Visoka hitrost brez tveganj
Veliki podatki in podobne tehnologije zahtevajo vse višje hitrosti prenosa podatkov. Hkrati morajo biti elektronski komponenti ne le vse hitrejši in pametnejši, temveč tudi vse manjši. To prinaša posebna tveganja pri prenosu podatkov in s tem tudi nove izzive za priključno tehnologijo. Na kaj morate biti pozorni pri izbiri konektorja, da bi preprečili motnje signala?
Nenehna digitalizacija v vseh panogah, kot so industrijski internet stvari, Industrija 4.0, pametna omrežja in pametna domova, zahteva visokohitrostni prenos podatkov od senzorja do oblaka. Vendar to ne velja le za senzorje, temveč tudi za industrijske krmilnike in kamere, podatkovne komunikacije ter strežniške aplikacije: signale je treba zanesljivo prenašati s hitrostjo 20 Gbit/s in več. Poleg visoke hitrosti IIoT, Big Data in podobni tehnologije prinašajo še en trend: elektronske komponente morajo biti ne le vedno hitrejše in pametnejše, temveč tudi vedno manjše. Ta napredujoča miniaturizacija razvijalcem otežuje izpolnjevanje obveznih preskusov elektromagnetne združljivosti (EMC) v skladu z evropsko direktivo. Elektronske komponente v sklopu namreč lahko delujejo tako kot sprejemnik motenj kot tudi kot vir motenj, bližina občutljivih komponent pa povečuje tveganje medsebojnega vpliva.
Opredelitev voznega omrežja: decentralizirana arhitektura z domenami in območji
Klasična decentralizirana arhitektura v avtomobilu obsega do 100 krmilnih enot, pri čemer je vsaki krmilni enoti dodeljena določena funkcija: krmiljenje motorja, zračna blazina, ABS/ESP, nastavitev sedeža, klimatizacija, … Vsaka krmilna enota deluje samostojno in komunicira z drugimi krmilnimi enotami prek vmesnikov.
V zadnjih desetletjih je decentralizirana arhitektura doživela zgodovinsko rast, vsaka nova funkcionalnost pa je bila dopolnjena z dodatnim krmilnim modulom. Danes pa se ta arhitektura sooča z omejitvami: naraščajoče funkcionalnosti znatno povečujejo stroške namestitve in ožičenja znotraj vozila.
Pri domenski arhitekturi so krmilni moduli združeni v različne funkcionalne domene. Vsaka domena je odgovorna za določeno področje vozila, na primer pogon, infotainment ali varnost. Nadrejeno krmiljenje domene izvaja samostojni visokozmogljivi računalnik (HPC). Ta usklajuje krmilne enote znotraj svoje domene. Za funkcionalno področje varnosti bi to na primer pomenilo krmilne enote za sisteme pomoči vozniku, ABS/ESP in krmilne sisteme.
V primerjavi z decentralizirano arhitekturo se zaradi manjšega števila vgrajenih krmilnih enot zmanjša obseg ožičenja in namestitve. Domenska arhitektura lahko tako v primerjavi z decentralizirano arhitekturo učinkovito prispeva tudi k zmanjšanju stroškov in teže. Poleg tega je mogoče dodatne funkcije naknadno integrirati z majhnim naporom.
Pri conni arhitekturi strukturiranje ne poteka na podlagi domen, temveč po lokalnih conah. Tako se na primer znotraj ene cone v avtomobilu združijo več funkcionalnosti. Skladno s tem se lahko tudi funkcije, kot sta pogon in infotainment, združijo in obdelujejo v enem connem krmilniku. Nadrejeno krmiljenje različnih connih krmilnikov poteka prek centralnega HPC. Prednost je očitna: zmanjšanje števila krmilnih enot ter njihovega ožičenja za do 50 odstotkov.
V zadnjih desetletjih je decentralizirana arhitektura doživela zgodovinsko rast, vsaka nova funkcionalnost pa je bila dopolnjena z dodatnim krmilnim modulom. Danes pa se ta arhitektura sooča z omejitvami: naraščajoče funkcionalnosti znatno povečujejo stroške namestitve in ožičenja znotraj vozila.
Pri domenski arhitekturi so krmilni moduli združeni v različne funkcionalne domene. Vsaka domena je odgovorna za določeno področje vozila, na primer pogon, infotainment ali varnost. Nadrejeno krmiljenje domene izvaja samostojni visokozmogljivi računalnik (HPC). Ta usklajuje krmilne enote znotraj svoje domene. Za funkcionalno področje varnosti bi to na primer pomenilo krmilne enote za sisteme pomoči vozniku, ABS/ESP in krmilne sisteme.
V primerjavi z decentralizirano arhitekturo se zaradi manjšega števila vgrajenih krmilnih enot zmanjša obseg ožičenja in namestitve. Domenska arhitektura lahko tako v primerjavi z decentralizirano arhitekturo učinkovito prispeva tudi k zmanjšanju stroškov in teže. Poleg tega je mogoče dodatne funkcije naknadno integrirati z majhnim naporom.
Pri conni arhitekturi strukturiranje ne poteka na podlagi domen, temveč po lokalnih conah. Tako se na primer znotraj ene cone v avtomobilu združijo več funkcionalnosti. Skladno s tem se lahko tudi funkcije, kot sta pogon in infotainment, združijo in obdelujejo v enem connem krmilniku. Nadrejeno krmiljenje različnih connih krmilnikov poteka prek centralnega HPC. Prednost je očitna: zmanjšanje števila krmilnih enot ter njihovega ožičenja za do 50 odstotkov.
Zahteve za HPC in njegove konektorje
Zahteve, ki iz tega izhajajo za HPC, so velike: predvsem obdelava slikovnih podatkov na področju infotainmenta ali kamer za avtonomno vožnjo zahteva varen visokohitrostni prenos podatkov z majhnimi zakasnitvami. Hkrati pod nobenim pogojem ne sme priti do izpada prenosa signala – njegova zanesljivost mora biti zagotovljena v vsakem trenutku.
Visoka zmogljivost, hiter in predvsem zanesljiv prenos podatkov – včasih tudi v neugodnih okoljskih pogojih – so torej tudi zahteve, ki veljajo za vgrajene konektorje.
„Berljivost“ signala je mogoče ponazoriti s pomočjo tako imenovanega očesnega diagrama. Ta kaže, ali je mogoče prenesen signal v sprejemniku nedvoumno pripisati digitalnemu stanju 1 ali 0.
Za to signal preteče določeno prenosno pot, pri čemer ga osciloskop zajame, prekriva in prikaže. Tako je mogoče prikazati vse možne poteke signala »eden nad drugim«. V teoriji so prehodi logičnih stanj neskončno strmi, signalne črte pa potekajo natančno ena nad drugo. Zaradi zunanjih motenj in notranjih motenj signalnih parov se vzpon signala izravna, višina amplitude pa se spremeni. Tako nastane oblika očesa, po kateri je diagram dobil ime.
Visoka zmogljivost, hiter in predvsem zanesljiv prenos podatkov – včasih tudi v neugodnih okoljskih pogojih – so torej tudi zahteve, ki veljajo za vgrajene konektorje.
„Berljivost“ signala je mogoče ponazoriti s pomočjo tako imenovanega očesnega diagrama. Ta kaže, ali je mogoče prenesen signal v sprejemniku nedvoumno pripisati digitalnemu stanju 1 ali 0.
Za to signal preteče določeno prenosno pot, pri čemer ga osciloskop zajame, prekriva in prikaže. Tako je mogoče prikazati vse možne poteke signala »eden nad drugim«. V teoriji so prehodi logičnih stanj neskončno strmi, signalne črte pa potekajo natančno ena nad drugo. Zaradi zunanjih motenj in notranjih motenj signalnih parov se vzpon signala izravna, višina amplitude pa se spremeni. Tako nastane oblika očesa, po kateri je diagram dobil ime.
Na sredini diagrama je vidna tako imenovana »eye mask«. V tem območju ni mogoče nedvoumno razpoznati signala.
Oba diagrami prikazujeta vpliv dolžine vodnika in impedanse na primeru konektorjev ept Colibri v izvedbah 16 + Gbit/s in 10 Gbit/s. Primer ponazarja, kako je bilo z nadaljnjim razvojem zasnove kontaktov mogoče doseči znatno povečanje integritete signala (glej sliko XX). Z krajšo dolžino vodnika in impedanco 100 Ω se lahko oko različice Colibri 16+ Gbit/s oblikuje jasneje kot pri predhodni različici Colibri s 10 Gbit/s – signalne pare je mogoče nedvoumno razlagati.
Oba diagrami prikazujeta vpliv dolžine vodnika in impedanse na primeru konektorjev ept Colibri v izvedbah 16 + Gbit/s in 10 Gbit/s. Primer ponazarja, kako je bilo z nadaljnjim razvojem zasnove kontaktov mogoče doseči znatno povečanje integritete signala (glej sliko XX). Z krajšo dolžino vodnika in impedanco 100 Ω se lahko oko različice Colibri 16+ Gbit/s oblikuje jasneje kot pri predhodni različici Colibri s 10 Gbit/s – signalne pare je mogoče nedvoumno razlagati.
Ker so visokohitrostni signali še posebej občutljivi na elektromagnetne vplive, potrebujejo posebno zaščito signala. Konektor lahko pri tem deluje tako kot vir motenj kot tudi kot sprejemnik. Zato se priporoča zaščita signala s pomočjo oklopne pločevine, da se občutljive signale zaščiti pred zunanjimi vplivi.
Da že majhen električni impulz lahko izkrivi uporabni signal, je razvidno iz slike 4. Sprejemnik ne more več nedvoumno razlagati digitalnih stanj signala HDMI že po kratkem impulzu 0,5 kV, medtem ko prenos signala oklopljenega konektorja poteka stabilno tudi pri 4,4 kV.
Da že majhen električni impulz lahko izkrivi uporabni signal, je razvidno iz slike 4. Sprejemnik ne more več nedvoumno razlagati digitalnih stanj signala HDMI že po kratkem impulzu 0,5 kV, medtem ko prenos signala oklopljenega konektorja poteka stabilno tudi pri 4,4 kV.
Z induktivnostjo sklopke LK kot parametrom elektromagnetne združljivosti (EMC) je mogoče vtič opisati z upoštevanjem električnih razmerij v obeh vlogah – viru in odjemniku. Pri tem se uporablja enota henry. To velja tako za odpornost proti motnjam kot tudi za oddajanje motenj. Če so znane indukcijska napetost (Uind), napetost generatorja (UGen) in konstanta generatorja (kGen), se lahko za posamezno aplikacijo določi specifična največja dovoljena induktivnost sklopke (L) s pomočjo naslednje formule:
LK = Uind / (UGen * kGen)
Induktivnost sklopke uporabniku pomaga tudi pri izbiri ustreznega konektorja glede na njegovo elektromagnetno združljivost ter pri izogibanju dragim in časovno zamudnim preskusom po metodi poskusov in napak v laboratoriju za elektromagnetno združljivost. Tukaj je primer: za HDMI-signal je bila pri napetosti 4,4 kV določena največja induktivnost sklopke, specifična za posamezen primer, v višini 47 pikohenrijev (pH). Če je vrednost višja, signala ni več mogoče prenašati brez motenj.
LK = Uind / (UGen * kGen)
Induktivnost sklopke uporabniku pomaga tudi pri izbiri ustreznega konektorja glede na njegovo elektromagnetno združljivost ter pri izogibanju dragim in časovno zamudnim preskusom po metodi poskusov in napak v laboratoriju za elektromagnetno združljivost. Tukaj je primer: za HDMI-signal je bila pri napetosti 4,4 kV določena največja induktivnost sklopke, specifična za posamezen primer, v višini 47 pikohenrijev (pH). Če je vrednost višja, signala ni več mogoče prenašati brez motenj.
Vendar prenos visokohitrostnih signalov ne ogrožajo le elektromagnetni vplivi. Zlasti v avtomobilski industriji so konektorji ponavadi izpostavljeni ekstremnim okoljskim pogojem, kot so vibracije in udarci. Da prenos signalov poteka brez prekinitev tudi v zahtevnem okolju, mora biti konektor posebej robusten. Pri tem imajo odločilno vlogo predvsem oblika kontaktov, kontaktni sistem in priključna tehnika.
Dejavnik vpliva: sistem stikov
Klasični dvodelni konektorji imajo nožni in vzmetni kontakt. V primeru močnega udarca se lahko nožni kontaktni trak odtrga od vzmetnega kontaktnega traku. Da do takšne prekinitve stika ne pride, je mogoče z dvostranskim vzmetnim kontaktnim trakom zagotoviti redundanto in s tem zanesljivost stika, saj je s pomočjo druge vzmeti prenos signala vedno zagotovljen vsaj prek ene kontaktne točke (sl. 5).
Še bolj robustni so v primerjavi s tem konektorji s tako imenovanim »spolno nevtralnim« kontaktnim sistemom. Posebnost tega sistema je v identični geometriji kontaktov parov vtič in vtičnica. Oba imata namreč tako vzmet kot tudi rezilo. Tako je vsak pin v stiku z dvema vzmetema, vtič in vtičnica pa sta med seboj prepletena in se ne moreta ločiti. Medtem ko dvostranska vzmetna letev pod mehansko obremenitvijo vedno zagotavlja vsaj en kontaktni točki, prepletene geometrije pri spolno nevtralnih kontaktnih sistemih zagotavljajo, da prenos signala vedno poteka prek dveh kontaktnih točk. Ta visoka redundancija tako omogoča maksimalno varnost stika (sl. 5).
Za trajno povezavo med tiskano vezje in konektor se priporoča tehnologija površinske montaže (SMT). Konektorji se s pomočjo spajkalne paste spajkajo na določene priključne površine tiskanega vezja, t. i. spajkalne ploščice. Šele v tako imenovani reflow peči se spajkalno sredstvo stopi in nato strdi. S tehnologijo SMT je mogoče doseči stabilne povezave med konektorjem in tiskano vezje. Za to pa morajo biti izpolnjena nekatera merila: najprej je treba za spajkano mesto, ki ustreza standardu IPC-A-610, upoštevati pravilno razmerje med spajkalnim podstavkom, spajkalno ploščico in spajkalno pasto. Le tako se ustvari kakovostna povezava, ki omogoča priključitev po razredu IPC 3, torej je primerna za uporabo v visokozmogljivi elektroniki. V tej razredni je treba v vsakem trenutku izključiti motnje v prenosu signala. Optimalno spajkano povezavo prepoznamo po enakomerni obliki meniskusa. Kontakt mora biti po celotnem obodu obdan s spajkalnim meniskusom, da se dosežejo najboljše sile zadrževanja na tiskanem vezju. (Slika 9).
Koplanarnost kontaktnih nogic je pri tem pogoj za odlično povezavo, ki se med samim procesom podvrže 100-odstotnemu avtomatiziranemu pregledu.
Sklep
Najnovejši razvoj v avtomobilski industriji postavlja vedno nove zahteve za vgrajene konektorje. Na prvi pogled se zdi, da vloga vgrajenih konektorjev zaradi zmanjšanega števila krmilnih enot postaja vse manj pomembna. Pri natančnejšem pregledu pa se izkaže, da prav zaradi tega prehoda na centralno obdelavo podatkov s pomočjo visokozmogljivih računalnikov (HPC) njihova vloga pridobiva na pomenu: zanesljivost pri prenosu signalov še nikoli ni bila tako pomembna kot danes.