Nagy sebesség kockázat nélkül
A Big Data és társai egyre nagyobb adatátviteli sebességeket igényelnek. Ugyanakkor az elektronikus alkatrészeknek nemcsak egyre gyorsabbnak és intelligensebbnek, hanem egyre kisebbnek is kell lenniük. Ebből különleges kockázatok adódnak az adatátvitel terén, és ezzel együtt új kihívások is merülnek fel a csatlakozási technológia számára. Mire kell figyelnie a csatlakozónál (csatlakozó), hogy elkerülje a jelzavarokat?
Az összes iparágban zajló folyamatos digitalizáció – mint például az ipari internet (Industrial Internet of Things), az Ipar 4.0, a Smart Grid és a Smart Home – nagy sebességű adatátvitelt igényel az érzékelőtől a felhőig. De nem csak az érzékelők esetében, hanem az ipari vezérlők és kamerarendszerek, a Datacom, valamint a szerveralkalmazások esetében is érvényes: a jeleket 20 Gbit/s-os és 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 elhelyezése növeli a kölcsönös befolyásolás kockázatát.
fedélzeti hálózat meghatározása: decentralizált, domén- és zónás architektúra
A klasszikus decentralizált architektúra az autóiparban akár 100 vezérlőegységből áll, amelyek mindegyikéhez egy meghatározott funkció van rendelve: 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 (vezérlőegység) egészítettek ki. Ma azonban ez a rendszer a határaihoz érkezett: a növekvő funkcionalitás jelentősen megnöveli a jármű belsejében szükséges telepítési és kábelezési ráfordítást.
A domén-architektúrában a vezérlőegységeket különböző funkcionális területekbe csoportosítják. Minden domén jármű egy meghatározott területéért felel, például a hajtásért, az infotainmentért vagy a biztonságért. Egy domén felügyeleti vezérlését egy önálló, nagy teljesítményű számítógép (HPC) végzi. Ez koordinálja a doménjén belüli vezérlőegységeket. 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 miatt csökken a kábelezési és telepítési ráfordítás. 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 architektúrában (zónaarchitektúra) 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 (zónavezérlő), mint a hajtás és az infotainment. A különböző zónavezérlők feletti vezérlést egy központi HPC végzi. Az előny nyilvánvaló: a vezérlőegységek számának és a kábelezésnek akár 50 százalékos csökkentése.
Az elmúlt évtizedek során a decentralizált architektúra történelmi növekedésen ment keresztül: minden új funkciót egy újabb vezérlőegységgel (vezérlőegység) egészítettek ki. Ma azonban ez a rendszer a határaihoz érkezett: a növekvő funkcionalitás jelentősen megnöveli a jármű belsejében szükséges telepítési és kábelezési ráfordítást.
A domén-architektúrában a vezérlőegységeket különböző funkcionális területekbe csoportosítják. Minden domén jármű egy meghatározott területéért felel, például a hajtásért, az infotainmentért vagy a biztonságért. Egy domén felügyeleti vezérlését egy önálló, nagy teljesítményű számítógép (HPC) végzi. Ez koordinálja a doménjén belüli vezérlőegységeket. 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 miatt csökken a kábelezési és telepítési ráfordítás. 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 architektúrában (zónaarchitektúra) 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 (zónavezérlő), mint a hajtás és az infotainment. A különböző zónavezérlők feletti vezérlést egy központi HPC végzi. Az előny nyilvánvaló: a vezérlőegységek számának és a kábelezésnek akár 50 százalékos csökkentése.
A HPC-vel és annak csatlakozóival (csatlakozó) szemben támasztott követelmények
Ebből fakadóan a HPC-vel szemben támasztott követelmények jelentősek: nem utolsósorban a képalkotó adatok feldolgozása az infotainment területén vagy az autonóm vezetéshez szükséges kamerarendszerek esetében biztonságos, nagy sebességű adatátvitelt igényel rövid késleltetési idők mellett. Ugyanakkor semmilyen körülmények között nem fordulhat elő az adatátvitel megszakadása – megbízhatóságát minden esetben biztosítani kell.
A magas teljesítmény, a gyors és mindenekelőtt megbízható adatátvitel – olykor kedvezőtlen környezeti feltételek mellett is – így olyan követelményeket támaszt a beépített csatlakozó szemben is.
A jel „olvashatóságát” a szemábra segítségével lehet szemléltetni. Ez jelzi, hogy egy továbbított jel a vevőben egyértelműen hozzárendelhető-e az 1-es vagy a 0-s digitális állapothoz.
Ehhez a jel egy meghatározott átviteli útvonalon halad át, miközben egy oszcilloszkóp rögzíti, szuperponálja 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 alakul ki a névadó „szem” alak.
A magas teljesítmény, a gyors és mindenekelőtt megbízható adatátvitel – olykor kedvezőtlen környezeti feltételek mellett is – így olyan követelményeket támaszt a beépített csatlakozó szemben is.
A jel „olvashatóságát” a szemábra segítségével lehet szemléltetni. Ez jelzi, hogy egy továbbított jel a vevőben egyértelműen hozzárendelhető-e az 1-es vagy a 0-s digitális állapothoz.
Ehhez a jel egy meghatározott átviteli útvonalon halad át, miközben egy oszcilloszkóp rögzíti, szuperponálja 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 alakul ki a névadó „szem” alak.
A diagram közepén látható az úgynevezett „Eye Mask”. Ebben a tartományban a jel egyértelmű azonosítása nem lehetséges.
A két szemábra az ept Colibri-csatlakozó 16 + Gbit/s és 10 Gbit/s kivitelének példáján mutatja be a vezetékhossz és az impedancia hatását. A példa szemlélteti, hogy az érintkező kialakítás továbbfejlesztésével hogyan sikerült jelentősen növelni a jelintegritás (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 szemábra az ept Colibri-csatlakozó 16 + Gbit/s és 10 Gbit/s kivitelének példáján mutatja be a vezetékhossz és az impedancia hatását. A példa szemlélteti, hogy az érintkező kialakítás továbbfejlesztésével hogyan sikerült jelentősen növelni a jelintegritás (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 hatásokra, különleges jelvédelemre szorulnak. Egy csatlakozó (csatlakozó) ekkor akár zavarforrásként, akár elnyelőként is működhet. Emiatt ajánlott a jelvédelem árnyékoló lemez (árnyékolólemez) segítségével, hogy az érzékeny jeleket megvédjék a külső hatásoktól.
A 4. ábrából kitűnik, 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-nál is stabilan működik.
A 4. ábrából kitűnik, 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-nál is stabilan működik.
Az LK kapcsolási induktivitás (kölcsönös induktivitás) mint EMC-paraméter segítségével a csatlakozó mindkét funkciója – forrás és nyelő – elektromos viszonyainak figyelembevételével leírható. Ehhez a Henry mértékegységet használják. Ez mind az zavartűrés, mind az zavarkibocsátás vonatkozik. Ha az indukált feszültség (Uind), a generátor feszültsége (UGen) és a generátorállandó (kGen) ismertek, akkor egy adott alkalmazáshoz a megfelelő, maximálisan megengedett kölcsönös induktivitás (L) a következő képlet segítségével határozható meg:
LK = Uind / (UGen * kGen)
A kölcsönös induktivitás segít a felhasználónak abban is, hogy az elektromágneses összeférhetőség szempontjából meghatározza a megfelelő csatlakozó, és elkerülje a költség- és időigényes próbálkozás-hiba módszerű vizsgálatokat az EMC-Laborban. Erre egy példa: egy HDMI-jel esetében 4,4 kV feszültség mellett az adott esetre vonatkozó maximális kölcsönös induktivitás-értéket 47 picohenry (pH) értékre határozták meg. Ha az érték meghaladja ezt a határértéket, a jel már nem továbbítható zavarmentesen.
LK = Uind / (UGen * kGen)
A kölcsönös induktivitás segít a felhasználónak abban is, hogy az elektromágneses összeférhetőség szempontjából meghatározza a megfelelő csatlakozó, és elkerülje a költség- és időigényes próbálkozás-hiba módszerű vizsgálatokat az EMC-Laborban. Erre egy példa: egy HDMI-jel esetében 4,4 kV feszültség mellett az adott esetre vonatkozó maximális kölcsönös induktivitás-értéket 47 picohenry (pH) értékre határozták meg. Ha az érték meghaladja ezt a határértéket, a jel már nem továbbítható zavarmentesen.
De nem csak az elektromágneses hatások veszélyeztetik a nagy sebességű jelek átvitelét. Különösen az autóipari alkalmazásokban a csatlakozók (csatlakozó) ismétlődően szélsőséges környezeti feltételeknek, például rezgésnek és ütéseknek vannak kitéve. Ahhoz, hogy a jelátvitel zord környezetben is megszakítás nélkül történjen, a csatlakozónak különösen robusztusnak kell lennie. Ebben elsősorban az érintkező kialakítása, az érintkezőrendszer és a csatlakozási technika (csatlakozástechnika) játszik döntő szerepet.
Befolyásoló tényező: érintkezőrendszer
A klasszikus, kétrészes csatlakozók (csatlakozó) egy kés- és egy rugós érintkezővel (anya érintkező) rendelkeznek. Erős ütés hatására azonban a késsor (apa csatlakozó) leválhat a rugós sorról (anya csatlakozó). Annak érdekében, hogy ne kerüljön sor ilyen érintkezőszakadásra (érintkezés-megszakadás), egy kétoldalas rugós sor segítségével biztosítható a redundancia és így az érintkezésbiztonság, mivel a második rugó révén a jelátvitel minden esetben legalább egy érintkezési ponton keresztül biztosított (5. ábra).
Ennél is robusztusabb a hermafrodit érintkezőrendszerrel rendelkező csatlakozó (csatlakozó). A különlegességük abban rejlik, hogy a csatlakozópárok – a dugasz (Plug) és az aljzat (Socket) – érintkezőgeometriája azonos. Mindkettő rendelkezik tehát egy-egy rugóval és egy-egy pengével. Így minden érintkezőt két rugó érint, a dugasz és az aljzat pedig egymásba fonódik, és nem tudnak egymástól elválni. Míg egy kétoldalas anya csatlakozó mechanikai terhelés esetén mindig legalább egy érintkezési pontot biztosít, addig a nem-semleges érintkezőrendszereknél az egymásba fonódó geometriák garantálják, 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 csatlakozáshoz a felületre szerelési technológia ( csatlakozástechnika,SMT) ajánlott. A forrasztópaszta segítségével a csatlakozó -t a nyomtatott áramköri lap meghatározott forrasztási felületeire, a forrszemekre forrasztják. Csak egy úgynevezett reflow-kemence során olvad meg a forrasztóanyag, majd keményedik meg. 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 forrasztási láb, forrszem és forrasztópaszta megfelelő arányát. Csak így jön létre olyan kiváló minőségű csatlakozás, amely lehetővé teszi az IPC 3. osztály szerinti csatlakozást, vagyis alkalmas a nagy teljesítményű elektronika területén való felhasználásra. Ebben az osztályban a jelátvitel megszakadását minden esetben ki kell zárni. Az optimális forrasztott kötés az egyenletes meniszkusz kialakulásáról ismerhető fel. Az érintkezőt körbe kell ölelnie a forrasztási meniszkusznak, hogy a nyomtatott áramköri lapon a legjobb megtartó erőt érjük 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 aktuális fejlemények egyre újabb követelményeket támasztanak a beépített csatlakozókra (csatlakozó). Első ránézésre úgy tűnik, hogy a beépített csatlakozók szerepe a vezérlőegységek számának csökkenése miatt háttérbe szorul. Alaposabb vizsgálat során azonban kiderül, hogy éppen ez a változás – a HPC-n keresztül történő központi adatfeldolgozás felé történő átállás – miatt növekszik a jelentőségük: a jelátvitel megbízhatósága még soha nem volt olyan fontos, mint manapság.