是在設計結構中的如圖3的一種通病設計，與安規要求不符。當端子在鉚接后，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，端子就會出現松動，這種結構是無法通過安規認證的。所以需要更正成右圖方式，當塑膠受熱失效后，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的連接設計

如圖7所示當端子與金屬插腳確定鉚接方式后，便可以開始設計與PCB連接方式，其也是彈片的通用設計功能，設計時須預設與PCB板的干涉，其干涉量我們預計為0.565 1 mm。

圖7 PCB與彈片端子的連接界面示意圖

通過以上數據，我們可以通過公式反推彈片的受力情況。

根據C5191的物性表及以上資料，我們可以計算該彈片的所受的作用力。

所受的應力大小如下:

W=（b*H3*E*δ）/（4*L3）=4.8 N

注:彈片彈力的計算公式為：

式中：

b—彈片寬度，mm；

H—板材厚度，mm；

E—C5191的彈性系數，kg/mm2；

δ—變形量，mm；

L—彈片長度，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，應力大小僅為4.8 N，換算后得到F/a/b*H=0.71 kg/mm2遠遠小于其彈性極限的規定值（C5191的彈性極限為45 kg/mm2）。

如圖8所示，通過CAD受力模擬軟件，我們可以查看實時受力變形分析，用于驗證以上結果是否準確，從圖中可看出變形量以及所受的變形應力。理論與實際會有些偏差，但大體的目的已經達到。所以彈片端子按此尺寸進行設計便可以滿足生產需要。

圖8 CAD模擬受力形態分析

3.3 PCB匹配性設計

從圖9中，我們可以得到本案的電源適配器的相關信息。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，也就是說彈片需要在工作時負載0.3 A的電流。經過溫度功率公式W=I2R，彈片的電阻越大會造成溫升越高。

圖9 電源適配器的產品信息

式中：

R—電阻；

S—截面積；

L—長度；

ρ—電阻率。

其中ρ電阻率與圖2中的導電率有關，他們之間的換算關系如下：

在此案設計中，因為是研究彈片與PCB之間的接觸式設計，所以忽略其L的取值。

所以彈片與PCB之間的導電電阻R的取值多少與S有決定性關系，S越大，R越小。

所以在彈片設計上，我們要保證充分的接觸面積，減少彈片造成的溫升。為匹配PCB有可靠的電氣配合，避免接觸不良現象而引起溫升現象，PCB的接觸區域需要對彈片進行焊盤露銅設計，在PCBA波峰焊后，焊盤的該區域整體的尺寸會有錫量凸起,若焊盤過大，則造成錫量拱起過高，尺寸不易控制，實際生產則采用較為理想的條式焊盤設計，過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，為該案的實際PCB樣品。

圖10 PCB焊盤

于此同時，考慮彈片在批量加工時毛刺會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險，而毛刺隨著模具的磨損不斷增大，若設計時未完全考慮到毛刺帶來的影響，則會帶來產品的不良產生。按圖10的方式進行實際組裝中，毛刺有幾率先接觸到PCB板的非焊盤區，從而使彈片接觸不到焊盤，造成接觸不良，或者無接觸，導致溫升不斷升高，從而引發一系列安全問題。

圖11 彈片毛刺區域和錯誤的彈片/PCB板配合區域

所以正確PCB焊盤的區域設計應該是如圖12所示。當彈片的邊緣有毛刺時，依然保證彈片與PCB板之間的電流導通。不會因為毛刺的存在而造成產品輸入電氣的失效而引發的安全問題，僅僅是局部毛刺部分作為導電區域，雖然安規并未對此進行要求，但經過我們不斷累積的經驗和數據表明，用此種方式的連接是最為可靠的。同時，在適配器的功率不斷增大的情況下，對彈片和PCB的接觸面的要求是越來越高，為了避免毛刺的影響整體接觸性能，我們還可以要對彈片的沖壓方向進行規定，如圖13所示，規定毛刺方向朝內，在開模時，模具工程師即可在符合沖壓落料的方向進行設計，從而避免了毛刺。

圖12 正確的PCB焊盤區域設計

圖13 彈片的毛邊方向規定

3.4 彈片設計的安規爬電距離要求

爬電距離 creepage distance

沿絕緣表明測得兩個導電部件之間或者導電零部件與設備防護界面之間的最短路徑[5]。

從圖14中，我們可以看到在電壓達到250 V時，最小爬電距離為4 mm，在實際設計中，爬電距離應要比4 mm更大，才能保證安全。塑膠部分的絕緣等級需符合94V-0，所以爬電距離的解釋, 我們可以將其認為是帶電部件到產品邊緣的最小距離，本案中，彈片背后需要設計絕緣肋骨擋墻，以增加絕緣距離。見圖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。這樣才能通過安規認證。

圖14 最小爬電距離

圖15 彈片的內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計要點已經研討完畢，安規并未對彈片的具體形狀做出規定，所以為配合不同結構，彈片可以設計成多種多樣的形狀，以符合實際需要。在生產過程中，要結合安規在認證過程中的電氣要求，材料的含量要求，以及模具的生產狀況加上潛在的失效分析,才能對彈片進行正確的選材和設計。

5 結論

彈片端子是廣泛用于連接部件的配件，運用正確的彈片材質，成熟的結構，合理的量化設計，使之符合正常的生產。接觸的良好與否直接影響整個產品的品質，保證合理的彈片設計是保證整個產品的質量的基礎，是電源適配器發展中的一個重要環節。通過其開發階段的結構設計，從源頭開始進行品質考慮，以及優化成熟的生產工藝即可以保證適配器在以后發展中有良好穩定的產品質量。