Velika brzina bez rizika
Veliki podaci i povezane tehnologije zahtijevaju sve veće brzine prijenosa podataka. Istovremeno elektroničke komponente ne samo da moraju postati brže i pametnije, nego i manje. To dovodi do specifičnih rizika u prijenosu podataka i, posljedično, novih izazova za tehnologiju povezivanja. Na što biste trebali paziti kod svojih konektora kako biste izbjegli smetnje signala?
Tekuća digitalizacija u svim sektorima – poput industrijskog interneta stvari (IIoT), industrije 4.0, pametnih mreža i pametnih domova – zahtijeva prijenos podataka velikom brzinom od senzora do oblaka. Međutim, to se ne odnosi samo na senzore, već i na industrijske upravljačke sustave i sustave kamera, podatkovne komunikacije i poslužiteljske aplikacije: signali se moraju pouzdano prenositi brzinama od 20 Gbit/s i više. Osim velike brzine, IIoT, Big Data i slično sa sobom donose još jedan trend: elektroničke komponente ne samo da moraju postajati sve brže i pametnije, već i sve manje. Ova stalna miniaturizacija otežava programerima prolazak obveznih EMC testova koje zahtijeva europska direktiva. To je zato što elektroničke komponente unutar sklopovine mogu djelovati i kao odvodnici i kao izvori smetnji, a blizina osjetljivih komponenti povećava rizik od međusobnih smetnji.
Definicija električnog sustava vozila: decentralizirana arhitektura temeljena na domenama i zonama
Tradicionalna decentralizirana arhitektura u automobilu sastoji se od do 100 upravljačkih jedinica, pri čemu je svakoj jedinici dodijeljena određena funkcija: upravljanje motorom, zračni jastuci, ABS/ESP, podešavanje sjedala, klima uređaj, … Svaka upravljačka jedinica radi neovisno i komunicira s drugim upravljačkim jedinicama putem sučelja.
Tijekom proteklih desetljeća decentralizirana arhitektura doživjela je značajan rast, pri čemu je svaka nova funkcija zahtijevala dodatnu upravljačku jedinicu. Danas, međutim, doseže svoje granice: povećanje funkcionalnosti značajno povećava troškove ugradnje i ožičenja unutar vozila.
U domeni arhitekturi upravljačke jedinice grupirane su u različita funkcionalna područja. Svaka domena odgovorna je za određeno područje vozila, kao što su pogonski sklop, infotainment ili sigurnost. Opću kontrolu domene provodi samostalno računalo visokih performansi (HPC). Ono koordinira upravljačke jedinice unutar svoje domene. Za funkcionalno područje sigurnosti to bi uključivalo, na primjer, upravljačke jedinice za sustave za pomoć vozaču, ABS/ESP i sustave upravljanja.
U usporedbi s decentraliziranom arhitekturom, manji broj instaliranih upravljačkih jedinica smanjuje opseg ožičenja i instalacije. Arhitektura domena stoga također može učinkovito doprinijeti smanjenju troškova i težine u usporedbi s decentraliziranom arhitekturom. Nadalje, dodatne se funkcije mogu naknadno integrirati uz minimalan napor.
U arhitekturi zona struktura se ne temelji na domenama, već na lokalnim zonama. Na primjer, nekoliko funkcionalnosti objedinjeno je unutar jedne zone u vozilu. Posljedično, funkcije poput pogonskog sklopa i infotainmenta također se mogu kombinirati i obrađivati unutar jednog kontrolera zone. Različite kontrolerima zona upravlja središnji HPC. Prednost je očita: smanjenje broja upravljačkih jedinica i njihovog ožičenja za do 50 posto.
Tijekom proteklih desetljeća decentralizirana arhitektura doživjela je značajan rast, pri čemu je svaka nova funkcija zahtijevala dodatnu upravljačku jedinicu. Danas, međutim, doseže svoje granice: povećanje funkcionalnosti značajno povećava troškove ugradnje i ožičenja unutar vozila.
U domeni arhitekturi upravljačke jedinice grupirane su u različita funkcionalna područja. Svaka domena odgovorna je za određeno područje vozila, kao što su pogonski sklop, infotainment ili sigurnost. Opću kontrolu domene provodi samostalno računalo visokih performansi (HPC). Ono koordinira upravljačke jedinice unutar svoje domene. Za funkcionalno područje sigurnosti to bi uključivalo, na primjer, upravljačke jedinice za sustave za pomoć vozaču, ABS/ESP i sustave upravljanja.
U usporedbi s decentraliziranom arhitekturom, manji broj instaliranih upravljačkih jedinica smanjuje opseg ožičenja i instalacije. Arhitektura domena stoga također može učinkovito doprinijeti smanjenju troškova i težine u usporedbi s decentraliziranom arhitekturom. Nadalje, dodatne se funkcije mogu naknadno integrirati uz minimalan napor.
U arhitekturi zona struktura se ne temelji na domenama, već na lokalnim zonama. Na primjer, nekoliko funkcionalnosti objedinjeno je unutar jedne zone u vozilu. Posljedično, funkcije poput pogonskog sklopa i infotainmenta također se mogu kombinirati i obrađivati unutar jednog kontrolera zone. Različite kontrolerima zona upravlja središnji HPC. Prednost je očita: smanjenje broja upravljačkih jedinica i njihovog ožičenja za do 50 posto.
Zahtjevi za HPC i njegove priključke
Zahtjevi koje to postavlja pred HPC su znatni: osobito obrada slikovnih podataka u sektoru zabave i informacija ili u kamerama za autonomnu vožnju zahtijeva siguran prijenos podataka velikom brzinom uz nisku latenciju. Istovremeno, prijenos signala ni pod kojim okolnostima ne smije zakazati – njegova pouzdanost mora biti zajamčena u svakom trenutku.
Visoke performanse, brza i, prije svega, pouzdana prijenos podataka – ponekad i u nepovoljnim uvjetima okoline – stoga su također zahtjevi koji se postavljaju pred korištene konektore.
'Čitljivost' signala može se ilustrirati onim što je poznato kao 'eye diagram'. On ukazuje može li se preneseni signal u prijamniku nedvosmisleno dodijeliti digitalnim stanjima 1 ili 0.
U tu svrhu signal prolazi kroz definiranu putanju prijenosa, tijekom koje ga osciloskop snima, preklapa i prikazuje. Na taj se način sve moguće oblike valova signala mogu preklapati jedni na druge. U teoriji su prijelazi između logičkih stanja beskonačno strmi, a linije signala se točno preklapaju. Zbog vanjskih smetnji i unutarnjeg pogoršanja kvalitete parova signala, porast signala se izravnava i amplituda se mijenja. To rezultira karakterističnim oblikom oka.
Visoke performanse, brza i, prije svega, pouzdana prijenos podataka – ponekad i u nepovoljnim uvjetima okoline – stoga su također zahtjevi koji se postavljaju pred korištene konektore.
'Čitljivost' signala može se ilustrirati onim što je poznato kao 'eye diagram'. On ukazuje može li se preneseni signal u prijamniku nedvosmisleno dodijeliti digitalnim stanjima 1 ili 0.
U tu svrhu signal prolazi kroz definiranu putanju prijenosa, tijekom koje ga osciloskop snima, preklapa i prikazuje. Na taj se način sve moguće oblike valova signala mogu preklapati jedni na druge. U teoriji su prijelazi između logičkih stanja beskonačno strmi, a linije signala se točno preklapaju. Zbog vanjskih smetnji i unutarnjeg pogoršanja kvalitete parova signala, porast signala se izravnava i amplituda se mijenja. To rezultira karakterističnim oblikom oka.
U središtu dijagrama možete vidjeti ono što je poznato kao maska oka. U tom području nije moguće jasno identificirati signal.
Dva eye dijagrama ilustriraju učinke duljine kabela i impedancije na primjeru ept Colibri konektora u verzijama od 16+ Gbit/s i 10 Gbit/s. Primjer pokazuje kako je značajno poboljšanje integriteta signala postignuto daljnjim razvojem dizajna kontakata (vidi sl. XX). Zahvaljujući kraćoj duljini kabela i impedanciji od 100 Ω, oko verzije Colibri od 16+ Gbit/s formira se jasnije nego u prethodnoj verziji Colibri od 10 Gbit/s – signalni parovi se mogu nedvosmisleno interpretirati.
Dva eye dijagrama ilustriraju učinke duljine kabela i impedancije na primjeru ept Colibri konektora u verzijama od 16+ Gbit/s i 10 Gbit/s. Primjer pokazuje kako je značajno poboljšanje integriteta signala postignuto daljnjim razvojem dizajna kontakata (vidi sl. XX). Zahvaljujući kraćoj duljini kabela i impedanciji od 100 Ω, oko verzije Colibri od 16+ Gbit/s formira se jasnije nego u prethodnoj verziji Colibri od 10 Gbit/s – signalni parovi se mogu nedvosmisleno interpretirati.
Budući da su visokobrzinski signali osobito osjetljivi na elektromagnetske smetnje, zahtijevaju posebnu zaštitu. Konektor može djelovati i kao izvor i kao odvodnik smetnji. Iz tog razloga preporučuje se zaštita signala uz pomoć zaštitne ploče kako bi se osjetljivi signali zaštitili od vanjskih smetnji.
Slika 4 pokazuje da čak i mali električni impuls može iskriviti korisni signal. Primatelj više ne može jasno interpretirati digitalna stanja HDMI signala nakon samo kratkog impulsnog izlaganja od 0,5 kV, dok prijenos signala putem oklopljenog priključka ostaje stabilan čak i pri 4,4 kV.
Slika 4 pokazuje da čak i mali električni impuls može iskriviti korisni signal. Primatelj više ne može jasno interpretirati digitalna stanja HDMI signala nakon samo kratkog impulsnog izlaganja od 0,5 kV, dok prijenos signala putem oklopljenog priključka ostaje stabilan čak i pri 4,4 kV.
Korištenjem spojne indukancije LK kao EMC parametra, konektor se može opisati uzimajući u obzir električne uvjete u oba načina rada – kao izvor i kao odredište. Za tu svrhu koristi se jedinica henry. Ovo se primjenjuje i na imunost i na emisije. Ako su inducirani napon (Uind), napon generatora (UGen) i generatorna konstanta (kGen) poznati, specifična maksimalno dopuštena induktancija spajanja (L) za određenu primjenu može se odrediti sljedećom formulom:
LK = Uind / (UGen * kGen)
Induktivnost spajanja također pomaže korisniku pri odabiru odgovarajućeg konektora s aspekta elektromagnetske kompatibilnosti i izbjegavanju skupih i dugotrajnih ispitivanja metodom pokušaja i pogreške u EMC laboratoriju. Evo primjera: za HDMI signal određena je maksimalna induktivnost spajanja specifična za kućište od 47 pikohenrijeva (pH) pri naponu od 4,4 kV. Ako vrijednost premaši tu granicu, signal se više ne može prenositi bez smetnji.
LK = Uind / (UGen * kGen)
Induktivnost spajanja također pomaže korisniku pri odabiru odgovarajućeg konektora s aspekta elektromagnetske kompatibilnosti i izbjegavanju skupih i dugotrajnih ispitivanja metodom pokušaja i pogreške u EMC laboratoriju. Evo primjera: za HDMI signal određena je maksimalna induktivnost spajanja specifična za kućište od 47 pikohenrijeva (pH) pri naponu od 4,4 kV. Ako vrijednost premaši tu granicu, signal se više ne može prenositi bez smetnji.
Međutim, elektromagnetska interferencija nije jedini faktor koji ugrožava prijenos visokobrzinskih signala. U automobilskim primjenama, osobito, konektori su također izloženi ekstremnim uvjetima okoline poput vibracija i udaraca. Kako bi se osiguralo da prijenos signala ostane neprekinut čak i u teškim uvjetima, konektor mora biti izuzetno robusan. U tom pogledu dizajn kontakata, sustav kontakata i tehnologija spajanja igraju presudnu ulogu.
Kontaktni sustav kao čimbenik utjecaja
Tradicionalni dvodijelni konektori imaju lamelnu kontaktnu ploču i opružnu kontaktnu ploču. Međutim, u slučaju snažnog udarca, trakica s listićima može se odvojiti od trakice s oprugom. Kako bi se spriječio takav gubitak kontakta, može se koristiti obostrana trakica s oprugom za osiguranje redundancije i time pouzdanog kontakta, budući da druga opruga osigurava da se prijenos signala u svakom trenutku održava putem barem jedne kontaktne točke (Sl. 5).
Nasuprot tome, konektori s takozvanim 'rodno neutralnim' kontaktnim sustavom još su robusniji. Njihova je posebnost u tome što su kontaktne geometrije uparnih parova – utikača i utičnice – identične. Stoga oba imaju i oprugu i listić. To znači da svaki pin kontaktiraju dvije opruge, dok su utikač i utičnica međusobno zaključani i ne mogu se odvojiti jedno od drugog. Dok dvostrana opružna traka uvijek osigurava barem jednu kontaktnu točku pod mehaničkim opterećenjem, međusobno isprepletene geometrije u rodno neutralnim kontaktnim sustavima osiguravaju da prijenos signala uvijek odvija putem dviju kontaktnih točaka. Ta visoka razina redundancije stoga omogućuje maksimalnu pouzdanost kontakta (sl. 5).
Preporučuje se tehnologija površinskog montažiranja (SMT) kao metoda povezivanja za stvaranje trajne veze između tiskane pločice i konektora. Pomoću paste za lemljenje, konektori se lemljuju na određena područja za povezivanje na tiskanoj pločici, poznata kao lemne površine. Tek u takozvanoj peći za taljenje (reflow peći) kalaj se otapa i potom ostavlja da se stvrdne. SMT omogućuje uspostavljanje stabilnih veza između konektora i tiskane pločice. Međutim, za to se moraju ispuniti određeni kriteriji: prvo, za lemni spoj koji je u skladu sa standardom IPC-A-610, mora se održavati ispravan omjer kuglice kalaja, lemne površine i paste za lemljenje. Samo na taj način može se uspostaviti visokokvalitetna veza koja omogućuje spoj u skladu s klasom IPC 3 i stoga je pogodna za upotrebu u elektronici visokih performansi. U ovoj klasi u svakom trenutku moraju se isključiti kvarovi u prijenosu signala. Optimalni lemni spoj prepoznaje se po nastanku ujednačenog meniskusa. Kontakt mora biti potpuno okružen meniskusom kalupa kako bi se postigle najbolje držaće sile na tiskanoj pločici. (Sl. 9).
Koplanarnost kontaktnih padova ključna je za izvrsnu vezu; to je predmet 100-postotne automatizirane inspekcije tijekom proizvodnog procesa.
Zaključak
Trenutni razvoj u automobilskoj industriji neprestano postavlja nove zahtjeve pred konektore koji se koriste u vozilima. Na prvi pogled čini se da uloga tih konektora gubi na važnosti zbog smanjenog broja upravljačkih jedinica. Međutim, pri bližem pregledu postaje jasno da njihova uloga zapravo postaje sve važnija upravo zbog ovog pomaka prema centraliziranoj obradi podataka uz upotrebu HPC-a: pouzdanost prijenosa signala nikada nije bila važnija nego danas.