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 techniku. Na co musíte u konektorů dbát, abyste předešli rušení signálu?

Postupující digitalizace ve všech odvětvích, jako je průmyslové internet věcí (IIoT), Průmysl 4.0, inteligentní rozvodné sítě (Smart Grid) a inteligentní domácnosti (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 inteligentnější, ale také stále menší. Tato postupující miniaturizace ztěžuje vývojářům splnění povinných zkoušek EMV podle evropské směrnice. Elektronické komponenty v sestavě totiž mohou působit jak jako přijímače rušení, tak jako zdroje rušení, a blízké umístění citlivých součástek zvyšuje riziko vzájemného ovlivňování.
Definice palubní sítě: decentralizovaná architektura s doménami a zónami

Klasická decentralizovaná architektura v automobilu se skládá až ze 100 řídicích jednotek, přičemž každé z nich je přiřazena definovaná funkce: řízení motoru, airbag, ABS / ESP, nastavení sedadel, klimatizace, … Každá řídicí jednotka pracuje samostatně a s ostatními komunikuje prostřednictvím bran.
V průběhu posledních desetiletí prošla decentralizovaná architektura historickým růstem, každá nová funkce byla doplněna o další řídicí jednotku. Dnes však naráží na své limity: rostoucí počet funkcí výrazně zvyšuje náklady 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 oblasti bezpečnosti by to byly například řídicí jednotky pro systémy asistence řidiče, ABS/ESP a systémy řízení.
Ve srovnání s decentralizovanou architekturou se díky menšímu počtu zabudovaných řídicích jednotek snižují náklady na kabeláž a instalaci. Doménová architektura tak může ve srovnání s decentralizovanou architekturou účinně přispět ke snížení nákladů a hmotnosti. Navíc lze dodatečné funkce integrovat dodatečně s minimálním úsilím.
U zónové architektury se strukturování neprovádí na základě domén, ale podle lokálních zón. Například v rámci jedné zóny v automobilu je sdruženo několik funkcí. Podle toho lze do jednoho zónového řadiče sdružit a zpracovávat i funkce jako pohon a infotainment. Nadřazené řízení různých zónových řadičů zajišťuje centrální HPC. Výhoda je zřejmá: snížení počtu řídicích jednotek a jejich kabeláže až o 50 procent.
V průběhu posledních desetiletí prošla decentralizovaná architektura historickým růstem, každá nová funkce byla doplněna o další řídicí jednotku. Dnes však naráží na své limity: rostoucí počet funkcí výrazně zvyšuje náklady 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 oblasti bezpečnosti by to byly například řídicí jednotky pro systémy asistence řidiče, ABS/ESP a systémy řízení.
Ve srovnání s decentralizovanou architekturou se díky menšímu počtu zabudovaných řídicích jednotek snižují náklady na kabeláž a instalaci. Doménová architektura tak může ve srovnání s decentralizovanou architekturou účinně přispět ke snížení nákladů a hmotnosti. Navíc lze dodatečné funkce integrovat dodatečně s minimálním úsilím.
U zónové architektury se strukturování neprovádí na základě domén, ale podle lokálních zón. Například v rámci jedné zóny v automobilu je sdruženo několik funkcí. Podle toho lze do jednoho zónového řadiče sdružit a zpracovávat i funkce jako pohon a infotainment. Nadřazené řízení různých zónových řadičů zajišťuje centrální HPC. Výhoda je zřejmá: snížení počtu řídicích jednotek a jejich kabeláže až o 50 procent.
Požadavky na HPC a jeho konektory

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 konektory.
„Čitelnost“ signálu lze znázornit pomocí tzv. očního diagramu. 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 zobrazit všechny možné průběhy signálu „nad sebou“. Teoreticky jsou přechody logických stavů nekonečně strmé a signální čáry 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.
Vysoký výkon, rychlý a především spolehlivý přenos dat – někdy i za nepříznivých podmínek prostředí – jsou tedy také požadavky kladené na zabudované konektory.
„Čitelnost“ signálu lze znázornit pomocí tzv. očního diagramu. 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 zobrazit všechny možné průběhy signálu „nad sebou“. Teoreticky jsou přechody logických stavů nekonečně strmé a signální čáry 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.

Ve středu diagramu je vidět takzvaná oční maska. V této oblasti není možné jednoznačně identifikovat signál.
Oba oční diagramy ukazují vliv délky vedení a impedance na příkladu konektorů ept Colibri ve verzích 16+ Gbit/s a 10 Gbit/s. Příklad ilustruje, jak bylo možné díky dalšímu vývoji konstrukce kontaktů dosáhnout výrazného zvýšení integrity signálu (viz obr. XX). Díky kratší délce vedení a impedanci 100 Ω se oko varianty Colibri 16+ Gbit/s může vytvořit jasněji než u předchozí varianty Colibri s 10 Gbit/s – signální páry lze jednoznačně interpretovat.
Oba oční diagramy ukazují vliv délky vedení a impedance na příkladu konektorů ept Colibri ve verzích 16+ Gbit/s a 10 Gbit/s. Příklad ilustruje, jak bylo možné díky dalšímu vývoji konstrukce kontaktů dosáhnout výrazného zvýšení integrity signálu (viz obr. XX). Díky kratší délce vedení a impedanci 100 Ω se oko varianty Colibri 16+ Gbit/s může vytvořit jasněji než u předchozí varianty Colibri s 10 Gbit/s – signální páry lze jednoznačně interpretovat.

Vzhledem k tomu, že vysokorychlostní signály jsou obzvláště citlivé na elektromagnetické vlivy, vyžadují speciální ochranu signálu. Konektor může v tomto případě působit jak jako zdroj rušení, tak jako jeho přijímač. Z tohoto důvodu se doporučuje ochrana signálu pomocí stínícího plechu, 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 stíněného konektoru zůstává stabilní i při napětí 4,4 kV.
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 stíněného konektoru zůstává stabilní i při napětí 4,4 kV.

S využitím vazební indukčnosti LK jako parametru EMC lze konektor popsat na základě zohlednění elektrických poměrů v obou funkcích – jako zdroje i jako zátěže. K tomu se používá jednotka Henry. To platí jak pro odolnost proti rušení, tak pro vyzařování rušení. Jsou-li známy indukované napětí (Uind), napětí generátoru (UGen) a konstanta generátoru (kGen), lze pro danou aplikaci určit konkrétní maximální přípustnou vazebnou indukčnost (L) pomocí následujícího vzorce:
LK = Uind / (UGen * kGen)
Vazebná indukčnost navíc pomáhá uživateli definovat vhodný konektor z hlediska jeho elektromagnetické kompatibility a vyhnout se nákladným a časově náročným zkouškám metodou pokusů a omylů v laboratoři EMC. Zde je příklad: Pro signál HDMI byla při napětí 4,4 kV stanovena maximální vazebná indukčnost pro daný případ na 47 picohenry (pH). Pokud je hodnota vyšší, signál již nelze přenášet bez rušení.
LK = Uind / (UGen * kGen)
Vazebná indukčnost navíc pomáhá uživateli definovat vhodný konektor z hlediska jeho elektromagnetické kompatibility a vyhnout se nákladným a časově náročným zkouškám metodou pokusů a omylů v laboratoři EMC. Zde je příklad: Pro signál HDMI byla při napětí 4,4 kV stanovena maximální vazebná indukčnost pro daný případ na 47 picohenry (pH). Pokud je hodnota vyšší, signál již nelze přenášet bez rušení.
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 připojovací technika.
Faktor ovlivňující kontaktní systém

Klasické dvoudílné konektory mají nožový a pružinový kontakt. V případě silného nárazu se však nožová lišta může od pružinové lišty odtrhnout. Aby k takovému přerušení kontaktu nedošlo, lze pomocí oboustranné pružinové lišty zajistit redundanci a tím i bezpečnost kontaktu, protože díky druhé pružině je přenos signálu vždy zajištěn alespoň přes jeden kontaktní bod (obr. 5).

Ještě odolnější jsou naproti tomu konektory s takzvaným „genderově neutrálním“ kontaktním systémem. Jejich zvláštností je identická geometrie kontaktů u dvojice konektorů, tj. zástrčky a zásuvky. Oba tedy disponují jak pružinou, tak i nožovým kontaktem. Každý pin je tak kontaktován dvěma pružinami, přičemž zástrčka a zásuvka jsou vzájemně propleteny a nemohou se od sebe oddělit. Zatímco oboustranná pružinová 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 bezpečnost kontaktu (obr. 5).

Jako spojovací techniku pro trvalé spojení mezi deskou plošných spojů a konektorem se doporučuje technologie povrchové montáže (SMT). Pomocí pájecí pasty se konektory připájejí na definované připojovací plochy desky plošných spojů, tzv. pájecí plošky. Teprve v takzvané reflow peci dojde k roztavení a následnému vytvrzení pájky. Pomocí SMT lze realizovat stabilní spoje mezi konektorem a deskou plošných spojů. K tomu však musí být splněna některá kritéria: Nejprve je třeba dodržet správný poměr mezi pájecí patkou, pájecím bodem a pájecí pastou, aby byl pájecí bod v souladu s normou IPC-A-610. 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 pájené spojení poznáte podle rovnoměrného vytvoření menisku. Kontakt musí být po obvodu obklopen pájecím meniskem, aby bylo dosaženo nejlepší přilnavosti k desce plošných spojů. (Obr. 9).
Koplanarita kontaktních nožiček je přitom předpokladem pro vynikající spojení, které je v průběhu procesu podrobeno 100% automatizované kontrole.
Závěr

Současný vývoj v automobilovém průmyslu klade na zabudované konektory stále nové požadavky. Na první pohled se zdá, že role zabudovaných konektorů ustupuje do pozadí v důsledku sníženého 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.

