Vysoká rýchlosť bez rizika
Big Data a podobné technológie kladú čoraz vyššie nároky na rýchlosť prenosu dát. Zároveň musia byť elektronické komponenty nielen stále rýchlejšie a inteligentnejšie, ale aj stále menšie. Z toho vyplývajú špecifické riziká pri prenose dát a tým aj nové výzvy pre konektorovú technológiu. Na čo si musíte dávať pozor pri výbere konektora, aby ste predišli rušeniu signálu?

Postupujúca digitalizácia vo všetkých odvetviach, ako je priemyselný internet vecí (IIoT), Priemysel 4.0, inteligentné siete (Smart Grid) či inteligentné domácnosti (Smart Home), si vyžaduje vysokorýchlostný prenos dát od senzora až po cloud. Platí to však nielen pre senzory, ale aj pre priemyselné riadiace systémy a kamerové systémy, dátové komunikácie (Datacom) a serverové aplikácie: signály musia byť spoľahlivo prenášané rýchlosťou 20 Gbit/s a viac. Okrem vysokej rýchlosti prinášajú IIoT, Big Data a podobné technológie so sebou ešte jeden trend: elektronické komponenty musia byť nielen stále rýchlejšie a inteligentnejšie, ale aj stále menšie. Táto postupujúca miniaturizácia sťažuje vývojárom splnenie povinných skúšok EMV podľa európskej smernice. Elektronické komponenty v zostave totiž môžu pôsobiť ako prijímače rušenia, ale aj ako zdroje rušenia, a umiestnenie citlivých komponentov v tesnej blízkosti zvyšuje riziko vzájomného ovplyvňovania.
Definícia palubnej siete: decentralizovaná architektúra s doménami a zónami

Klasická decentralizovaná architektúra v automobile pozostáva z až 100 riadiacich jednotiek, pričom každej riadiacej jednotke je priradená definovaná funkcia: riadenie motora, airbag, ABS / ESP, nastavenie sedadiel, klimatizácia, … Každá riadiaca jednotka pracuje samostatne a komunikuje s ostatnými riadiacimi jednotkami prostredníctvom brán.
V priebehu uplynulých desaťročí prešla decentralizovaná architektúra historickým rastom, pričom každá nová funkcia bola doplnená o ďalšiu riadiacu jednotku. Dnes však naráža na svoje limity: rastúci počet funkcií výrazne zvyšuje náklady na inštaláciu a kabeláž vo vnútri vozidla.
V doménovej architektúre sú riadiace jednotky zoskupené do rôznych funkčných oblastí. Každá doména zodpovedá za určitú oblasť vozidla, napríklad pohon, infotainment alebo bezpečnosť. Nadradené riadenie domény zabezpečuje samostatný vysokovýkonný počítač (HPC). Ten koordinuje riadiace jednotky v rámci svojej domény. V oblasti bezpečnosti by to boli napríklad riadiace jednotky pre systémy asistencie vodiča, ABS/ESP a systémy riadenia.
V porovnaní s decentralizovanou architektúrou sa vďaka menšiemu počtu zabudovaných riadiacich jednotiek znižujú náklady na kabeláž a inštaláciu. Doménová architektúra tak môže v porovnaní s decentralizovanou architektúrou efektívne prispieť k zníženiu nákladov a hmotnosti. Okrem toho je možné dodatočne integrovať ďalšie funkcie s minimálnym úsilím.
V zónovej architektúre sa štruktúrovanie neuskutočňuje na základe domén, ale podľa lokálnych zón. Tak sa napríklad v rámci jednej zóny v automobile zlučujú viaceré funkcie. V súlade s tým je možné zlučovať a spracovávať aj funkcie ako pohon a infotainment v jednom zónovom regulátore. Nadradené riadenie rôznych zónových regulátorov zabezpečuje centrálny HPC. Výhoda je zrejmá: zníženie počtu riadiacich jednotiek a ich kabeláže až o 50 percent.
V priebehu uplynulých desaťročí prešla decentralizovaná architektúra historickým rastom, pričom každá nová funkcia bola doplnená o ďalšiu riadiacu jednotku. Dnes však naráža na svoje limity: rastúci počet funkcií výrazne zvyšuje náklady na inštaláciu a kabeláž vo vnútri vozidla.
V doménovej architektúre sú riadiace jednotky zoskupené do rôznych funkčných oblastí. Každá doména zodpovedá za určitú oblasť vozidla, napríklad pohon, infotainment alebo bezpečnosť. Nadradené riadenie domény zabezpečuje samostatný vysokovýkonný počítač (HPC). Ten koordinuje riadiace jednotky v rámci svojej domény. V oblasti bezpečnosti by to boli napríklad riadiace jednotky pre systémy asistencie vodiča, ABS/ESP a systémy riadenia.
V porovnaní s decentralizovanou architektúrou sa vďaka menšiemu počtu zabudovaných riadiacich jednotiek znižujú náklady na kabeláž a inštaláciu. Doménová architektúra tak môže v porovnaní s decentralizovanou architektúrou efektívne prispieť k zníženiu nákladov a hmotnosti. Okrem toho je možné dodatočne integrovať ďalšie funkcie s minimálnym úsilím.
V zónovej architektúre sa štruktúrovanie neuskutočňuje na základe domén, ale podľa lokálnych zón. Tak sa napríklad v rámci jednej zóny v automobile zlučujú viaceré funkcie. V súlade s tým je možné zlučovať a spracovávať aj funkcie ako pohon a infotainment v jednom zónovom regulátore. Nadradené riadenie rôznych zónových regulátorov zabezpečuje centrálny HPC. Výhoda je zrejmá: zníženie počtu riadiacich jednotiek a ich kabeláže až o 50 percent.
Požiadavky na HPC a jeho konektory

Požiadavky, ktoré z toho vyplývajú pre HPC, sú veľké: predovšetkým spracovanie obrazových údajov v oblasti infotainmentu alebo kamerových systémov pre autonómne riadenie vyžaduje bezpečný vysokorýchlostný prenos dát s krátkymi latenciami. Zároveň nesmie v žiadnom prípade dôjsť k výpadku prenosu signálu – jeho spoľahlivosť musí byť zaistená kedykoľvek.
Vysoký výkon, rýchly a predovšetkým spoľahlivý prenos dát – niekedy aj za nepriaznivých podmienok prostredia – sú teda požiadavkami, ktoré sa kladú na zabudované konektory.
„Čitateľnosť“ signálu možno znázorniť pomocou takzvaného očního diagramu. Ten udáva, či je možné prenášaný signál v prijímači jednoznačne priradiť k digitálnym stavom 1 alebo 0.
Na tento účel signál prechádza definovanou prenosovou trasou, pričom je zaznamenávaný osciloskopom, superponovaný a zobrazený. Takto je možné zobraziť všetky možné priebehy signálu „na sebe“. V teorii sú prechody logických stavov nekonečne strmé a signálne línie prebiehajú presne na sebe. V dôsledku vonkajších rušivých faktorov a vnútorného ovplyvnenia signálnych párov sa nárast signálu zplošťuje a mení sa výška amplitúdy. Vzniká tak tvar oka, ktorý dal názov tomuto diagramu.
Vysoký výkon, rýchly a predovšetkým spoľahlivý prenos dát – niekedy aj za nepriaznivých podmienok prostredia – sú teda požiadavkami, ktoré sa kladú na zabudované konektory.
„Čitateľnosť“ signálu možno znázorniť pomocou takzvaného očního diagramu. Ten udáva, či je možné prenášaný signál v prijímači jednoznačne priradiť k digitálnym stavom 1 alebo 0.
Na tento účel signál prechádza definovanou prenosovou trasou, pričom je zaznamenávaný osciloskopom, superponovaný a zobrazený. Takto je možné zobraziť všetky možné priebehy signálu „na sebe“. V teorii sú prechody logických stavov nekonečne strmé a signálne línie prebiehajú presne na sebe. V dôsledku vonkajších rušivých faktorov a vnútorného ovplyvnenia signálnych párov sa nárast signálu zplošťuje a mení sa výška amplitúdy. Vzniká tak tvar oka, ktorý dal názov tomuto diagramu.

V strede diagramu je vidieť takzvanú masku oka. V tejto oblasti nie je možné jednoznačne identifikovať signál.
Oba očné diagramy ukazujú vplyv dĺžky vedenia a impedancie na príklade konektorov ept Colibri v prevedeniach 16 + Gbit/s a 10 Gbit/s. Príklad ilustruje, ako sa vďaka zdokonaleniu konštrukcie kontaktov podarilo dosiahnuť výrazné zvýšenie integrity signálu (pozri obr. XX). Vďaka kratšej dĺžke vedenia a impedancii 100 Ω sa oko varianty Colibri 16+ Gbit/s môže vytvoriť jasnejšie ako u predchádzajúcej varianty Colibri s 10 Gbit/s – páry signálov sú jednoznačne interpretovateľné.
Oba očné diagramy ukazujú vplyv dĺžky vedenia a impedancie na príklade konektorov ept Colibri v prevedeniach 16 + Gbit/s a 10 Gbit/s. Príklad ilustruje, ako sa vďaka zdokonaleniu konštrukcie kontaktov podarilo dosiahnuť výrazné zvýšenie integrity signálu (pozri obr. XX). Vďaka kratšej dĺžke vedenia a impedancii 100 Ω sa oko varianty Colibri 16+ Gbit/s môže vytvoriť jasnejšie ako u predchádzajúcej varianty Colibri s 10 Gbit/s – páry signálov sú jednoznačne interpretovateľné.

Keďže vysokorýchlostné signály sú obzvlášť citlivé na elektromagnetické vplyvy, vyžadujú si špeciálnu ochranu signálu. Konektor môže v tomto prípade pôsobiť ako zdroj rušenia, ale aj ako jeho prijímač. Z tohto dôvodu sa odporúča ochrana signálu pomocou tienenia, aby sa citlivé signály chránili pred vonkajšími vplyvmi.
Z obrázku 4 vyplýva, že už aj malý elektrický impulz môže skresliť užitočný signál. Príjemca už nedokáže jednoznačne interpretovať digitálne stavy signálu HDMI už po krátkom impulze s napätím 0,5 kV, zatiaľ čo prenos signálu cez tienený konektor prebieha stabilne aj pri napätí 4,4 kV.
Z obrázku 4 vyplýva, že už aj malý elektrický impulz môže skresliť užitočný signál. Príjemca už nedokáže jednoznačne interpretovať digitálne stavy signálu HDMI už po krátkom impulze s napätím 0,5 kV, zatiaľ čo prenos signálu cez tienený konektor prebieha stabilne aj pri napätí 4,4 kV.

S pomocou spojovacej indukčnosti LK ako parametra elektromagnetickej kompatibility (EMC) je možné konektor opísať na základe posúdenia elektrických pomerov v oboch funkciách – ako zdroja aj ako prijímača. Na tento účel sa používa jednotka henry. To platí tak pre odolnosť voči rušeniu, ako aj pre vyžarovanie rušenia. Ak sú známe indukované napätie (Uind), napätie generátora (UGen) a konštanta generátora (kGen), je možné pre danú aplikáciu určiť príslušnú maximálnu prípustnú indukčnosť (L) pomocou nasledujúceho vzorca:
LK = Uind / (UGen * kGen)
Indukčnosť pomáha používateľovi tiež pri výbere vhodného konektora z hľadiska elektromagnetickej kompatibility a umožňuje vyhnúť sa nákladným a časovo náročným testom metódou pokusov a omylov v laboratóriu EMC. Tu je príklad: Pre signál HDMI bola pri napätí 4,4 kV stanovená maximálna indukčnosť pre daný prípad na 47 picohenry (pH). Ak je hodnota vyššia, signál sa už nemôže prenášať bez rušenia.
LK = Uind / (UGen * kGen)
Indukčnosť pomáha používateľovi tiež pri výbere vhodného konektora z hľadiska elektromagnetickej kompatibility a umožňuje vyhnúť sa nákladným a časovo náročným testom metódou pokusov a omylov v laboratóriu EMC. Tu je príklad: Pre signál HDMI bola pri napätí 4,4 kV stanovená maximálna indukčnosť pre daný prípad na 47 picohenry (pH). Ak je hodnota vyššia, signál sa už nemôže prenášať bez rušenia.
Prenos vysokorýchlostných signálov však neohrozujú len elektromagnetické vplyvy. Najmä v automobilovom priemysle sú konektory opakovane vystavené extrémnym podmienkam prostredia, ako sú vibrácie a nárazy. Aby prenos signálu prebiehal bez prerušenia aj v náročných podmienkach, musí byť konektor mimoriadne odolný. Rozhodujúcu úlohu tu zohrávajú predovšetkým konštrukcia kontaktov, kontaktný systém a technika pripojenia.
Faktor vplyvu: kontaktný systém

Klasické dvojdielne konektory sú vybavené nožovým a pružinovým kontaktom. V prípade silného nárazu sa však nožová lišta môže od pružinovej lišty odtrhnúť. Aby nedošlo k takémuto prerušeniu kontaktu, je možné pomocou obojstrannej pružinovej lišty zabezpečiť redundanciu a tým aj spoľahlivosť kontaktu, pretože vďaka druhej pružine je prenos signálu kedykoľvek zabezpečený aspoň cez jeden kontaktný bod (obr. 5).

Ešte odolnejšie sú naopak konektory s takzvaným „rodovo neutrálnym“ kontaktným systémom. Ich zvláštnosťou je identická geometria kontaktov u párov konektorov, teda u zástrčky a zásuvky. Oba majú teda k dispozícii ako pružinu, tak aj kontaktný hrot. Každý kolík je tak v kontakte s dvoma pružinami, pričom zástrčka a zásuvka sú navzájom prepletené a nemôžu sa od seba odpojiť. Zatiaľ čo obojstranná pružinová lišta pri mechanickom zaťažení vždy zabezpečuje aspoň jeden kontaktný bod, prepletené geometrie v rodovo neutrálnych kontaktných systémoch zaručujú, že prenos signálu prebieha vždy cez dva kontaktné body. Táto vysoká redundancia tak umožňuje maximálnu spoľahlivosť kontaktu (obr. 5).

Ako technika pripojenia pre trvalé spojenie medzi doskou s plošnými spojmi a konektorom sa odporúča technológia povrchovej montáže (SMT). Pomocou spájkovacej pasty sa konektory pripájajú na definované kontaktné plochy dosky s plošnými spojmi, tzv. spájkovacie plôšky. Až v takzvanom reflow peci sa spájka roztaví a následne vytvrdí. Vďaka SMT je možné realizovať stabilné spojenia medzi konektorom a doskou s plošnými spojmi. Na to však musia byť splnené niektoré kritériá: Najprv je potrebné dodržať správny pomer medzi pätkou, spájkovacou podložkou a spájkovacou pastou, aby bolo spájkovacie miesto v súlade s normou IPC-A-610. Iba tak sa vytvorí kvalitné spojenie, ktoré umožňuje pripojenie podľa triedy IPC 3, a je teda vhodné pre použitie vo vysokovýkonnej elektronike. V tejto triede musia byť výpadky v prenose signálu kedykoľvek vylúčené. Optimálne spájkované spojenie možno rozpoznať podľa rovnomerného vytvorenia menisku. Kontakt musí byť po celom obvode obklopený meniskom spájky, aby sa dosiahli najlepšie priľnavé sily na doske s plošnými spojmi. (Obr. 9).
Koplanarita kontaktných pätiek je predpokladom pre vynikajúce spojenie, ktoré sa počas procesu podrobuje 100 % automatizovanej kontrole.
Záver

Súčasný vývoj v automobilovom priemysle kladie na montované konektory stále nové požiadavky. Na prvý pohľad sa zdá, že úloha montovaných konektorov ustupuje do úzadia v dôsledku zníženého počtu riadiacich jednotiek. Pri bližšom pohľade sa však ukazuje, že práve vďaka tejto zmene smerom k centrálnemu spracovaniu dát prostredníctvom HPC ich úloha nadobúda na význame: spoľahlivosť pri prenose signálu nebola nikdy taká dôležitá ako dnes.

