고전류 단자로 조립 시간과 전력 손실을 줄이면서 전력을 안전하게 공급하는 방법

산업 시스템 설계자는 효율성을 달성하기 위해 전자 제어를 점점 더 많이 활용하고 있습니다. 전자 제어 사용과 함께 공간을 줄이고 비용을 절감하기 위해 더 작은 폼 팩터가 필요해집니다. 그러나 폼 팩터가 축소되면서 설계자는 고전력 연결과 관련된 문제에 점점 더 많이 부딪히게 됩니다. 고전류 PC 기판 커넥터와 전력선은 두껍고 견고한 연결이 필요하므로 디지털 전자 장치와 같은 비율로 축소할 수 없습니다. 또한 이러한 고전류 연결점은 표면 실장이나 스루홀 등의 PC 기판 제조 공정에 적합해야 합니다. 이러한 문제를 해결하는 한편 빠듯한 예산도 관리하고 출시 시간도 단축해야 합니다.

이러한 요구 사항을 충족하기 위해 고전력 전자 장치 개발자는 PC 기판 고전력 단자와 해당 조립을 설계하고 선택할 때 세심한 주의를 기울여야 합니다. 또한 고전류 단자는 견고한 납땜 연결을 보장하기 위해 조립 시간이 추가로 필요할 수 있습니다.

이 기사에서는 고전력 단자와 관련된 문제를 간략하게 설명합니다. 그리고 고전력 PC 기판 설계자가 특수 고전류 PC 기판 단자를 활용할 수 있는 방법을 보여줍니다. Würth Elektronik의 솔루션을 예로 사용하여 적절한 단자로 시스템 간에 고전류를 안정적으로 제공하는 방법과 자동 조립 시간을 단축하면서도 기계적 안정성을 높이고 연결 저항을 크게 낮추는 방법을 설명합니다.

단자로 인해 전력 손실이 발생하는 이유

산업 시스템 설계자는 종종 수백 암페어 범위의 고전류를 공급하고 제어해야 합니다. 시스템에 전력을 공급하는 고전류 단자는 디지털 제어 전자 장치와 같은 PC 기판에 있는 경우가 많습니다. 제어 반도체가 고집적화됨에 따라 PC 기판의 면적이 감소하고 있습니다. 이와 같은 폼 팩터 축소로 고전력 전자 장치 설계자에게 세 가지 문제가 생깁니다.

첫 번째 문제는 PC 기판 전자 장치에서 온도, 습도, 가스 측면의 극한 환경을 고려하는 것입니다. 연결의 기밀이 확실하지 않으면 산업 공정의 결과로 발생하는 가스가 고전류 연결을 산화하거나 부식시켜 연결 효율이 떨어지므로 전력 손실이나 장비 오작동으로 이어질 수 있습니다. 이러한 문제는 진단하기 어려울 수 있고 아주 세심한 육안 검사로도 감지하지 못할 수 있습니다.

두 번째 문제는 고전력 연결의 효율성을 해결하는 것입니다. 전력 레벨이 높아지면 연결 저항이 아주 조금만 증가하더라도 전력 손실이 발생하고 열이 현저하게 증가할 수 있습니다. 옴의 법칙에 따르면 25.0A 단자에서는 납땜 이음 불량으로 0.050Ω에 불과한 저항이 발생해도 해당 이음부에서 (25.0² x 0.050) = 31.25W의 손실을 초래할 수 있습니다. 손실 외에도 생성된 열로 주변 전자 장치의 수명이 줄 수 있습니다. 최악의 경우 열 때문에 화상이나 화재가 발생할 수 있습니다.

세 번째 문제는 고전류 단자가 PC 기판을 조립하는 데 사용되는 제조 방법과 호환되는지 확인하는 것입니다. 대규모 PC 기판 제조를 위해 모든 부품의 표면 실장이 선호됩니다. 스루홀에 비해 표면 실장 조립은 조립 시간을 줄이는 동시에 인건비를 낮추고 품질을 유지하는 데도 유리합니다. 그러나 표면 실장 PC 기판 단자는 개별 단자의 전류 용량이 제한됩니다. 스루홀 리플로 PC 기판 단자는 표면 실장보다 많은 전류를 쉽게 전달할 수 있고 기계적 안정성이 매우 뛰어납니다. 그러나 스루홀 또는 혼합 PC 기판 조립 라인은 표면 실장과 비교해 작업 영역이 2배 더 필요하고 인력과 조립 시간이 추가될 수 있으므로 더 비싼 조립 방법입니다.

조립 공정과 관계없이 품질을 유지해야 하므로 조립 라인에서 오류를 줄이는 데 중점을 두어야 합니다. 이와 관련하여 스루홀은 단자의 특성상 리플로 납땜 공정 중에 단자가 튀어나올 가능성이 더 적으므로 고전류 단자로 더 적합할 수 있습니다. 표면 실장 고전류 단자에는 더 큰 실장 면적이 필요하므로 납땜 패드 전체에 납땜 페이스트를 고르게 도포하는 것이 중요합니다. 고르지 않으면 납땜 리플로 도중 패드가 고르지 않게 가열되어 단자 한쪽 끝이 상승하여 표면 실장 부품의 툼스톤 현상이 발생합니다.

전력 효율이 높은 고전류 단자

고전류 단자의 잠재적인 문제를 해결하기 위해 Würth Elektronik은 고전류를 지원하고 유연한 제조 옵션을 제공하는 REDCUBE 단자 제품 라인을 개발했습니다. 해당 단자는 높이가 낮아 주변으로 열을 더 빨리 방출할 뿐 아니라 인접 영역으로 더 많은 공기가 흐르게 할 수 있으므로 주변 전자 장치의 냉각 기능을 향상시킵니다. REDCUBE 단자는 아주 낮은 납땜 접합 저항을 위해 사용하도록 설계되었으므로 전력 손실이나 열 발생이 거의 없이 최대 500A를 공급할 수 있습니다.

이 제품 라인은 표면 실장, 스루홀 리플로 및 압입식 PC 기판 제조 공정을 지원합니다. 따라서 산업 시스템 PC 기판 설계자가 단일 제조업체의 단자로 표준화하여 다양한 제조 공정 중 단자를 육안으로 쉽게 식별하고 더 간편하게 구매할 수 있습니다.

표면 실장 고전류 단자

표면 실장 장치(SMD) PC 기판 제조에 호환되도록 하기 위해 설계자는 Würth의 REDCUBE SMD 산업용 단자 제품군을 사용할 수 있습니다. 해당 단자는 완전 자동 표면 실장 조립을 지원하는 한편 열 발생이 최소인 점도 두드러집니다. 이 단자는 전기 기판 간 연결에 최대 85A를 지원합니다.

예로 드는 장치 7466003R은 M3 나삿니를 포함하고 20°C에서 정격 전류가 50A입니다(그림 1). 이 단자의 실장 면적은 지름 8.3mm로 작습니다. 실장 면적이 원형이므로 단자의 고른 무게 분산을 통해 툼스톤을 줄이고 납땜 페이스트를 입힐 수 없는 날카로운 모서리를 없애 제조 수율을 향상합니다. REDCUBE SMD 7466003R의 본체는 주석 도금된 견고한 황동으로 제작되며 -55°C ~ +150°C의 온도에 적합합니다.

그림 1: REDCUBE SMD 7466003R 산업용 단자는 실장 면적이 8.3mm로 작고 최대 50A를 안전하게 공급할 수 있습니다. 주황색 마일라 탭이 부착된 상태로 제공되며, 표면 실장 PC 기판 배치 전에 자동 픽 앤 플레이스 장비에서 이 탭을 제거합니다. (이미지 출처: Würth Elektronik)

열을 줄이면서도 최상의 연결을 제공하려면 M3 나삿니를 역시 주석 도금된 나사 및 단자에 결합하는 것이 좋습니다. 따라서 7466003R은 대부분의 전력 단자 및 나사와 호환됩니다. 주황색 마일라 탭은 조립 전에 납땜할 측면이 오염 물질이나 지문으로 훼손되지 않도록 보호합니다. 덕분에 연결 저항이 최소인 우수한 표면 실장 납땜 연결을 보장할 수 있습니다. 또한 단자를 주석 도금 나사에 결합하기 전에 삽입되는 나사와 탭의 결합 저항에 영향을 미칠 수 있는 오염 물질로 M3 나삿니와 단자 상단이 훼손되지 않도록 보호하는 것이 좋습니다. 여기에는 나삿니 상단에 손가락을 대지 않는 것도 포함됩니다.

스루홀 PC 기판 단자

스루홀 부품이 필요한 산업 응용 분야를 위해 Würth는 REDCUBE THR 제품군을 제공합니다. 해당 제품군은 자동 스루홀 리플로 PC 기판 조립을 지원합니다. 예를 들어 74651195R은 케이블 탭을 너트로 고정하도록 설계된 주석 도금 M5 나삿니가 있는 9핀 스루홀 직선 나사 단자입니다(그림 2). 이 단자의 작동 온도 범위는 -55°C ~ +150°C이며 정격 전류는 20°C에서 85A입니다.

그림 2: REDCUBE THR 74651195R는 정격 전류가 20°C에서 85A이며 M5 직선 나사 단자를 포함합니다. 9개의 PC 기판 핀이 전단력과 인열력에 견디는 기계적 안정성을 제공합니다. (이미지 출처: Würth Elektronik)

74651195R의 9개 핀은 3 x 3 그리드로 배열되어 최적의 납땜성과 인열력 및 전단력에 견디는 기계적 안정성을 제공하도록 설계됩니다. 74651195R은 견고한 황동 위에 주석 도금되어 스탬핑 단자와 비교해 전류 용량이 높고 토크 공차가 우수합니다. 이런 설계 덕분에 74651195R은 부착 케이블이 모든 각도에서 당겨질 수 있는 고전력 산업 응용 분야에 적합합니다.

74651195R은 높이가 낮아서 PC 기판 위의 총 높이가 길이 7mm인 나사를 포함해 10mm입니다. 따라서 표준 M5 케이블 탭과 나삿니가 거의 없는 잠금 너트를 지원하므로 단자 주변으로 공기가 쉽게 흐르도록 하여 냉각 기능을 강화합니다.

매우 높은 전류를 위한 압입식 단자

매우 높은 전류가 필요한 전원 공급 장치와 산업 시스템 응용 분야를 위해 Würth는 정격 전류가 최대 500A인 REDCUBE PRESS-FIT 제품 라인을 개발했습니다. 해당 단자는 리플로 또는 웨이브 납땜을 사용하지 않습니다. 대신 단자를 납땜 도금 PC 기판 구멍에 기계적으로 눌러 넣습니다. 단자를 PC 기판 구멍에 눌러 넣으면서 발생하는 마찰로 인해 접점 저항이 200µΩ 정도로 기밀이 확실한 냉간 용접 연결이 생성됩니다.

솔루션의 예로 M8 나삿니가 있는 7461090 나사 단자를 들 수 있습니다(그림 3). 이 단자는 정격 전류가 20°C에서 350A이고 작동 온도는 -55°C ~ +150°C입니다. 해당 전류를 처리하기 위해 7461090에는 열 납땜 방법이 필요 없는 20개의 압입식 핀이 있습니다. 압입식 방법은 스루홀 부품과 동일한 PC 기판 구멍을 사용하므로 냉간 납땜 부위와 납땜성 문제가 없습니다. 또한 20개 압입식 핀은 납땜된 스루홀처럼 PC 기판을 벗어나 연장할 필요가 없고 납땜 테일 없이 PC 기판 내에서 종단 처리할 수도 있습니다. 따라서 PC 기판 아래에서 고전류 단자의 우발적 단락을 방지할 수 있으므로 시스템 안전을 향상합니다.

그림 3: REDCUBE PRESS-FIT 7461090 산업용 나사 단자는 웨이브 또는 리플로 납땜 방법을 사용하지 않고 PC 기판 구멍에 눌러 넣습니다. 이런 고유한 설계 덕분에 접점 저항이 매우 적어서 최대 350A의 전류를 처리할 수 있습니다. (이미지 출처: Würth Elektronik)

M8 주석 도금 나삿니의 높이는 13.5mm입니다. 최소의 접점 저항으로 전류 공급을 극대화하기 위해서는 주석 도금 나사를 선택하여 조립된 나사가 케이블 탭을 통과하고 REDCUBE 단자를 통해 PC 기판과 접촉하지 않고 실제 최대 길이를 이동하도록 해야 합니다. 이렇게 하면 전체 스크루 단자 길이의 접촉 면적이 극대화됩니다.

조립하기 전에 오염 물질이나 손가락이 나삿니나 단자 상단에 닿지 않도록 하는 것이 중요합니다. 오염 물질로 인한 저항이 아주 작더라도 350A에서는 위험한 양의 과도한 열이 발생할 수 있기 때문입니다.

연결과 분리가 간편한 플러그 단자

때로는 고전력 산업 시스템을 간단히 재구성하고 다른 전원에 다시 연결해야 하는 경우가 있습니다. 이러한 응용 분야를 위해 Würth는 REDCUBE PLUG 압입식 산업용 단자 리셉터클 제품군을 제공합니다. 이 압입식 단자는 나사 없이 간편하게 연결할 수 있고 최대 120A까지 지원할 수 있습니다.

예를 들어 REDCUBE PLUG 7464000은 20°C에서 최대 120A를 처리할 수 있으며 작동 온도 범위는 -45°C ~ +125°C입니다(그림 4). 이 REDCUBE PLUG는 주석 도금 구리 합금 리셉터클이 빨간색 유리 섬유 강화 플라스틱 하우징에 넣어져 있습니다. 호환 가능한 플러그를 지름 6.2mm 리셉터클에 삽입하려면 손으로 하우징 상단을 PC 기판 방향으로 눌러야 합니다. 이렇게 하면 리셉터클이 완전히 노출되어 주석 도금 플러그를 쉽게 삽입할 수 있습니다. 하우징 상단을 누르던 힘을 빼면 플러그가 제자리에 고정됩니다.

그림 4: REDCUBE PLUG 7464000 플러그 리셉터클은 압입식 단자로 정격 전류가 20°C에서 120A입니다. 고전류 플러그의 연결과 분해가 간단하므로 재구성 가능한 전력 솔루션에 적합합니다. (이미지 출처: Würth Elektronik)

REDCUBE PLUG 7464000 플러그 리셉터클은 오버헤드 공간이 낮아 나사나 너트 부착이 어려운 영역에도 적합한 솔루션입니다. 밝은 빨간색이어서 밀집한 PC 기판에서 플러그를 쉽게 식별할 수 있습니다. 12개의 압입식 핀이 3 x 4 그리드에 촘촘히 배열되어 있습니다. 7464000은 최대 접점 저항이 1mΩ이므로 매우 높은 전류 응용 분야에 적합합니다.

결론

설계의 집적도가 더욱 높아지면서 고전력 시스템 설계자는 효율적이고 손실이 적은 전력 공급과 간편한 조립 사이에서 적절한 균형을 유지해야 합니다. 따라서 적절한 고전류 PC 기판 산업용 단자를 선택하는 일이 무엇보다 중요합니다. 설계자는 기판 조립 공정, 단자에서 안전하게 처리할 수 있는 전류의 양, PC 기판 부착 방법 등을 이해해야 합니다.

위에서 살펴본 바와 같이 유연한 조립 옵션을 제공하는 산업용 등급 단자를 사용하면 설계자가 하나의 제품 라인으로 표준화하여 구매와 상호 운용성을 간소화할 수 있습니다. 그렇게 하면 산업 시스템에서 조립 오류를 최소화하여 조립 시간을 단축하고 비용을 줄여 제조 수율을 높이면서 전력을 안전하게 공급할 수 있습니다.