Hoge snelheid zonder risico's
Big Data en dergelijke vereisen steeds hogere datasnelheden. Tegelijkertijd moeten elektronische componenten niet alleen steeds sneller en intelligenter worden, maar ook steeds kleiner. Dit brengt bijzondere risico’s met zich mee voor de gegevensoverdracht en daarmee ook nieuwe uitdagingen voor de aansluittechnologie. Waar moet u op letten bij uw connector om signaalstoringen te voorkomen?

De voortschrijdende digitalisering in alle sectoren, zoals het Industrial Internet of Things, Industrie 4.0, Smart Grid en Smart Home, vereist een hogesnelheidsgegevensoverdracht van de sensor naar de cloud. Maar niet alleen voor sensoren, ook bij industriële besturingssystemen en camerasystemen, datacom en servertoepassingen geldt: signalen moeten betrouwbaar worden overgedragen met 20 Gbit/s en meer. Naast hoge snelheid brengen IIoT, Big Data en dergelijke nog een andere trend met zich mee: elektronische componenten moeten niet alleen steeds sneller en intelligenter worden, maar ook steeds kleiner. Deze voortschrijdende miniaturisering maakt het voor ontwikkelaars moeilijker om te voldoen aan de verplichte EMC-tests van de Europese richtlijn. Elektronische componenten van een module kunnen namelijk zowel als storingsontvanger als storingsbron fungeren, en de nabijheid van gevoelige componenten verhoogt het risico op wederzijdse beïnvloeding.
Definitie van het boordnet: decentrale, domein- en zone-architectuur

De klassieke decentrale architectuur in de automobielindustrie bestaat uit maximaal 100 Steuergeräten, waarbij aan elk regeleenheid een welbepaalde functie is toegewezen: motorregeling, airbag, ABS / ESP, stoelverstelling, airconditioning, … Elke regeleenheid werkt autonoom en communiceert via gateways met andere regeleenheid.
In de loop van de afgelopen decennia heeft de decentrale architectuur een historische groei doorgemaakt; elke nieuwe functionaliteit werd aangevuld met een extra regeleenheid. Tegenwoordig stuit deze architectuur echter op haar grenzen: toenemende functionaliteiten verhogen de installatie- en bedradingsinspanningen binnen het voertuig aanzienlijk.
Bij de domeinarchitectuur worden de regeleenheid gegroepeerd in verschillende functionele domeinen. Elk domein is verantwoordelijk voor een bepaald onderdeel van het voertuig, zoals bijvoorbeeld de aandrijving, infotainment of veiligheid. De overkoepelende besturing van een domein wordt uitgevoerd door een zelfstandige high-performance computer (HPC). Deze coördineert de regeleenheden binnen zijn domein. Voor het functionele gebied veiligheid zouden dat bijvoorbeeld regeleenheden zijn voor rijhulpsystemen, ABS/ESP en stuursystemen.
In vergelijking met de decentrale architectuur neemt de bedradings- en installatie-inspanning af door het kleinere aantal ingebouwde regeleenheden. De domeinarchitectuur kan daardoor in vergelijking met de decentrale architectuur ook effectief bijdragen aan kosten- en gewichtsbesparing. Bovendien kunnen extra functies achteraf met weinig moeite worden geïntegreerd.
Bij de zonale architectuur vindt de structurering niet plaats op basis van domeinen, maar volgens lokale zones. Zo worden bijvoorbeeld binnen een zone in de auto meerdere functionaliteiten gebundeld. Daardoor kunnen functies zoals aandrijving en infotainment ook in een zonezonecontroller worden samengevoegd en verwerkt. De overkoepelende aansturing van de verschillende zonezonecontroller gebeurt daarbij door een centrale HPC. Het voordeel ligt voor de hand: een vermindering van het aantal regeleenheden en de bijbehorende bekabeling met wel 50 procent.
In de loop van de afgelopen decennia heeft de decentrale architectuur een historische groei doorgemaakt; elke nieuwe functionaliteit werd aangevuld met een extra regeleenheid. Tegenwoordig stuit deze architectuur echter op haar grenzen: toenemende functionaliteiten verhogen de installatie- en bedradingsinspanningen binnen het voertuig aanzienlijk.
Bij de domeinarchitectuur worden de regeleenheid gegroepeerd in verschillende functionele domeinen. Elk domein is verantwoordelijk voor een bepaald onderdeel van het voertuig, zoals bijvoorbeeld de aandrijving, infotainment of veiligheid. De overkoepelende besturing van een domein wordt uitgevoerd door een zelfstandige high-performance computer (HPC). Deze coördineert de regeleenheden binnen zijn domein. Voor het functionele gebied veiligheid zouden dat bijvoorbeeld regeleenheden zijn voor rijhulpsystemen, ABS/ESP en stuursystemen.
In vergelijking met de decentrale architectuur neemt de bedradings- en installatie-inspanning af door het kleinere aantal ingebouwde regeleenheden. De domeinarchitectuur kan daardoor in vergelijking met de decentrale architectuur ook effectief bijdragen aan kosten- en gewichtsbesparing. Bovendien kunnen extra functies achteraf met weinig moeite worden geïntegreerd.
Bij de zonale architectuur vindt de structurering niet plaats op basis van domeinen, maar volgens lokale zones. Zo worden bijvoorbeeld binnen een zone in de auto meerdere functionaliteiten gebundeld. Daardoor kunnen functies zoals aandrijving en infotainment ook in een zonezonecontroller worden samengevoegd en verwerkt. De overkoepelende aansturing van de verschillende zonezonecontroller gebeurt daarbij door een centrale HPC. Het voordeel ligt voor de hand: een vermindering van het aantal regeleenheden en de bijbehorende bekabeling met wel 50 procent.
Eisen aan de HPC en zijn connector

De eisen die hieruit voortvloeien voor een HPC zijn groot: niet in de laatste plaats vereisen de verwerking van beeldgegevens in de infotainment-sector of de camerasystemen voor autonoom rijden een veilige, snelle gegevensoverdracht met korte latentietijden. Tegelijkertijd mag de signaaloverdracht onder geen enkele omstandigheid uitvallen – de betrouwbaarheid ervan moet te allen tijde gewaarborgd zijn.
Hoge prestaties, snelle en vooral betrouwbare gegevensoverdracht – soms onder ongunstige omgevingsomstandigheden – zijn dus ook eisen die aan de ingebouwde connector worden gesteld.
De „leesbaarheid“ van een signaal kan worden geïllustreerd met behulp van het zogenaamde oogdiagram. Dit geeft aan of een verzonden signaal in de ontvanger eenduidig kan worden toegewezen aan de digitale toestanden 1 of 0.
Hiervoor doorloopt een signaal een gedefinieerd transmissietraject, waarbij het door een oscilloscoop wordt geregistreerd, gesuperponeerd en weergegeven. Zo kunnen alle mogelijke signaalverloopcurves ‘over elkaar heen’ worden weergegeven. In theorie zijn de overgangen tussen de logische toestanden daarbij oneindig steil en lopen de signaallijnen exact over elkaar heen. Door externe storingsfactoren en interne beïnvloeding van de signaalparen vlakt de signaalstijging af en verandert de amplitudehoogte. Zo ontstaat de vorm van een oog, waaraan het diagram zijn naam ontleent.
Hoge prestaties, snelle en vooral betrouwbare gegevensoverdracht – soms onder ongunstige omgevingsomstandigheden – zijn dus ook eisen die aan de ingebouwde connector worden gesteld.
De „leesbaarheid“ van een signaal kan worden geïllustreerd met behulp van het zogenaamde oogdiagram. Dit geeft aan of een verzonden signaal in de ontvanger eenduidig kan worden toegewezen aan de digitale toestanden 1 of 0.
Hiervoor doorloopt een signaal een gedefinieerd transmissietraject, waarbij het door een oscilloscoop wordt geregistreerd, gesuperponeerd en weergegeven. Zo kunnen alle mogelijke signaalverloopcurves ‘over elkaar heen’ worden weergegeven. In theorie zijn de overgangen tussen de logische toestanden daarbij oneindig steil en lopen de signaallijnen exact over elkaar heen. Door externe storingsfactoren en interne beïnvloeding van de signaalparen vlakt de signaalstijging af en verandert de amplitudehoogte. Zo ontstaat de vorm van een oog, waaraan het diagram zijn naam ontleent.

In het midden van het diagram is het zogenaamde ‘Eye Mask’ te zien. Een eenduidige toewijzing van het signaal is in dit gebied niet mogelijk.
De twee oogdiagrammen tonen de invloeden van kabellengte en impedantie aan de hand van het voorbeeld van de ept Colibri-connector in de uitvoeringen 16+ Gbit/s en 10 Gbit/s. Het voorbeeld illustreert hoe door de verdere ontwikkeling van het contactontwerp een aanzienlijke verbetering van de signaalintegriteit kon worden bereikt (zie afb. XX). Door een kortere kabellengte en een impedantie van 100 Ω kan het oog van de 16+ Gbit/s-variant van de Colibri duidelijker worden gevormd dan bij de voorganger van de Colibri met 10 Gbit/s – de signaalparen zijn eenduidig te interpreteren.
De twee oogdiagrammen tonen de invloeden van kabellengte en impedantie aan de hand van het voorbeeld van de ept Colibri-connector in de uitvoeringen 16+ Gbit/s en 10 Gbit/s. Het voorbeeld illustreert hoe door de verdere ontwikkeling van het contactontwerp een aanzienlijke verbetering van de signaalintegriteit kon worden bereikt (zie afb. XX). Door een kortere kabellengte en een impedantie van 100 Ω kan het oog van de 16+ Gbit/s-variant van de Colibri duidelijker worden gevormd dan bij de voorganger van de Colibri met 10 Gbit/s – de signaalparen zijn eenduidig te interpreteren.

Aangezien high-speed-signalen bijzonder gevoelig zijn voor elektromagnetische invloeden, hebben ze een speciale signaalbescherming nodig. Een connector kan daarbij zowel als storingsbron als afvoer fungeren. Om deze reden wordt signaalbescherming door middel van een afschermplaat aanbevolen om de gevoelige signalen tegen externe invloeden te beschermen.
Dat zelfs een kleine elektrische impuls het bruikbare signaal kan vervormen, blijkt uit afbeelding 4. De ontvanger kan de digitale toestanden van het HDMI-signaal al na een korte burst-impuls van 0,5 kV niet meer eenduidig interpreteren, terwijl de signaaloverdracht van de afgeschermde connector zelfs bij 4,4 kV nog stabiel verloopt.
Dat zelfs een kleine elektrische impuls het bruikbare signaal kan vervormen, blijkt uit afbeelding 4. De ontvanger kan de digitale toestanden van het HDMI-signaal al na een korte burst-impuls van 0,5 kV niet meer eenduidig interpreteren, terwijl de signaaloverdracht van de afgeschermde connector zelfs bij 4,4 kV nog stabiel verloopt.

Met de koppelwederzijdse inductie LK als EMC-parameter kan de stekker worden beschreven door de elektrische verhoudingen in beide functies – bron en sink – te beschouwen. Hiervoor wordt de eenheid Henry gebruikt. Dit geldt zowel voor de immuniteit als voor de elektromagnetische emissie. Als de geïnduceerde spanning (Uind), de spanning van de generator (UGen) en de generatorconstante (kGen) bekend zijn, kan voor een toepassing de specifieke, maximaal toegestane wederzijdse inductie (L) worden bepaald aan de hand van de volgende formule:
LK = Uind / (UGen * kGen)
De koppelwederzijdse inductie helpt de gebruiker bovendien bij het selecteren van de juiste connector op basis van de elektromagnetische compatibiliteit en maakt het mogelijk om kostbare en tijdrovende trial-and-error-tests in het EMC-Labor te vermijden. Hier volgt een voorbeeld: voor een HDMI-signaal werd bij een spanning van 4,4 kV een voor dit specifieke geval maximale kwederzijdse inductie van 47 picohenry (pH) vastgesteld. Ligt de waarde daarboven, dan kan het signaal dus niet meer storingsvrij worden overgedragen.
LK = Uind / (UGen * kGen)
De koppelwederzijdse inductie helpt de gebruiker bovendien bij het selecteren van de juiste connector op basis van de elektromagnetische compatibiliteit en maakt het mogelijk om kostbare en tijdrovende trial-and-error-tests in het EMC-Labor te vermijden. Hier volgt een voorbeeld: voor een HDMI-signaal werd bij een spanning van 4,4 kV een voor dit specifieke geval maximale kwederzijdse inductie van 47 picohenry (pH) vastgesteld. Ligt de waarde daarboven, dan kan het signaal dus niet meer storingsvrij worden overgedragen.
Maar niet alleen elektromagnetische invloeden vormen een risico voor de overdracht van de high-speed-signalen. Met name in de automobielindustrie worden connector herhaaldelijk blootgesteld aan extreme omgevingsomstandigheden zoals trillingen en schokken. Om ervoor te zorgen dat de signaaloverdracht ook in een ruwe omgeving zonder onderbrekingen verloopt, moet de connector bijzonder robuust zijn. Hierbij spelen in de eerste plaats het contactontwerp, het contactsysteem en de aansluittechniek een doorslaggevende rol.
Invloedsfactor: contactsysteem

Klassieke tweedelige connector beschikken over een mes- en een vrouwelijk contact. Bij sterke schokken kan de mannelijke connector echter loskomen van de vrouwelijke connector. Om te voorkomen dat een dergelijke contactonderbreking optreedt, kan met behulp van een dubbelzijdige vrouwelijke connector voor redundantie en daarmee voor contactzekerheid worden gezorgd, want door de tweede veer is de signaaloverdracht te allen tijde via ten minste één contactpunt gewaarborgd (afb. 5).

Nog robuuster zijn daarentegen connector met een zogenaamd „hermafrodiet“ contactsysteem. Het bijzondere hieraan is de identieke contactgeometrie van de stekkerparen, Plug en Socket. Beide beschikken dus zowel over een veer als over een mes. Zo wordt elke pin door twee veren gecontacteerd; Plug en Socket zijn daarbij in elkaar verweven en kunnen niet van elkaar loskomen. Terwijl een dubbelzijdige ‘vrouwelijke connector’ bij mechanische belasting altijd minimaal één contactpunt garandeert, zorgen de in elkaar vergrendelde geometrieën bij genderneutrale contactsystemen ervoor dat de signaaloverdracht altijd via twee contactpunten verloopt. Deze hoge redundantie zorgt dus voor maximale contactzekerheid (afb. 5).

Als aansluittechniek voor een duurzame verbinding tussen printplaat en connector wordt de Surface-Mount-Technologie (SMT) aanbevolen. Met behulp van soldeerpasta worden de connector daarbij op gedefinieerde eilanden van de printplaat, de soldeerpads, gesoldeerd. Pas in een zogenaamde reflowoven wordt het soldeermiddel gesmolten en vervolgens uitgehard. Met SMT kunnen stabiele verbindingen tussen connector en printplaat worden gerealiseerd. Hiervoor moet echter aan enkele criteria worden voldaan: allereerst moet voor een soldeerverbinding die voldoet aan de IPC-A-610-norm de juiste verhouding tussen SMT-aansluitpoot, soldeerpad en soldeerpasta worden aangehouden. Alleen zo wordt een hoogwaardige verbinding tot stand gebracht die een aansluiting volgens IPC-klasse 3 mogelijk maakt, en dus geschikt is voor gebruik in hoogvermogenelektronica. Storingen in de signaaloverdracht moeten in deze klasse te allen tijde worden uitgesloten. Een optimale soldeerverbinding is te herkennen aan de gelijkmatige vorming van de meniscus. Het contact moet rondom worden omsloten door de soldeermeniscus om de beste houdkrachten op de printplaat te bereiken. (Afb. 9).
De coplanariteit van de contactvoeten is daarbij een voorwaarde voor een uitstekende verbinding; deze wordt tijdens het proces onderworpen aan een 100% geautomatiseerde inspectie.
Conclusie

Actuele ontwikkelingen in de automobielindustrie stellen steeds nieuwe eisen aan de ingebouwde Steckverbindern. Op het eerste gezicht lijkt de rol van de ingebouwde connector naar de achtergrond te verdwijnen vanwege het verminderde aantal regeleenheden. Bij nader inzien blijkt echter dat hun rol juist door deze verschuiving naar centrale gegevensverwerking via HPC aan belang wint: betrouwbaarheid bij de signaaloverdracht was nog nooit zo belangrijk als vandaag de dag.

