Nagy sebesség kockázat nélkül
A Big Data és társai egyre nagyobb adatátviteli sebességet igényelnek. Ugyanakkor az elektronikus alkatrészeknek nemcsak egyre gyorsabbnak és intelligensebbnek, hanem egyre kisebbnek is kell lenniük. Ez különleges kockázatokat jelent az adatátvitel terén, és ezzel együtt új kihívásokat is támaszt a csatlakozási technológiával szemben. Mire kell figyelnie a csatlakozók kiválasztásakor a jelzavarok elkerülése érdekében?
Az összes iparágban zajló folyamatos digitalizáció – mint például az ipari internet, az Ipar 4.0, az intelligens hálózatok és az intelligens otthonok – nagy sebességű adatátvitelt igényel az érzékelőtől a felhőig. Ez azonban nem csak az érzékelőkre vonatkozik, hanem az ipari vezérlőkre és kamerarendszerekre, az adatátvitelre, valamint a szerveralkalmazásokra is: a jeleket 20 Gbit/s-os vagy annál nagyobb sebességgel kell megbízhatóan továbbítani. A nagy sebesség mellett az IIoT, a Big Data és társai egy további trendet is magukkal hoznak: ennek megfelelően az elektronikus alkatrészeknek nemcsak egyre gyorsabbnak és intelligensebbnek, hanem egyre kisebbnek is kell lenniük. Ez a folyamatos miniatürizálás megnehezíti a fejlesztők számára az európai irányelv kötelező EMC-vizsgálatainak teljesítését. Ugyanis egy modul elektronikus alkatrészei egyaránt működhetnek zavarelnyelőként és zavarforrásként is, és az érzékeny alkatrészek közeli elhelyezkedése növeli a kölcsönös befolyásolás kockázatát.
A fedélzeti hálózat meghatározása: decentralizált, tartományokból és zónákból álló architektúra
Az autók klasszikus decentralizált architektúrája akár 100 vezérlőegységből áll, amelyek mindegyikéhez egy meghatározott funkció tartozik: motorvezérlés, légzsák, ABS / ESP, ülésállítás, légkondicionálás, … Minden vezérlőegység önállóan működik, és átjárókon keresztül kommunikál a többi vezérlőegységgel.
Az elmúlt évtizedek során a decentralizált architektúra történelmi növekedésen ment keresztül, minden új funkciót egy újabb vezérlőegységgel egészítettek ki. Ma azonban ez a rendszer a határait feszegeti: a növekvő funkcionalitás jelentősen megnöveli a jármű belsejében a telepítési és kábelezési költségeket.
A doménarchitektúrában a vezérlőegységeket különböző funkcionális területekbe csoportosítják. Minden domén a jármű egy meghatározott területéért felel, például a hajtásért, az infotainmentért vagy a biztonságért. Egy domain felügyeletét egy önálló nagy teljesítményű számítógép (HPC) végzi. Ez koordinálja a vezérlőegységeket a domainen belül. A biztonsági funkcionális terület esetében ezek például a vezetőasszisztens rendszerek, az ABS/ESP és a kormányrendszerek vezérlőegységei lennének.
A decentralizált architektúrához képest a beépített vezérlőegységek kisebb száma csökkenti a kábelezési és telepítési költségeket. A doménarchitektúra így a decentralizált architektúrához képest hatékonyan hozzájárulhat a költségek és a súly csökkentéséhez is. Ezen felül további funkciók is kis ráfordítással utólag integrálhatók. A zónás
architektúra esetében a strukturálás nem a domének, hanem a helyi zónák alapján történik. Így például egy autó egy zónáján belül több funkciót csoportosítanak össze. Ennek megfelelően olyan funkciók is összevonhatók és feldolgozhatók egy zónavezérlőben, mint a hajtás és az infotainment. A különböző zónavezérlők feletti vezérlést egy központi HPC végzi. Az előny nyilvánvaló: a vezérlőegységek és azok kábelezése akár 50 százalékkal is csökkenthető.
Az elmúlt évtizedek során a decentralizált architektúra történelmi növekedésen ment keresztül, minden új funkciót egy újabb vezérlőegységgel egészítettek ki. Ma azonban ez a rendszer a határait feszegeti: a növekvő funkcionalitás jelentősen megnöveli a jármű belsejében a telepítési és kábelezési költségeket.
A doménarchitektúrában a vezérlőegységeket különböző funkcionális területekbe csoportosítják. Minden domén a jármű egy meghatározott területéért felel, például a hajtásért, az infotainmentért vagy a biztonságért. Egy domain felügyeletét egy önálló nagy teljesítményű számítógép (HPC) végzi. Ez koordinálja a vezérlőegységeket a domainen belül. A biztonsági funkcionális terület esetében ezek például a vezetőasszisztens rendszerek, az ABS/ESP és a kormányrendszerek vezérlőegységei lennének.
A decentralizált architektúrához képest a beépített vezérlőegységek kisebb száma csökkenti a kábelezési és telepítési költségeket. A doménarchitektúra így a decentralizált architektúrához képest hatékonyan hozzájárulhat a költségek és a súly csökkentéséhez is. Ezen felül további funkciók is kis ráfordítással utólag integrálhatók. A zónás
architektúra esetében a strukturálás nem a domének, hanem a helyi zónák alapján történik. Így például egy autó egy zónáján belül több funkciót csoportosítanak össze. Ennek megfelelően olyan funkciók is összevonhatók és feldolgozhatók egy zónavezérlőben, mint a hajtás és az infotainment. A különböző zónavezérlők feletti vezérlést egy központi HPC végzi. Az előny nyilvánvaló: a vezérlőegységek és azok kábelezése akár 50 százalékkal is csökkenthető.
A HPC-vel és csatlakozóival szemben támasztott követelmények
A HPC-vel szemben támasztott követelmények rendkívül magasak: nem utolsósorban az infotainment-területen végzett képalkotó adatok feldolgozása vagy az autonóm vezetéshez szükséges kamerarendszerek igénylik a biztonságos, nagy sebességű adatátvitelt rövid késleltetési idők mellett. Ugyanakkor semmilyen körülmények között nem fordulhat elő az adatátvitel megszakadása – megbízhatóságát minden esetben biztosítani kell.
A nagy teljesítmény, a gyors és mindenekelőtt megbízható adatátvitel – olykor kedvezőtlen környezeti feltételek mellett – így a beépített csatlakozókra vonatkozó követelmények is.
A jel „olvashatóságát” az úgynevezett szemdiagram segítségével lehet szemléltetni. Ez jelzi, hogy egy továbbított jel a vevőben egyértelműen hozzárendelhető-e az 1 vagy a 0 digitális állapothoz.
Ehhez a jel egy meghatározott átviteli útvonalon halad át, ahol egy oszcilloszkóp rögzíti, összeadja és ábrázolja. Így az összes lehetséges jelalakulás „egymás fölött” ábrázolható. Elméletileg a logikai állapotok átmenetei végtelenül meredekek, és a jelvonalak pontosan egymás fölött futnak. Külső zavaró tényezők és a jelpárok belső zavarai miatt a jel emelkedése lelassul, és az amplitúdó magassága megváltozik. Így keletkezik a névadó szem alakú forma.
A nagy teljesítmény, a gyors és mindenekelőtt megbízható adatátvitel – olykor kedvezőtlen környezeti feltételek mellett – így a beépített csatlakozókra vonatkozó követelmények is.
A jel „olvashatóságát” az úgynevezett szemdiagram segítségével lehet szemléltetni. Ez jelzi, hogy egy továbbított jel a vevőben egyértelműen hozzárendelhető-e az 1 vagy a 0 digitális állapothoz.
Ehhez a jel egy meghatározott átviteli útvonalon halad át, ahol egy oszcilloszkóp rögzíti, összeadja és ábrázolja. Így az összes lehetséges jelalakulás „egymás fölött” ábrázolható. Elméletileg a logikai állapotok átmenetei végtelenül meredekek, és a jelvonalak pontosan egymás fölött futnak. Külső zavaró tényezők és a jelpárok belső zavarai miatt a jel emelkedése lelassul, és az amplitúdó magassága megváltozik. Így keletkezik a névadó szem alakú forma.
A diagram közepén látható az úgynevezett „Eye Mask”. Ebben a tartományban a jel egyértelmű azonosítása nem lehetséges.
A két szemdiagram az ept Colibri csatlakozók 16 + Gbit/s és 10 Gbit/s változatainak példáján mutatja be a vezetékhossz és az impedancia hatását. A példa szemlélteti, hogy az érintkező kialakítás továbbfejlesztésével hogyan sikerült jelentősen növelni a jelintegritást (lásd XX. ábra). A rövidebb vezetékhossz és a 100 Ω-os impedancia révén a Colibri 16+ Gbit/s-es változatának szemdiagramja egyértelműbben alakul ki, mint a Colibri 10 Gbit/s-es elődmodelljénél – a jelpárok egyértelműen értelmezhetők.
A két szemdiagram az ept Colibri csatlakozók 16 + Gbit/s és 10 Gbit/s változatainak példáján mutatja be a vezetékhossz és az impedancia hatását. A példa szemlélteti, hogy az érintkező kialakítás továbbfejlesztésével hogyan sikerült jelentősen növelni a jelintegritást (lásd XX. ábra). A rövidebb vezetékhossz és a 100 Ω-os impedancia révén a Colibri 16+ Gbit/s-es változatának szemdiagramja egyértelműbben alakul ki, mint a Colibri 10 Gbit/s-es elődmodelljénél – a jelpárok egyértelműen értelmezhetők.
Mivel a nagy sebességű jelek különösen érzékenyek az elektromágneses zavarokra, speciális jelvédelemre van szükségük. Egy csatlakozó ilyen esetben akár zavarforrásként, akár elnyelőként is működhet. Ezért ajánlott árnyékolólemezt használni a jelek védelmére, hogy megóvjuk az érzékeny jeleket a külső zavaró hatásoktól.
A 4. ábra jól szemlélteti, hogy már egy kis elektromos impulzus is eltorzíthatja a hasznos jelet. A vevő már egy rövid, 0,5 kV-os impulzus után sem tudja egyértelműen értelmezni a HDMI-jel digitális állapotait, míg az árnyékolt csatlakozó jelátvitele még 4,4 kV-os feszültség mellett is stabil marad.
A 4. ábra jól szemlélteti, hogy már egy kis elektromos impulzus is eltorzíthatja a hasznos jelet. A vevő már egy rövid, 0,5 kV-os impulzus után sem tudja egyértelműen értelmezni a HDMI-jel digitális állapotait, míg az árnyékolt csatlakozó jelátvitele még 4,4 kV-os feszültség mellett is stabil marad.
Az LK kapcsolási induktivitás elektromágneses kompatibilitási paraméterként lehetővé teszi a csatlakozó leírását mindkét funkció – forrás és nyelő – elektromos viszonyainak figyelembevételével. Ehhez a Henry mértékegységet használják. Ez mind az interferencia-ellenállásra, mind az interferencia-kibocsátásra vonatkozik. Ha az indukált feszültség (Uind), a generátor feszültsége (UGen) és a generátorállandó (kGen) ismertek, akkor egy adott alkalmazáshoz a megfelelő maximálisan megengedett kapcsolási induktivitás (L) a következő képlet segítségével határozható meg:
LK = Uind / (UGen * kGen)
A kapcsolási induktivitás emellett segít a felhasználónak abban, hogy az elektromágneses kompatibilitás szempontjából meghatározza a megfelelő csatlakozót, és elkerülje a költség- és időigényes próbálkozás-hibázásos vizsgálatokat az EMC-laboratóriumban. Erre egy példa: egy HDMI-jel esetében 4,4 kV feszültség mellett 47 picohenry (pH) esetspecifikus maximális kapcsolási induktivitást határoztak meg. Ha az érték ennél magasabb, a jel már nem továbbítható zavarmentesen.
LK = Uind / (UGen * kGen)
A kapcsolási induktivitás emellett segít a felhasználónak abban, hogy az elektromágneses kompatibilitás szempontjából meghatározza a megfelelő csatlakozót, és elkerülje a költség- és időigényes próbálkozás-hibázásos vizsgálatokat az EMC-laboratóriumban. Erre egy példa: egy HDMI-jel esetében 4,4 kV feszültség mellett 47 picohenry (pH) esetspecifikus maximális kapcsolási induktivitást határoztak meg. Ha az érték ennél magasabb, a jel már nem továbbítható zavarmentesen.
De nem csupán az elektromágneses hatások veszélyeztetik a nagy sebességű jelek átvitelét. Különösen az autóipari alkalmazásokban a csatlakozók ismétlődően szélsőséges környezeti feltételeknek, például rezgésnek és ütéseknek vannak kitéve. Ahhoz, hogy a jelátvitel a zord környezetben is megszakítás nélkül működjön, a csatlakozónak különösen robusztusnak kell lennie. Ebben elsősorban az érintkező kialakítása, az érintkezőrendszer és a csatlakozási technika játszik döntő szerepet.
Befolyásoló tényező: érintkezőrendszer
A klasszikus kétrészes csatlakozók egy pengés és egy rugós érintkezővel rendelkeznek. Erős ütés hatására azonban a késes sáv elválhat a rugós sávtól. Annak érdekében, hogy ne kerüljön sor ilyen érintkezési megszakításra, egy kétoldalas rugós sáv segítségével biztosítható a redundancia és ezáltal az érintkezésbiztonság, mivel a második rugó révén a jelátvitel minden esetben legalább egy érintkezési ponton keresztül biztosított (5. ábra).
Ennél is robusztusabbak viszont az úgynevezett „nem-semleges” érintkezőrendszerrel rendelkező csatlakozók. Ezek különlegessége abban rejlik, hogy a csatlakozópárok – a dugasz és az aljzat – érintkezőgeometriája megegyezik. Mindkettő rendelkezik tehát egy-egy rugóval és egy-egy pengével. Így minden érintkezőt két rugó érint, a dugasz és az aljzat egymásba fonódik, és nem tudnak egymástól elválni. Míg egy kétoldalas rugós sáv mechanikai terhelés mellett mindig legalább egy érintkezési pontot biztosít, a nemek közötti egyenlőséget biztosító érintkezőrendszerek összefonódó geometriája garantálja, hogy a jelátvitel mindig két érintkezési ponton keresztül történjen. Ez a magas redundancia így maximális érintkezési biztonságot tesz lehetővé (5. ábra).
A nyomtatott áramköri lap és a csatlakozó közötti tartós összeköttetés kialakításához a felületre szerelési technológia (SMT) ajánlott. Ennek során a csatlakozókat forrasztópaszta segítségével a nyomtatott áramköri lap meghatározott csatlakozófelületeire, az úgynevezett forrasztópárnákra forrasztják. A forrasztóanyagot csak egy úgynevezett reflow kemencében olvasztják meg, majd hagyják megszilárdulni. Az SMT segítségével stabil csatlakozások valósíthatók meg a csatlakozó és a nyomtatott áramköri lap között. Ehhez azonban néhány kritériumnak meg kell felelni: Először is, a szabványnak megfelelő IPC-A-610 forrasztási pont érdekében be kell tartani a forrasztótalp, a forrasztópárna és a forrasztópaszta megfelelő arányát. Csak így jön létre olyan kiváló minőségű csatlakozás, amely IPC 3. osztályú csatlakozást tesz lehetővé, vagyis alkalmas nagy teljesítményű elektronikai alkalmazásokhoz. Ebben az osztályban a jelátvitel megszakadását minden esetben ki kell zárni. Az optimális forrasztási kapcsolatot az egyenletes meniszkusz kialakulásáról lehet felismerni. Az érintkezőt körbe kell ölelnie a forrasztási meniszkusznak, hogy a nyomtatott áramköri lapon a legjobb tartási erő érhető el. (9. ábra).
Az érintkezőtalpak koplanaritása elengedhetetlen feltétele a kiváló csatlakozásnak, amelyet a gyártási folyamat során 100%-ban automatizált ellenőrzésnek vetnek alá.
Összegzés
Az autóiparban zajló legújabb fejlemények egyre újabb követelményeket támasztanak a beépített csatlakozókkal szemben. Első pillantásra úgy tűnik, hogy a vezérlőegységek számának csökkenése miatt a beépített csatlakozók szerepe háttérbe szorul. Alaposabb vizsgálat során azonban kiderül, hogy éppen ez a változás – azaz a nagy teljesítményű számítógépek (HPC) segítségével történő központi adatfeldolgozás felé történő átállás – miatt növekszik a jelentőségük: a jelátvitel megbízhatósága még soha nem volt olyan fontos, mint manapság.