Viteză mare fără riscuri
Big Data și alte tehnologii similare impun viteze de transfer de date din ce în ce mai mari. În același timp, componentele electronice trebuie să devină nu doar tot mai rapide și mai inteligente, ci și tot mai mici. Acest lucru generează riscuri specifice în ceea ce privește transferul de date și, prin urmare, noi provocări pentru tehnologia de conectare. La ce trebuie să fiți atenți atunci când alegeți un conector pentru a evita interferențele de semnal?

Digitalizarea tot mai avansată în toate sectoarele, precum Internetul industrial al lucrurilor (IIoT), Industria 4.0, rețelele inteligente (Smart Grid) și casele inteligente (Smart Home), necesită o transmisie de date de mare viteză de la senzor până la cloud. Totuși, nu doar în cazul senzorilor, ci și al sistemelor de control industrial și al sistemelor de camere, al comunicațiilor de date (Datacom) și al aplicațiilor de server, semnalele trebuie transmise în mod fiabil la viteze de 20 Gbit/s și mai mari. Pe lângă viteza mare, IIoT, Big Data și altele aduc cu ele încă o tendință: conform acesteia, componentele electronice nu trebuie doar să devină din ce în ce mai rapide și mai inteligente, ci și din ce în ce mai mici. Această miniaturizare progresivă îngreunează pentru dezvoltatori îndeplinirea cerințelor de testare EMC obligatorii ale directivei europene. Acest lucru se datorează faptului că componentele electronice ale unui modul pot acționa atât ca absorbante de interferențe, cât și ca surse de interferențe, iar amplasarea în apropiere a componentelor sensibile crește riscul unei influențe reciproce.
Definiția rețelei de bord: arhitectură descentralizată, pe domenii și zone

Arhitectura clasică descentralizată din domeniul auto cuprinde până la 100 de unități de control, fiecăreia fiindu-i atribuită o funcție specifică: controlul motorului, airbag, ABS / ESP, reglarea scaunelor, climatizarea, … Fiecare unitate de control funcționează autonom și comunică cu celelalte unități prin intermediul unor gateway-uri.
De-a lungul ultimelor decenii, arhitectura descentralizată a cunoscut o creștere istorică, fiecare funcționalitate nouă fiind completată cu un dispozitiv de control suplimentar. Astăzi, însă, aceasta își atinge limitele: funcționalitățile tot mai numeroase cresc semnificativ efortul de instalare și cablare în interiorul vehiculului.
În arhitectura pe domenii, dispozitivele de control sunt grupate în diferite zone funcționale. Fiecare domeniu este responsabil pentru o anumită zonă a vehiculului, cum ar fi propulsia, infotainmentul sau siguranța. Controlul superior al unui domeniu este realizat de un computer independent de înaltă performanță (HPC). Acesta coordonează unitățile de control din cadrul domeniului său. Pentru domeniul funcțional al siguranței, acestea ar fi, de exemplu, unitățile de control pentru sistemele de asistență la conducere, ABS/ESP și sistemele de direcție.
În comparație cu arhitectura descentralizată, efortul de cablare și instalare se reduce datorită numărului mai mic de unități de control instalate. Astfel, arhitectura pe domenii poate contribui efectiv la reducerea costurilor și a greutății în comparație cu arhitectura descentralizată. În plus, funcțiile suplimentare pot fi integrate ulterior cu efort redus.
În cazul arhitecturii pe zone, structurarea nu se realizează pe baza domeniilor, ci pe zone locale. Astfel, de exemplu, în cadrul unei zone din automobil sunt grupate mai multe funcționalități. Prin urmare, funcții precum propulsia și infotainmentul pot fi, de asemenea, combinate și procesate într-un controler de zonă. Controlul superior al diferitelor controlere de zonă este asigurat de un HPC central. Avantajul este evident: o reducere a numărului de unități de control și a cablajului acestora cu până la 50%.
De-a lungul ultimelor decenii, arhitectura descentralizată a cunoscut o creștere istorică, fiecare funcționalitate nouă fiind completată cu un dispozitiv de control suplimentar. Astăzi, însă, aceasta își atinge limitele: funcționalitățile tot mai numeroase cresc semnificativ efortul de instalare și cablare în interiorul vehiculului.
În arhitectura pe domenii, dispozitivele de control sunt grupate în diferite zone funcționale. Fiecare domeniu este responsabil pentru o anumită zonă a vehiculului, cum ar fi propulsia, infotainmentul sau siguranța. Controlul superior al unui domeniu este realizat de un computer independent de înaltă performanță (HPC). Acesta coordonează unitățile de control din cadrul domeniului său. Pentru domeniul funcțional al siguranței, acestea ar fi, de exemplu, unitățile de control pentru sistemele de asistență la conducere, ABS/ESP și sistemele de direcție.
În comparație cu arhitectura descentralizată, efortul de cablare și instalare se reduce datorită numărului mai mic de unități de control instalate. Astfel, arhitectura pe domenii poate contribui efectiv la reducerea costurilor și a greutății în comparație cu arhitectura descentralizată. În plus, funcțiile suplimentare pot fi integrate ulterior cu efort redus.
În cazul arhitecturii pe zone, structurarea nu se realizează pe baza domeniilor, ci pe zone locale. Astfel, de exemplu, în cadrul unei zone din automobil sunt grupate mai multe funcționalități. Prin urmare, funcții precum propulsia și infotainmentul pot fi, de asemenea, combinate și procesate într-un controler de zonă. Controlul superior al diferitelor controlere de zonă este asigurat de un HPC central. Avantajul este evident: o reducere a numărului de unități de control și a cablajului acestora cu până la 50%.
Cerințe privind HPC și conectorii acestuia

Cerințele care decurg din aceasta pentru un HPC sunt mari: nu în ultimul rând, procesarea datelor de imagistică în domeniul infotainmentului sau a sistemelor de camere pentru conducerea autonomă necesită o transmisie sigură a datelor la viteză mare, cu timpi de latență scurți. În același timp, sub nicio formă nu trebuie să se producă o întrerupere a transmisiei semnalului – fiabilitatea acesteia trebuie asigurată în orice moment.
Performanță ridicată, transfer de date rapid și, mai ales, fiabil – uneori în condiții de mediu nefavorabile – sunt, prin urmare, cerințe care se aplică și conectorilor integrați.
„Lizibilitatea” unui semnal poate fi ilustrată cu ajutorul așa-numitului diagramă oculară. Aceasta indică dacă un semnal transmis poate fi atribuit în mod clar stărilor digitale 1 sau 0 în receptor.
Pentru aceasta, un semnal parcurge o distanță de transmisie definită, fiind înregistrat, suprapus și afișat de un osciloscop. Astfel, toate curbe de semnal posibile pot fi reprezentate „una peste alta”. În teorie, tranzițiile stărilor logice sunt infinit de abrupte, iar liniile de semnal se suprapun exact una peste alta. Din cauza factorilor de perturbare externi și a afectării interne a perechilor de semnale, creșterea semnalului se aplatizează, iar amplitudinea se modifică. Rezultă forma unui ochi, care dă numele diagramelor.
Performanță ridicată, transfer de date rapid și, mai ales, fiabil – uneori în condiții de mediu nefavorabile – sunt, prin urmare, cerințe care se aplică și conectorilor integrați.
„Lizibilitatea” unui semnal poate fi ilustrată cu ajutorul așa-numitului diagramă oculară. Aceasta indică dacă un semnal transmis poate fi atribuit în mod clar stărilor digitale 1 sau 0 în receptor.
Pentru aceasta, un semnal parcurge o distanță de transmisie definită, fiind înregistrat, suprapus și afișat de un osciloscop. Astfel, toate curbe de semnal posibile pot fi reprezentate „una peste alta”. În teorie, tranzițiile stărilor logice sunt infinit de abrupte, iar liniile de semnal se suprapun exact una peste alta. Din cauza factorilor de perturbare externi și a afectării interne a perechilor de semnale, creșterea semnalului se aplatizează, iar amplitudinea se modifică. Rezultă forma unui ochi, care dă numele diagramelor.

În centrul diagramei se observă așa-numita „mască oculară”. În această zonă nu este posibilă identificarea clară a semnalului.
Cele două diagrame de ochi arată influențele lungimii cablului și ale impedanței pe exemplul conectorilor ept Colibri în versiunile 16 + Gbit/s și 10 Gbit/s. Exemplul ilustrează modul în care, prin perfecționarea designului contactelor, s-a putut obține o creștere semnificativă a integrității semnalului (vezi fig. XX). Datorită unei lungimi mai scurte a cablului și a unei impedanțe de 100 Ω, ochiul variantei Colibri de 16+ Gbit/s se poate forma mai clar decât în cazul variantei anterioare a Colibri de 10 Gbit/s – perechile de semnale pot fi interpretate fără ambiguitate.
Cele două diagrame de ochi arată influențele lungimii cablului și ale impedanței pe exemplul conectorilor ept Colibri în versiunile 16 + Gbit/s și 10 Gbit/s. Exemplul ilustrează modul în care, prin perfecționarea designului contactelor, s-a putut obține o creștere semnificativă a integrității semnalului (vezi fig. XX). Datorită unei lungimi mai scurte a cablului și a unei impedanțe de 100 Ω, ochiul variantei Colibri de 16+ Gbit/s se poate forma mai clar decât în cazul variantei anterioare a Colibri de 10 Gbit/s – perechile de semnale pot fi interpretate fără ambiguitate.

Deoarece semnalele de mare viteză sunt deosebit de sensibile la interferențele electromagnetice, acestea necesită o protecție specială a semnalului. Un conector poate acționa atât ca sursă de interferență, cât și ca receptor al acesteia. Din acest motiv, se recomandă protecția semnalului cu ajutorul unei ecranări metalice, pentru a proteja semnalele sensibile de influențele externe.
Faptul că chiar și un impuls electric mic poate denatura semnalul util reiese din figura 4. Receptorul nu mai poate interpreta în mod clar stările digitale ale semnalului HDMI deja după un impuls scurt de 0,5 kV, în timp ce transmisia semnalului conectorului ecranat rămâne stabilă chiar și la 4,4 kV.
Faptul că chiar și un impuls electric mic poate denatura semnalul util reiese din figura 4. Receptorul nu mai poate interpreta în mod clar stările digitale ale semnalului HDMI deja după un impuls scurt de 0,5 kV, în timp ce transmisia semnalului conectorului ecranat rămâne stabilă chiar și la 4,4 kV.

Folosind inductanța de cuplare LK ca parametru EMC, conectorul poate fi descris prin analiza condițiilor electrice în ambele funcții – sursă și receptor. În acest scop se utilizează unitatea Henry. Acest lucru este valabil atât pentru imunitate, cât și pentru emisii. Dacă tensiunea indusă (Uind), tensiunea generatorului (UGen) și constanta generatorului (kGen) sunt cunoscute, inductanța de cuplare maximă admisibilă specifică pentru o aplicație poate fi determinată folosind următoarea formulă:
LK = Uind / (UGen * kGen)
Inductanța de cuplare ajută, de asemenea, utilizatorul să definească conectorul adecvat în ceea ce privește compatibilitatea electromagnetică și să evite testele de tip „trial-and-error” costisitoare și consumatoare de timp în laboratorul EMC. Iată un exemplu: pentru un semnal HDMI, la o tensiune de 4,4 kV, a fost determinată o inductanță de cuplare maximă specifică cazului de 47 picohenri (pH). Dacă valoarea este mai mare, semnalul nu mai poate fi transmis fără interferențe.
LK = Uind / (UGen * kGen)
Inductanța de cuplare ajută, de asemenea, utilizatorul să definească conectorul adecvat în ceea ce privește compatibilitatea electromagnetică și să evite testele de tip „trial-and-error” costisitoare și consumatoare de timp în laboratorul EMC. Iată un exemplu: pentru un semnal HDMI, la o tensiune de 4,4 kV, a fost determinată o inductanță de cuplare maximă specifică cazului de 47 picohenri (pH). Dacă valoarea este mai mare, semnalul nu mai poate fi transmis fără interferențe.
Însă nu doar influențele electromagnetice pun în pericol transmisia semnalelor de mare viteză. În special în aplicațiile din industria auto, conectorii sunt expuși în mod repetat la condiții de mediu extreme, precum vibrații și șocuri. Pentru ca transmisia semnalului să se desfășoare fără întreruperi chiar și în medii dure, conectorul trebuie să fie deosebit de robust. În acest context, designul contactelor, sistemul de contact și tehnologia de conectare joacă un rol decisiv.
Factorul de influență: sistemul de contact

Conectorii clasici din două părți sunt prevăzuți cu un contact cu lamă și unul cu arc. Cu toate acestea, în cazul unor șocuri puternice, șina cu lamele se poate desprinde de șina cu arcuri. Pentru a preveni o astfel de întrerupere a contactului, se poate asigura redundanța și, prin urmare, siguranța contactului cu ajutorul unei șine cu arcuri duble, deoarece, datorită celui de-al doilea arc, transmisia semnalului este asigurată în orice moment prin cel puțin un punct de contact (Fig. 5).

În schimb, conectorii cu așa-numitul sistem de contact „neutru din punct de vedere al genului” sunt și mai rezistenți. Particularitatea constă în geometria identică a contactelor perechilor de conectori, adică a conectorului și a prizei. Ambele dispun, prin urmare, atât de un contact cu arc, cât și de un contact cu lamă. Astfel, fiecare pin este conectat de două arcuri, conectorul și priza fiind interconectate și neputându-se desprinde una de cealaltă. În timp ce o bară cu arcuri pe două fețe asigură întotdeauna cel puțin un punct de contact sub sarcină mecanică, geometriile interconectate din sistemele de contact neutre din punct de vedere al genului garantează că transmisia semnalului se realizează întotdeauna prin două puncte de contact. Această redundanță ridicată permite astfel o siguranță maximă a contactului (Fig. 5).

Tehnologia de montare pe suprafață (SMT) este recomandată ca tehnică de conectare pentru o legătură durabilă între placa de circuit imprimat și conector. Cu ajutorul pastei de lipit, conectorii sunt lipiți pe suprafețele de conectare definite ale plăcii de circuit imprimat, numite paduri de lipit. Abia într-un așa-numit cuptor de reflow aliajul de lipit este topit și apoi întărit. Prin SMT se pot realiza conexiuni stabile între conector și placa de circuit imprimat. Pentru aceasta trebuie însă îndeplinite câteva criterii: în primul rând, pentru un punct de lipire conform standardului IPC-A-610, trebuie respectat raportul corect dintre piciorul de lipire, padul de lipire și pasta de lipire. Numai astfel se realizează o conexiune de înaltă calitate, care permite o conexiune conform clasei IPC 3, fiind astfel adecvată pentru utilizarea în electronica de înaltă performanță. În această clasă, trebuie excluse în orice moment defecțiunile în transmisia semnalului. O conexiune optimă prin lipire se recunoaște după formarea uniformă a meniscului. Contactul trebuie să fie înconjurat pe toată circumferința de meniscul de lipire, pentru a obține cele mai bune forțe de fixare pe placa de circuit imprimat. (Fig. 9).
Coplanaritatea picioarelor de contact este o condiție esențială pentru o conexiune de calitate superioară, aceasta fiind supusă unei inspecții 100% automatizate pe parcursul procesului.
Concluzie

Evoluțiile actuale din industria auto impun cerințe tot mai noi asupra conectorilor utilizați. La prima vedere, rolul conectorilor pare să treacă în plan secund, datorită numărului redus de unități de control. Cu toate acestea, o analiză mai atentă arată că rolul lor capătă o importanță sporită tocmai datorită acestei transformări către procesarea centralizată a datelor prin intermediul HPC: fiabilitatea transmiterii semnalelor nu a fost niciodată atât de importantă ca în prezent.

