Jak zajistit, aby konektory deska-deska splňovaly požadavky na vysokorychlostní montáž a využití v automobilovém průmyslu

Konstruktéři automobilových systémů musejí pečlivě vybírat a používat konektory, aby spolehlivě fungovaly jak fyzicky, tak elektricky v prostředích, kde jsou vystaveny extrémním teplotám a vlhkosti, znečištění a vibracím. Splnění a udržení požadavků na výkon a spolehlivost automobilů je stále náročnější, protože vozidla se stávají výkonnými „počítači na kolech“. Konektory musejí být schopny zvládnout více přenosových linek v užších prostorech s komunikační rychlostí několik gigabitů za sekundu, která je nezbytná pro vyhovění normám, jakými jsou 10GBASE-T1 a PCI Express version 3 (PCIe 3.0).

Situace se stává ještě náročnější tím, že automobilky požadují velmi vysoké objemy výroby a společnosti provádějící montáž elektroniky pak musejí využívat vysokorychlostní montážní stroje, aby udržely krok. Je však obtížné udržet vysokou produktivitu a výnosy a současně přesně umísťovat konektory tak, aby se bez problémů spojovaly i později.

Těmto výzvám lze čelit pomocí fyzicky a elektricky odolných plovoucích kontaktních konektorů, které absorbují poziční posuny nebo nesouososti, ke kterým dochází během automatizované montáže.

Tento článek popisuje požadavky na elektrický signál, fyzické aplikace a výrobu, kterým čelí automobilové konektory. Poté představuje plovoucí konektory od společnosti JAE Electronics, které mohou konstruktéři používat ke splnění těchto požadavků. Článek zahrnuje podrobnosti o vysokorychlostních komunikačních standardech a vhodném výběru a použití konektorů společně s pokyny k výběru konektorů pro vysokorychlostní automobilové komunikační protokoly, jako jsou 10GBASE-T1 a PCI Express version 3 (PCIe 3.0).

Vysokorychlostní komunikační protokoly ve zkratce

Protokol 10GBASE-T1 je jedním z rodiny standardů 10 gigabitového Ethernetu (10 GbE), který nabízí přenos ethernetových rámců rychlostí 10 gigabitů za sekundu (Gbps). 10GBASE-T1 je „automobilové ethernetové“ řešení pracující pomocí kroucených párů kabelů na vzdálenost až 15 m. Datová propustnost 10 Gb/s je nejrychlejší komunikační standard v automobilech schopný podporovat aplikace, jako je autonomní řízení.

PCIe 3.0 je další vysokorychlostní sériový počítačový rozšiřující standard sběrnice. Poskytuje až 8 gigatransferů za sekundu (GTps). Ve špičkové implementaci „x16 lane“ odpovídá 8 GTps celkové rychlosti přenosu dat 126 Gbps.

Tato technologie, která se tradičně používá jako vysokorychlostní sběrnice v počítačích, se nyní zaměřuje na automobilové aplikace pro vozidla budoucnosti, protože konstrukce hardwaru zaručuje, že přenášené datové pakety dorazí na zamýšlené místo určení. Vzniká tak vysoce spolehlivý systém vhodný pro autonomní řízení.

Konektory pro vysokorychlostní automobilovou komunikaci

Vysokorychlostní komunikační protokoly vyžadují vysoce kvalitní konektory. Nejen, že musí poskytovat robustní a spolehlivé spojení, aby byla zajištěna dokonalá integrita signálu, ale musejí zajišťovat také relativně snadné odpojení a opětovné připojení po mnoho let provozu. Musí být také schopny pojmout mnoho pinů a zásuvek s nízkou roztečí, aby byla zajištěna kompaktní velikost s vícekanálovou konektivitou.

Příkladem moderní rodiny konektorů pro vysokorychlostní komunikační protokoly, jako je 10GBASE-T1 a PCIe 3.0, je řada MA01 od společnosti JAE Electronics. Tyto konektory nabízejí funkce, jako jsou válcované povrchové kontakty a dvoubodové kontaktní konstrukce, které zajišťují bezpečné mechanické a elektrické spojení i při vibracích, nárazech a extrémních teplotách typických pro automobilové aplikace (obrázek 1).

Obrázek 1: konektory řady MA01 používají dvoubodové kontakty, které pomáhají udržovat elektrickou kontinuitu během nárazů a vibrací. (Zdroj obrázku: JAE Electronics)

Konektory řady MA01 nabízené v různých stohovacích výškách 8 až 30 mm (obrázek 2) a schopné přenášet rychlosti 8 Gb/s vyžadované protokoly 10 GBASE-T1 a PCIe 3.0, jsou ideální pro aplikace, jako jsou automobilové digitální řídicí jednotky typu deska-deska. Konektory se vyznačují nízkými vkládacími a vyjímacími silami a jsou opatřeny kódováním, které vylučuje nesprávné spojení. Konektory mají široký rozsah provozních teplot -40 až 125 °C.

Obrázek 2: konektory řady MA01 jsou k dispozici ve stohovacích výškách 8 až 30 mm. (Zdroj obrázku: JAE Electronics)

Příkladem této řady je konektor MA01F030VABBR300. Tento prvek je vysokorychlostní konektor typu deska na desku určený pro automobilový průmysl. Konektor 30 pozic s roztečí 0,635 mm v tělese o rozměrech 20,925 x 8,8 x 12,3 mm. Kontakty jsou vyrobeny ze slitiny mědi se zlacenou vrstvou o tloušťce 0,1 µm (min.). Konektor má jmenovitý proud 0,5 A a jmenovité napětí 50 VAC. Je navržen až na 100 spojovacích cyklů.

Konektor MA01F030VABBR300 je navržen tak, aby odpovídal konektoru MA01R030VABBR600 k vytvoření spojení typu deska-deska pro vysokorychlostní automobilové aplikace (obrázek 3).

Obrázek 3: Konektor MA01F030VABBR300 (dole) má 30 pozic a spárováním s konektorem MA01R030VABBR600 dosahuje robustního a spolehlivého vysokorychlostního spojení typu deska-deska. (Zdroj obrázku: JAE Electronics)

Překonání montážních problémů

Velkoobjemová výroba elektroniky vyžaduje použití technologie robotické montáže. Automatické osazovací stroje používané pro tuto práci však mají mechanická omezení. To může mít za následek tolerance v umístění součástí. Zatímco mírné poziční chyby jsou časté a pro aktivní a pasivní součásti nepředstavují problém, mohou způsobovat problémy při spojování vícepolohových konektorů s jemnou roztečí. Problém je dále umocněn tím, že typický konektor není opatřen plochým povrchem pro sací hubici osazovacího stroje, aby jej bylo možné správně uchopit.

Při typických roztečích mezi piny menších než milimetr stačí při spojování konektory jen nepatrně vychýlit, aby došlo k poškození kontaktů.

K překonání tohoto problému je konektor JAE MA01F030VABBR300 vybaven technologií plovoucího kontaktu, která umožňuje pohyb ±0,5 mm ve směru X i Y. Tento plovák provádí korekci polohových posunů nebo výchylek způsobených automatizovanými stroji během montáže. Konektory jsou dodávány s odnímatelnou krytkou, která zajišťuje bezpečné uchopení sacími hubicemi osazovacího stroje. Krytka také slouží k zabránění vnikání velkých nečistot do spojované oblasti před montáží konektoru (obrázky 4 a 5).

Obrázek 4: spodní polovina tohoto spoje MA01 je tvořena konektorem MA01MA01F030VABBR300 vybaveným technologií plovoucího kontaktu, která umožňuje pohyb ±0,5 mm ve směrech X a Y. Toto řešení pomáhá provést korekci polohových posunů nebo nesouososti během montáže. (Zdroj obrázku: JAE Electronics)

Obrázek 5: konektory řady MA01 jsou dodávány s odnímatelnou krytkou, která vakuové hubici umísťovacího stroje umožňuje dosáhnout kvalitního uchopení. (Zdroj obrázku: JAE Electronics)

Zásuvková strana konektoru MA01R030VABBR600 typu deska-deska je pevná, neboť pouze jedna strana spoje musí být plovoucí, aby se přizpůsobila polohovým tolerancím.

Další vlastností konektorů řady MA01, která usnadňuje proces montáže, je zřetelný pohled na pájené spoje v místě styku konektoru s deskou plošných spojů. Konvenční konektory obvykle tyto pájené spoje zakrývají, což ztěžuje kontrolu a riskuje selhání provozu (obrázek 6).

Obrázek 6: konektor s boční montáží řady MA01 ukazuje, jak konstrukce usnadňuje kontrolu kvality pájených spojů v místech připojení konektoru k desce plošných spojů. (Zdroj obrázku: JAE Electronics)

Zajištění bezproblémového spojování

Technologie plovoucích konektorů řady MA01 je užitečná při kompenzaci polohových chyb osazení, při ručním sevření konektorů může však dojít k většímu nesouososti. K takovému vychýlení může často docházet, pokud se horní a spodní deska plošných spojů držící obě poloviny konektoru spojí „naslepo“, čímž velmi snadno dojde k vychýlení jemných kontaktů. Situaci dále zhoršuje skutečnost, že konektor může působit jako správně spojený i tehdy, pokud byly kontakty během procesu poškozeny. K takovému vychýlení může dojít jak v horizontálním směru X, tak ve směru Y.

Konektory od společnosti JAE jsou opatřeny vodicími sloupky, které zabraňují nesprávnému spojení, a to i tehdy, pokud konektory během procesu spojování výrazně vychýleny v jednom nebo obou směrech X a Y. Vodicí sloupek, který je do tělesa konektoru zalisován, navede obě jeho poloviny do správné spojovací polohy (obrázky 7, 8 a 9).

Obrázek 7: při nesprávném vyrovnání ve směru X vodicí sloupek na konektorech řady MA01 od společnosti JAE Electronics navede horní polovinu konektoru do svislé orientace. (Zdroj obrázku: JAE Electronics)

Obrázek 8: Vodicí sloupky ve směru Y zabraňují nadměrnému vychýlení, které by jinak poškodilo kontakty. (Zdroj obrázku: JAE Electronics)

Obrázek 9: při spojení dvou desek pro vložení slepého konektoru kompenzují vodicí sloupky až 1 mm horizontálního vychýlení. (Zdroj obrázku: JAE Electronics)

Funkce plovoucího kontaktu konektoru umožňuje po jeho spojení absorbovat nárazy a vibrace typické pro automobilové aplikace bez rizika poškození kontaktu.

Výběr vysokorychlostního konektoru

Návrh vysokorychlostních komunikačních systémů je složitý. Ještě předtím, než konstruktér začne uvažovat o integritě signálu daného konektoru, musí při řešení uspořádání příslušné desky plošných spojů zohlednit faktory, jako jsou cílové impedance a směrování vysokorychlostních diferenciálních signálových kanálů, aby došlo k omezení přeslechů a ztrát. Pokud však konstruktér zohlednil tyto a další klíčové konstrukční faktory, může konektor hrát hlavní roli v maximální šířce pásma, propustnosti nezpracovaných dat a v integritě signálu systému.

První kritériem, které je třeba zkontrolovat při výběru vysokorychlostního konektoru, je maximální šířka pásma pro požadovaný komunikační protokol. Nemá smysl navrhovat systém, který může pracovat vysokou rychlostí, pokud konektor není schopen zvládnout provozní frekvenci protokolu. Jednoduchým způsobem, jak toho dosáhnout, je vybrat konektory, které jsou certifikovány v souladu s příslušným standardem protokolu. Tímto způsobem si konstruktér může být jistý, že konektor byl speciálně navržen tak, aby zajistil maximální propustnost a šířku pásma.

Vyhovující konektor bude také obsahovat cílovou impedanci pro příslušný vysokorychlostní protokol (obvykle 50 Ω). Další faktory výběru, jako je materiál, ze kterého je konektor vyroben, způsob montáže desky a rozměry, jsou důležité, avšak nemají takový vliv na integritu signálu.

Ačkoli certifikace shody dává konstruktérovi jistotu, že konektor odvede svou práci, je důležité provést test konektoru zařazeného do užšího výběru na zkušební obvodové desce s podobným nebo totožným uspořádáním, jaké bude mít vyráběná deska. Ze samotného datového listu nebo testování konektoru v izolaci nemusejí vyplynout problémy s integritou signálu, které mohou nastat při použití v reálných situacích. Testování na prototypové sestavě zřetelně ukáže na problémy s odrazem signálu a/nebo zkreslením.

Klíčovými měřeními pro určení integrity signálu konektoru jsou S-parametry a diagram oka. S-parametry indikují návrat signálu a vložené ztráty ve frekvenční oblasti. Měly by být měřeny pro pracovní obvod s nasazeným konektorem a poté porovnány s výsledky s odstraněným konektorem, aby se vyhodnotil jeho dopad na integritu signálu.

Osciloskopem generovaný diagram oka je vizualizací výkonu obvodu v digitální doméně. Jedná se o standardní metodu vizualizace ztrát, přeslechů, mezisymbolových interferencí (ISI) a četnosti bitových chyb. Opět platí, že testy by měly být prováděny s konektorem i bez něj, aby se zjistil jeho vliv na integritu signálu.

Závěr

Konstruktéry čelí náročným úkolům splnění vysokých požadavků na fyzickou a elektrickou výkonnost automobilových konektorů typu deska-deska při současném vyhnutí se poškození konektoru v důsledku jeho chybného umístění a tolerance nesouososti během vysokorychlostní automatizované montáže. Konstruktéři mohou tyto problémy vyřešit použitím konektorů řady MA01 od společnosti JAE Electronics.

Bylo ukázáno, že konektory MA01 jsou kompatibilní s multi-gigabitovými komunikačními protokoly a nabízejí robustní a spolehlivé řešení s nízkým odporem vkládání a odpojování. Konektory byly dále navrženy s ohledem na rychlou montáž. Prvky, jako jsou odnímatelné krytky, plovoucí konektory a vodicí sloupky, umožňují vyšší tolerance při montáži desky a vytvoření slepých spojení mezi deskami bez rizika vychýlení a poškození kontaktů.