Висока скорост без рискове
Големите данни и подобни технологии изискват все по-високи скорости на предаване на данни. В същото време електронните компоненти трябва не само да стават все по-бързи и интелигентни, но и все по-малки. Това води до специфични рискове при предаването на данни и съответно до нови предизвикателства за технологията на съединенията. На какво трябва да обърнете внимание при избора на конектор, за да избегнете смущения в сигнала?
Напредващата цифровизация във всички сектори, като например Индустриалният интернет на нещата, Индустрия 4.0, интелигентните електроенергийни мрежи и интелигентните домове, изисква високоскоростно предаване на данни от сензора до облака. Но не само за сензорите, а и за индустриалните системи за управление и камери, Datacom, както и сървърните приложения важи следното: сигналите трябва да се предават надеждно със скорост 20 Gbit/s и повече. Освен високата скорост, IIoT, Big Data и други подобни технологии носят със себе си още една тенденция: според нея електронните компоненти трябва не само да стават все по-бързи и интелигентни, но и все по-малки. Тази напредваща миниатюризация затруднява разработчиците при преминаването на задължителните тестове за електромагнитна съвместимост (EMC) съгласно европейската директива. Това се дължи на факта, че електронните компоненти в даден модул могат да действат както като поглъщатели на смущения, така и като източници на смущения, а близкото разположение на чувствителни компоненти увеличава риска от взаимно влияние.
Определение за бордовата мрежа: децентрализирана архитектура с домейни и зони
Класическата децентрализирана архитектура в автомобила се състои от до 100 електронни блока, като на всеки от тях е възложена определена функция: управление на двигателя, въздушна възглавница, ABS / ESP, регулиране на седалките, климатична система и др. Всеки блок работи автономно и комуникира с останалите електронни блокове чрез шлюзове.
През последните десетилетия децентрализираната архитектура претърпя исторически растеж, като всяка нова функционалност се допълваше с още едно управляващо устройство. Днес обаче тя достига границите си: нарастващите функционалности значително увеличават разходите за монтаж и окабеляване в автомобила.
При домейн архитектурата управляващите устройства се обединяват в различни функционални области. Всяка домейн отговаря за определена област на автомобила, като например задвижване, инфоразвлечение или безопасност. Управлението на дадена домейн се осъществява от самостоятелен високопроизводителен компютър (HPC). Той координира контролните устройства в рамките на своята домейн. За функционалната област „Безопасност“ това биха били например контролни устройства за системи за подпомагане на водача, ABS/ESP и системи за управление на волана.
В сравнение с децентрализираната архитектура, по-малкият брой вградени контролни устройства намалява разходите за окабеляване и монтаж. По този начин домейн архитектурата може ефективно да допринесе за намаляване на разходите и теглото в сравнение с децентрализираната архитектура. Освен това допълнителни функции могат да бъдат интегрирани впоследствие с минимални усилия.
При зоналната архитектура структурирането не се извършва въз основа на домейни, а по локални зони. Така например в рамките на една зона в автомобила се обединяват няколко функционалности. Съответно функции като задвижване и инфоразвлечение могат напълно да бъдат обединени и обработвани в един зонов контролер. Надзорът над различните зонови контролери се осъществява от централен HPC. Предимството е очевидно: намаляване на броя на контролерите, както и на кабелите им, с до 50 процента.
През последните десетилетия децентрализираната архитектура претърпя исторически растеж, като всяка нова функционалност се допълваше с още едно управляващо устройство. Днес обаче тя достига границите си: нарастващите функционалности значително увеличават разходите за монтаж и окабеляване в автомобила.
При домейн архитектурата управляващите устройства се обединяват в различни функционални области. Всяка домейн отговаря за определена област на автомобила, като например задвижване, инфоразвлечение или безопасност. Управлението на дадена домейн се осъществява от самостоятелен високопроизводителен компютър (HPC). Той координира контролните устройства в рамките на своята домейн. За функционалната област „Безопасност“ това биха били например контролни устройства за системи за подпомагане на водача, ABS/ESP и системи за управление на волана.
В сравнение с децентрализираната архитектура, по-малкият брой вградени контролни устройства намалява разходите за окабеляване и монтаж. По този начин домейн архитектурата може ефективно да допринесе за намаляване на разходите и теглото в сравнение с децентрализираната архитектура. Освен това допълнителни функции могат да бъдат интегрирани впоследствие с минимални усилия.
При зоналната архитектура структурирането не се извършва въз основа на домейни, а по локални зони. Така например в рамките на една зона в автомобила се обединяват няколко функционалности. Съответно функции като задвижване и инфоразвлечение могат напълно да бъдат обединени и обработвани в един зонов контролер. Надзорът над различните зонови контролери се осъществява от централен HPC. Предимството е очевидно: намаляване на броя на контролерите, както и на кабелите им, с до 50 процента.
Изисквания към HPC и неговите съединители
Изискванията, които това поставя пред HPC, са големи: не на последно място обработката на изображенията в сферата на инфоразвлеченията или камерите за автономно шофиране изискват сигурен високоскоростен пренос на данни с кратко време на закъснение. В същото време при никакви обстоятелства не трябва да се стига до прекъсване на предаването на сигнала – неговата надеждност трябва да бъде гарантирана по всяко време.
Висока производителност, бърз и преди всичко надежден пренос на данни – понякога при неблагоприятни условия на околната среда – са следователно изисквания, които се поставят към вградените конектори.
„Четливостта“ на един сигнал може да бъде илюстрирана с помощта на така наречената диаграма на окото. Тя показва дали предаден сигнал може да бъде еднозначно приписан към цифровите състояния 1 или 0 в приемника.
За целта сигналът преминава през определено трасе за предаване, като се записва, наслагва и изобразява от осцилоскоп. По този начин всички възможни сигнални криви могат да бъдат изобразени „една върху друга“. Теоретично преходите на логическите състояния са безкрайно стръмни, а сигналните линии преминават точно една върху друга. В резултат на външни смущаващи фактори и вътрешни нарушения на сигналните двойки нарастването на сигнала се изравнява, а амплитудата се променя. По този начин се получава формата на око, от която идва и наименованието.
Висока производителност, бърз и преди всичко надежден пренос на данни – понякога при неблагоприятни условия на околната среда – са следователно изисквания, които се поставят към вградените конектори.
„Четливостта“ на един сигнал може да бъде илюстрирана с помощта на така наречената диаграма на окото. Тя показва дали предаден сигнал може да бъде еднозначно приписан към цифровите състояния 1 или 0 в приемника.
За целта сигналът преминава през определено трасе за предаване, като се записва, наслагва и изобразява от осцилоскоп. По този начин всички възможни сигнални криви могат да бъдат изобразени „една върху друга“. Теоретично преходите на логическите състояния са безкрайно стръмни, а сигналните линии преминават точно една върху друга. В резултат на външни смущаващи фактори и вътрешни нарушения на сигналните двойки нарастването на сигнала се изравнява, а амплитудата се променя. По този начин се получава формата на око, от която идва и наименованието.
В центъра на диаграмата се вижда така наречената „очна маска“. В тази област не е възможно еднозначното разпознаване на сигнала.
Двете диаграми на окото показват влиянието на дължината на кабела и импеданса на примера на конекторите ept Colibri във версиите 16 + Gbit/s и 10 Gbit/s. Примерът илюстрира как чрез по-нататъшното развитие на дизайна на контактите е било постигнато значително повишаване на целостта на сигнала (вж. фиг. XX). Благодарение на по-късата дължина на кабела и импеданса от 100 Ω, окото на 16+ Gbit/s варианта на Colibri се оформя по-ясно, отколкото при предходния вариант на Colibri с 10 Gbit/s – двойките сигнали могат да бъдат интерпретирани еднозначно.
Двете диаграми на окото показват влиянието на дължината на кабела и импеданса на примера на конекторите ept Colibri във версиите 16 + Gbit/s и 10 Gbit/s. Примерът илюстрира как чрез по-нататъшното развитие на дизайна на контактите е било постигнато значително повишаване на целостта на сигнала (вж. фиг. XX). Благодарение на по-късата дължина на кабела и импеданса от 100 Ω, окото на 16+ Gbit/s варианта на Colibri се оформя по-ясно, отколкото при предходния вариант на Colibri с 10 Gbit/s – двойките сигнали могат да бъдат интерпретирани еднозначно.
Тъй като високоскоростните сигнали са особено чувствителни към електромагнитни влияния, те се нуждаят от специална защита. Конекторът може да действа както като източник на смущения, така и като приемник. Поради тази причина се препоръчва защита на сигнала чрез екранираща ламарина, за да се предпазят чувствителните сигнали от външни влияния.
От фигура 4 става ясно, че дори малък електрически импулс може да изкриви полезния сигнал. Приемникът вече не може да интерпретира еднозначно цифровите състояния на HDMI сигнала дори след кратък импулс от 0,5 kV, докато предаването на сигнала на екранирания конектор остава стабилно дори при 4,4 kV.
От фигура 4 става ясно, че дори малък електрически импулс може да изкриви полезния сигнал. Приемникът вече не може да интерпретира еднозначно цифровите състояния на HDMI сигнала дори след кратък импулс от 0,5 kV, докато предаването на сигнала на екранирания конектор остава стабилно дори при 4,4 kV.
С помощта на индуктивността на връзката LK като параметър за електромагнитна съвместимост (EMC) конекторът може да бъде описан чрез разглеждане на електрическите условия и в двете функции – източник и приемник. За целта се използва единицата хенри. Това важи както за устойчивостта на смущения, така и за излъчването на смущения. Ако индуцираното напрежение (Uind), напрежението на генератора (UGen) и константата на генератора (kGen) са известни, за дадена приложение може да се определи съответната специфична максимално допустима индуктивност на връзката (L) по следната формула:
LK = Uind / (UGen * kGen)
Индуктивността на свързване помага на потребителя също така да определи подходящия конектор по отношение на неговата електромагнитна съвместимост и да избегне скъпите и отнемащи време изпитания по метода на проба и грешка в лабораторията за електромагнитна съвместимост. Ето един пример: за HDMI сигнал при напрежение от 4,4 kV е определена максимална индуктивност на връзката от 47 пикохенри (pH). Ако стойността е по-висока, сигналът вече не може да се предава без смущения.
LK = Uind / (UGen * kGen)
Индуктивността на свързване помага на потребителя също така да определи подходящия конектор по отношение на неговата електромагнитна съвместимост и да избегне скъпите и отнемащи време изпитания по метода на проба и грешка в лабораторията за електромагнитна съвместимост. Ето един пример: за HDMI сигнал при напрежение от 4,4 kV е определена максимална индуктивност на връзката от 47 пикохенри (pH). Ако стойността е по-висока, сигналът вече не може да се предава без смущения.
Но не само електромагнитните влияния застрашават предаването на високоскоростните сигнали. Особено при използването в автомобилната индустрия, съединителите са изложени на екстремни условия на околната среда като вибрации и удари. За да може предаването на сигнала да протича без прекъсвания дори в сурова среда, съединителят трябва да бъде особено здрав. При това решаваща роля играят преди всичко дизайнът на контактите, контактната система и технологията на свързване.
Фактор, оказващ влияние: система за контакти
Класическите двукомпонентни съединители разполагат с ножов и пружинен контакт. При силен удар обаче ножовият контакт може да се отдели от пружинния контакт. За да не се стигне до такова прекъсване на контакта, може да се осигури резервираност и по този начин сигурност на контакта с помощта на двустранен пружинен контакт, тъй като благодарение на втората пружина предаването на сигнала е гарантирано по всяко време поне през една контактна точка (фиг. 5).
Още по-здрави са обаче съединителите с така наречената „неутрална по пол“ контактна система. Особеността се състои в идентичната геометрия на контактите на двойката съединители – щекер и гнездо. И двата разполагат както с пружина, така и с нож. По този начин всеки пин се свързва с два контакта, като щекерът и гнездото са преплетени един в друг и не могат да се отделят един от друг. Докато двустранната пружинна лента при механично натоварване винаги осигурява поне една точка на контакт, преплетените геометрии при системите с неутрални по пол контакти гарантират, че предаването на сигнала винаги протича през две точки на контакт. Тази висока излишност позволява по този начин максимална сигурност на контакта (фиг. 5).
Като технология за свързване, осигуряваща трайна връзка между печатната платка и конектора, се препоръчва технологията за повърхностен монтаж (SMT). При нея конекторите се запояват с помощта на спояваща паста върху определени повърхности на печатната платка, наречени спояващи площадки. Едва в така наречената пещ за рефлоу спойката се разтопява и след това се втвърдява. Чрез SMT могат да се реализират стабилни връзки между конектора и печатната платка. За целта обаче трябва да бъдат изпълнени някои критерии: На първо място, за спойка, отговаряща на стандарта IPC-A-610, трябва да се спазва правилното съотношение между спойната основа, спойната площадка и спойната паста. Само по този начин се създава висококачествена връзка, която позволява свързване съгласно клас 3 по IPC, т.е. подходяща е за използване във високопроизводителна електроника. В тази класа трябва да се изключат по всяко време прекъсвания в предаването на сигнала. Оптималната спойка се разпознава по равномерното образуване на менискус. Контактът трябва да бъде обграден от всички страни от спойния менискус, за да се постигнат най-добрите сили на задържане върху печатната платка. (Фиг. 9).
Копланарността на контактните крачета е предпоставка за отлично свързване, като тя се подлага на 100% автоматизирана проверка по време на производствения процес.
Заключение
Актуалните тенденции в автомобилната индустрия поставят все нови изисквания към вградените съединители. На пръв поглед изглежда, че ролята на вградените съединители остава на заден план поради намаления брой електронни блокове. При по-внимателно разглеждане обаче става ясно, че именно поради тази промяна към централизирана обработка на данни чрез HPC тяхната роля придобива все по-голямо значение: надеждността при предаването на сигнали никога не е била толкова важна, колкото днес.