Hoge snelheid zonder risico's
Big data en aanverwante technologieën vragen om steeds hogere gegevensoverdrachtssnelheden. Tegelijkertijd moeten elektronische componenten niet alleen steeds sneller en slimmer worden, maar ook steeds kleiner. Dit brengt specifieke risico’s met zich mee voor de gegevensoverdracht en daarmee ook nieuwe uitdagingen voor de aansluittechnologie. Waar moet u bij uw connector op letten 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 supersnelle gegevensoverdracht van de sensor naar de cloud. Maar niet alleen voor sensoren, ook voor industriële besturingssystemen en camerasystemen, datacommunicatie 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 storingsput als storingsbron fungeren en de nabijheid van gevoelige componenten verhoogt het risico op wederzijdse beïnvloeding.
Definitie van het boordnet: gedecentraliseerde architectuur met domeinen en zones
De klassieke gedecentraliseerde architectuur in auto’s bestaat uit maximaal 100 regeleenheden, waarbij aan elke regeleenheid een specifieke functie is toegewezen: motorregeling, airbag, ABS/ESP, stoelverstelling, airconditioning, … Elke regeleenheid werkt zelfstandig en communiceert via gateways met andere regeleenheden.
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 bedradingskosten binnen het voertuig aanzienlijk.
Bij de domeinarchitectuur worden de regeleenheden gegroepeerd in verschillende functiegebieden. Elk domein is verantwoordelijk voor een bepaald deel van het voertuig, zoals 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 functiegebied veiligheid zouden dat bijvoorbeeld regeleenheden zijn voor rijhulpsystemen, ABS/ESP en stuursystemen.
In vergelijking met de decentrale architectuur vermindert de bedradings- en installatie-inspanning door het kleinere aantal ingebouwde regeleenheden. De domeinarchitectuur kan dus 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 zone-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 zonecontroller worden samengevoegd en verwerkt. De overkoepelende besturing van de verschillende zonecontrollers 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 bedradingskosten binnen het voertuig aanzienlijk.
Bij de domeinarchitectuur worden de regeleenheden gegroepeerd in verschillende functiegebieden. Elk domein is verantwoordelijk voor een bepaald deel van het voertuig, zoals 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 functiegebied veiligheid zouden dat bijvoorbeeld regeleenheden zijn voor rijhulpsystemen, ABS/ESP en stuursystemen.
In vergelijking met de decentrale architectuur vermindert de bedradings- en installatie-inspanning door het kleinere aantal ingebouwde regeleenheden. De domeinarchitectuur kan dus 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 zone-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 zonecontroller worden samengevoegd en verwerkt. De overkoepelende besturing van de verschillende zonecontrollers 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 connectoren
De eisen die hieruit voortvloeien voor een HPC zijn hoog: niet in de laatste plaats vereisen de verwerking van beeldgegevens in de infotainmentsector of de camerasystemen voor autonoom rijden een veilige, snelle gegevensoverdracht met korte latentie. 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 connectoren 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' worden weergegeven. In theorie zijn de overgangen van 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 amplitudehöjde. Er 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 connectoren 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' worden weergegeven. In theorie zijn de overgangen van 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 amplitudehöjde. Er ontstaat de vorm van een oog, waaraan het diagram zijn naam ontleent.
In het midden van het diagram is het zogenaamde oogmasker te zien. In dit gebied is een eenduidige interpretatie van het signaal niet mogelijk.
De twee oogdiagrammen tonen de invloed van kabellengte en impedantie aan de hand van het voorbeeld van de ept Colibri-connectoren 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 invloed van kabellengte en impedantie aan de hand van het voorbeeld van de ept Colibri-connectoren 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 hogesnelheidssignalen bijzonder gevoelig zijn voor elektromagnetische invloeden, hebben ze een speciale signaalbescherming nodig. Een connector kan daarbij zowel als storingsbron als 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 verstoren, 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 verstoren, 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 koppelinductie LK als EMC-parameter kan de stekker worden beschreven door de elektrische verhoudingen in beide functies – bron en sink – te bekijken. Hiervoor wordt de eenheid Henry gebruikt. Dit geldt zowel voor de storingsbestendigheid als voor de storingsemissie. 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 koppelingsinductie (L) worden bepaald aan de hand van de volgende formule:
LK = Uind / (UGen * kGen)
De koppelingsinductiviteit helpt de gebruiker bovendien bij het bepalen van de juiste connector wat betreft de elektromagnetische compatibiliteit en het vermijden van kostbare en tijdrovende trial-and-error-tests in het EMC-laboratorium. Hier volgt een voorbeeld: voor een HDMI-signaal werd bij een spanning van 4,4 kV een toepassingsspecifieke maximale koppelingsinductie van 47 picohenry (pH) vastgesteld. Ligt de waarde daarboven, kan het signaal dus niet meer storingsvrij worden overgedragen.
LK = Uind / (UGen * kGen)
De koppelingsinductiviteit helpt de gebruiker bovendien bij het bepalen van de juiste connector wat betreft de elektromagnetische compatibiliteit en het vermijden van kostbare en tijdrovende trial-and-error-tests in het EMC-laboratorium. Hier volgt een voorbeeld: voor een HDMI-signaal werd bij een spanning van 4,4 kV een toepassingsspecifieke maximale koppelingsinductie van 47 picohenry (pH) vastgesteld. Ligt de waarde daarboven, kan het signaal dus niet meer storingsvrij worden overgedragen.
Maar niet alleen elektromagnetische invloeden vormen een risico voor de overdracht van hogesnelheidssignalen. Met name in de automobielindustrie worden connectoren herhaaldelijk blootgesteld aan extreme omgevingsomstandigheden zoals trillingen en schokken. Om ervoor te zorgen dat de signaaloverdracht ook in ruwe omgevingen 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 stekkers zijn voorzien van een mes- en een veercontact. Bij een sterke schok kan de mescontactstrip echter loskomen van de veercontactstrip. Om te voorkomen dat een dergelijke contactonderbreking optreedt, kan met behulp van een dubbelzijdige veercontactstrip 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 connectoren met een zogenaamd „genderneutraal“ contactsysteem. Het bijzondere hieraan is dat de contactgeometrieën van de stekkerparen – stekker en bus – identiek zijn. Beide beschikken dus zowel over een veer als over een mes. Zo wordt elke pin door twee veren geraakt, waarbij stekker en bus in elkaar zijn vergrendeld en niet van elkaar los kunnen komen. Terwijl een dubbelzijdige veerlijst onder 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. Hierbij worden de connectoren met behulp van soldeerpasta op de daarvoor bestemde aansluitpunten van de printplaat, de soldeerpads, gesoldeerd. Pas in een zogenaamde reflow-oven wordt het soldeermiddel gesmolten en vervolgens uitgehard. Met SMT kunnen stabiele verbindingen tussen stekker en printplaat worden gerealiseerd. Hiervoor moet echter aan enkele criteria worden voldaan: ten eerste moet voor een normconforme IPC-A-610-soldeerverbinding de juiste verhouding tussen soldeervoet, 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 hoogwaardige elektronica. Storingen in de signaaloverdracht moeten in deze klasse te allen tijde worden uitgesloten. Een optimale soldeerverbinding is te herkennen aan de gelijkmatige meniscusvorming. Het contact moet rondom worden omsloten door een soldeermeniscus om de beste hechtkrachten 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
De huidige ontwikkelingen in de automobielsector stellen steeds nieuwe eisen aan de ingebouwde connectoren. Op het eerste gezicht lijkt de rol van de ingebouwde connectoren naar de achtergrond te verdwijnen door 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 is nog nooit zo belangrijk geweest als vandaag.