Highspeed Teaser
Bílá kniha

Vysoká rychlost bez rizik

Big Data a podobné technologie vyžadují stále vyšší přenosové rychlosti. Zároveň musí být elektronické součástky nejen stále rychlejší a chytřejší, ale také stále menší. Z toho vyplývají zvláštní rizika při přenosu dat a tím i nové výzvy pro připojovací technologii. Na co musíte u svého konektor dbát, abyste předešli rušení signálu?
BILD 8a ohne EMV Schirm
Obr. 1: Elektronické součástky jako odvod rušení a zdroj rušení na malém prostoru.
Postupující digitalizace ve všech odvětvích, jako je průmyslový internet věcí (IIoT), Průmysl 4.0, Smart Grid a Smart Home, vyžaduje vysokorychlostní přenos dat od senzoru až po cloud. Nejen u senzorů, ale i u průmyslových řídicích systémů a kamerových systémů, datových komunikací a serverových aplikací platí, že signály musí být spolehlivě přenášeny rychlostí 20 Gbit/s a více. Kromě vysokých rychlostí s sebou IIoT, Big Data a další technologie přinášejí ještě jeden trend: elektronické komponenty musí být nejen stále rychlejší a chytřejší, ale také stále menší. Tato postupující miniaturizace ztěžuje vývojářům splnění povinných zkoušek elektromagnetické kompatibility (EMC) podle evropské směrnice. Elektronické součástky v sestavě totiž mohou působit jak jako přijímače rušení, tak jako zdroje rušení, a blízké umístění citlivých součástek zvyšuje riziko vzájemného ovlivňování.

Definice pojmu „palubní síť“: decentralizovaná architektura s doménami a zónami

HPC Bordnetze
Schematické znázornění různých architektur palubní sítě (palubní síť)
Klasická decentralizovaná architektura v automobilu se skládá až ze 100 řídicích jednotek (řídicí jednotka), přičemž každé řídicí jednotce je přiřazena definovaná funkce: řízení motoru, airbag, ABS / ESP, nastavení sedadel, klimatizace, … Každá řídicí jednotka pracuje samostatně a komunikuje s ostatními řídicími jednotkami prostřednictvím bran (Gateways).  
V průběhu uplynulých desetiletí prošla decentralizovaná architektura historickým růstem, přičemž každá nová funkce byla doplněna o další řídicí jednotku (řídicí jednotka). Dnes však naráží na své limity: rostoucí počet funkcí výrazně zvyšuje nároky na instalaci a kabeláž uvnitř vozidla.
V doménové architektuře jsou řídicí jednotky seskupeny do různých funkčních oblastí. Každá doména je zodpovědná za určitou oblast vozidla, jako je například pohon, infotainment nebo bezpečnost. Nadřazené řízení domény zajišťuje samostatný vysoce výkonný počítač (HPC). Ten koordinuje řídicí jednotky v rámci své domény. V případě funkční oblasti bezpečnosti by se jednalo například o řídicí jednotky pro systémy asistence řidiče, ABS/ESP a systémy řízení.
Ve srovnání s decentralizovanou architekturou se díky menšímu počtu zabudovaných řídicích jednotek snižuje náročnost kabeláže a instalace. Doménová architektura tak ve srovnání s decentralizovanou architekturou může účinně přispět ke snížení nákladů a hmotnosti. Navíc lze dodatečně integrovat další funkce s minimálním úsilím.
U zónové architektury (zónová architektura) se strukturování neprovádí na základě domén, ale podle lokálních zón. Například v rámci jedné zóny v automobilu se tak sdružuje několik funkcí. V souladu s tím lze do jednoho zónového řadiče (zónová řídicí jednotka) sjednotit a zpracovávat i funkce, jako je pohon a infotainment. Nadřazené řízení jednotlivých zónových řadičů zajišťuje centrální HPC. Výhoda je zřejmá: snížení počtu řídicích jednotek i jejich kabeláže až o 50 procent.

Požadavky na HPC a jeho konektor

Augendiagramm Colibri
diagram oka umožňuje vyhodnocení kvality signálu při digitálním přenosu dat
Požadavky, které z toho vyplývají pro HPC, jsou vysoké: Zejména zpracování obrazových dat v oblasti infotainmentu nebo kamerových systémů pro autonomní řízení vyžaduje bezpečný vysokorychlostní přenos dat s krátkými latencemi. Zároveň nesmí za žádných okolností dojít k výpadku přenosu signálu – jeho spolehlivost musí být zajištěna za všech okolností.  

Vysoký výkon, rychlý a především spolehlivý přenos dat – někdy i za nepříznivých podmínek prostředí – jsou tedy také požadavky kladené na zabudované konektor.

„Čitelnost“ signálu lze znázornit pomocí tzv. diagramu oka. Ten udává, zda lze přenášený signál v přijímači jednoznačně přiřadit k digitálním stavům 1 nebo 0.

Za tímto účelem signál prochází definovanou přenosovou trasou, přičemž je zaznamenáván osciloskopem, superponován a zobrazen. Takto lze „navzájem“ znázornit všechny možné průběhy signálu. Teoreticky jsou přechody logických stavů nekonečně strmé a signální křivky se přesně překrývají. Vlivem vnějších rušivých faktorů a vnitřního narušení signálních párů se nárůst signálu zplošťuje a mění se výška amplitudy. Vzniká tak tvar oka, který dal tomuto diagramu jméno.
Colibri
Optimalizovaná konstrukce kontaktů modelu Colibri umožňuje vysokorychlostní přenos dat s minimálními ztrátami
Ve středu diagramu je vidět tzv. „Eye Mask“. V této oblasti není možné jednoznačně přiřadit signál.

Oba diagramy oka ukazují vliv délky vedení a impedance na příkladu konektorů ept Colibri-konektor ve verzích 16+ Gbit/s a 10 Gbit/s. Tento příklad ilustruje, jak bylo díky dalšímu vývoji konstrukce kontaktů možné dosáhnout výrazného zvýšení integrita signálu (viz obr. XX). Díky kratší délce vedení a impedanci 100 Ω se oko varianty Colibri 16+ Gbit/s vyvíjí jasněji než u předchozí varianty Colibri s 10 Gbit/s – signální páry lze jednoznačně interpretovat.
Burst geschirmt und ungeschirmt Screen
Rušení signálu u stíněného (vlevo) a nestíněného (vpravo) konektor
Vzhledem k tomu, že vysokorychlostní signály jsou obzvláště náchylné k elektromagnetickým vlivům, vyžadují speciální ochranu signálu. Konektor (konektor) může v tomto případě fungovat jak jako zdroj rušení, tak jako jeho odvod. Z tohoto důvodu se doporučuje ochrana signálu pomocí stínícího plechu (stínicí plech), aby byly citlivé signály chráněny před vnějšími vlivy.
Z obrázku 4 vyplývá, že i malý elektrický impuls může zkreslit užitečný signál. Přijímač již nedokáže jednoznačně interpretovat digitální stavy signálu HDMI již po krátkém impulzu o napětí 0,5 kV, zatímco přenos signálu přes stíněný konektor zůstává stabilní i při napětí 4,4 kV.


Abbildung3
konektor v nestíněném (vlevo) a stíněném (vpravo) provedení
Pomocí vázací indukvzájemná indukčnost LK jako parametru EMC lze konektor popsat zohledněním elektrických poměrů v obou funkcích – jako zdroje i jako zátěže. K tomu se používá jednotka Henry. To platí jak pro odolnost proti rušení (odolnost), tak pro vyzařování rušení (elektromagnetická emise). Jsou-li známy indukované napětí (Uind), napětí generátoru (UGen) a generátorová konstanta (kGen), lze pro danou aplikaci určit konkrétní maximální přípustnou vazebnou indukčnost (vzájemná indukčnost) (L) pomocí následujícího vzorce:

LK = Uind / (UGen * kGen)

vzájemná indukčnost navíc pomáhá uživateli vybrat vhodný konektor z hlediska elektromagnetické kompatibility a vyhnout se nákladným a časově náročným testům metodou pokusů a omylů v EMC-Laboru. Zde je příklad: Pro signál HDMI byla při napětí 4,4 kV stanovena maximální vzájemná indukčnost hodnota pro daný případ ve výši 47 pikohenry (pH). Pokud je hodnota vyšší, nelze signál bez rušení přenášet.
Přenos vysokorychlostních signálů však neohrožují pouze elektromagnetické vlivy. Zejména v automobilovém průmyslu jsou konektory opakovaně vystaveny extrémním podmínkám prostředí, jako jsou vibrace a nárazy. Aby přenos signálu probíhal bez přerušení i v drsném prostředí, musí být konektor obzvláště robustní. Zde hrají rozhodující roli především konstrukce kontaktů, kontaktní systém a technika připojení.

Faktor ovlivňující kontaktní systém

Doppelseitiger Federkontakt
oboustranný dutinkový kontakt bez (vlevo) a s nárazem (vpravo) Průměr otvoru
Klasické dvoudílné konektor mají jeden nožový a jeden pružinový dutinkový kontakt. V případě silného nárazu se však nožová lišta (nožová lišta) může od pružinové lišty (zásuvková lišta) odtrhnout. Aby k takovému přerušení kontaktu (přerušení kontaktu) nedošlo, lze pomocí oboustranné pružinové lišty zajistit redundanci a tím i spolehlivost kontaktu, protože díky druhému pružinovému kontaktu je přenos signálu vždy zajištěn alespoň přes jeden kontaktní bod (obr. 5).
Schnitt Doppelkontakt
Řez Zero8-konektor ukazuje hermafroditní kontaktní systém
Ještě odolnější jsou naproti tomu konektory (konektor) s takzvaným „hermafroditním“ kontaktním systémem. Jejich zvláštností je identická geometrie kontaktů u dvojic konektorů, Plug a Socket. Oba tedy disponují jak pružinou, tak nožem. Každý pin je tak kontaktován dvěma pružinami, přičemž Plug a Socket jsou vzájemně propleteny a nemohou se od sebe oddělit. Zatímco oboustranná lišta s pružinami (zásuvková lišta) při mechanickém namáhání vždy zajišťuje alespoň jeden kontaktní bod, propletené geometrie u genderově neutrálních kontaktních systémů zaručují, že přenos signálu vždy probíhá přes dva kontaktní body. Tato vysoká redundance tak umožňuje maximální spolehlivost kontaktu (obr. 5).
Meniskusbildung
Rovnoměrný vznik menisku kolem pájecího výstupku (vývod SMT)
Jako spojovací technika (technika připojení) pro trvalé spojení mezi deskou plošných spojů a konektorem se doporučuje technologie povrchové montáže (SMT). Pomocí pájecí pasty (pájecí pasta) se konektory připájejí na definované plôšky desky plošných spojů, tzv. pájecí plôšky (pájecí plošky). Teprve v takzvané reflow peci (přetavovací pec) se pájka roztaví a následně vytvrdí. Pomocí SMT lze realizovat stabilní spoje mezi konektorem a deskou plošných spojů. K tomu je však nutné splnit několik kritérií: Nejprve je třeba pro pájený spoj v souladu s normou IPC-A-610 dodržet správný poměr mezi vývod SMT, pájecí plôška a pájecí pasta. Pouze tak lze vytvořit vysoce kvalitní spoj, který umožňuje připojení podle třídy IPC 3, a je tedy vhodný pro použití ve vysoce výkonné elektronice. V této třídě musí být kdykoli vyloučeny výpadky v přenosu signálu. Optimální pájený spoj poznáte podle rovnoměrného tvaru menisku. Kontakt musí být po celém obvodu obklopen pájecím meniskem, aby bylo dosaženo nejlepších přídržných sil na desce plošných spojů. (Obr. 9).
Koplanarita kontaktních nožiček je přitom předpokladem pro vynikající spojení, které je v průběhu procesu podrobeno 100% automatizované kontrole.

Závěr

Bewerbungsprozess Icons 2000x1457px Gluehbirne FREI
Aktuální vývoj v automobilovém průmyslu klade na zabudované konektor stále nové požadavky. Na první pohled se zdá, že role zabudovaných konektorů ustupuje do pozadí kvůli sníženému počtu řídicích jednotek. Při bližším pohledu se však ukazuje, že právě díky této změně směrem k centrálnímu zpracování dat pomocí HPC jejich role nabývá na významu: spolehlivost při přenosu signálu nebyla nikdy tak důležitá jako dnes.

Vaše zpráva byla odeslána.

Děkujeme za váš zájem – vaši žádost vyřídíme co nejdříve.

Kontaktní formulář

Pole označená * jsou povinná.

Osobní údaje

Vaše zpráva

Ochrana osobních údajů

Naše prohlášení o ochraně osobních údajů si můžete přečíst zde.

Vaše zpráva byla odeslána.

Děkujeme za váš zájem – vaši žádost vyřídíme co nejdříve.

Kontaktní formulář

Pole označená * jsou povinná.

Osobní údaje

Odvolání

Vaše zpráva

Mám zájem o

Informační materiály

Ochrana osobních údajů

Naše prohlášení o ochraně osobních údajů si můžete přečíst zde.

Děkujeme za Váš zájem

Zde si můžete stáhnout whitepaper:

Stáhnout whitepaper

Než si budete moci stáhnout whitepaper, vyplňte prosím následující pole. Děkujeme.

Pole označená * jsou povinná.

Osobní údaje

Ochrana osobních údajů

Naše prohlášení o ochraně osobních údajů si můžete přečíst zde.

Vaše zpráva byla odeslána.

Děkujeme za váš zájem o naši networkingovou akci po veletrhu Electronica. Vaši žádost posoudíme a co nejdříve vám potvrdíme účast.

Formulář pro dotazy

Pole označená * jsou povinná.

Osobní údaje

Ochrana osobních údajů

Naše prohlášení o ochraně osobních údajů si můžete přečíst zde.

Děkujeme! Brzy se vám

ozveme, abychom s vámi projednali vaše požadavky. Vypracujeme a zašleme vám podrobnou zprávu o vlastnostech HighSpeed a S-parametr pro simulaci vašeho vlastního návrhu.

Vyžádejte si vlastnosti HighSpeed a S-parametr pro simulaci vašeho vlastního návrhu

Pole označená * jsou povinná.
Naše prohlášení o ochraně osobních údajů si můžete přečíst zde.

Děkujeme za Váš dotaz

Prověříme vaše požadavky a ozveme se vám co nejdříve.

Vaše požadavky na požadovaný konektor

Pole označená hvězdičkou (*) jsou povinná, prosím vyplňte je.

Kontaktní osoba

Váš požadavek

Špatný formát souboru! Vyberte prosím soubor PDF nebo JPG.
Naše prohlášení o ochraně osobních údajů si můžete přečíst zde.

Děkujeme za Váš dotaz

Prověříme vaše požadavky a ozveme se vám co nejdříve.

Požádat o individualizaci konektor

Pole označená hvězdičkou (*) jsou povinná, prosím vyplňte je.

Kontaktní osoba

Váš požadavek

Špatný formát souboru! Vyberte prosím soubor PDF nebo JPG.
Naše prohlášení o ochraně osobních údajů si můžete přečíst zde.