Použití stíněných konektorů k dosažení spolehlivého vysokorychlostního připojení v hustém a kompaktním provedení

Elektrické stínění je konstrukční a výrobní hledisko, které je na seznamu problémů techniků již od prvních dnů elektroniky. Se zvyšováním přenosové rychlosti, zmenšováním systémů a těsnější integrací s větším množstvím signálových vedení v těsnější blízkosti je však stále znepokojivější. Tyto trendy značně komplikují to, co je jinak jednoduchý koncept: zabránit vnějším nežádoucím signálům, aby se dostaly k vodiči přenášejícímu signál a ovlivnili jej, a zabránit, aby energie požadovaného signálu byla vyzařována ven a ovlivňovala blízké vodiče a obvody.

K tomu, aby bylo stínění účinné, musí zcela obklopovat aktivní vodiče a tvořit 360° vodivou bariéru podél celé cesty, včetně zakončovacích konektorů. Mnoho konstruktérů předpokládá, že k dosažení tohoto stavu je nutné použít koaxiální kabely a konektory, protože vnitřní stínění kabelu může být ukončeno při zachování 360° celistvosti stínění. Výsledná plošná hustota kanálů při použití koaxiálních kabelů je však nízká, a proto tento přístup není vhodný ke splnění vysokorychlostních elektrických a fyzikálních požadavků na vysokou hustotu v mnoha aplikacích s propojením typu deska na desku a deska na základní desku. Řešením je zvolit vysokorychlostní, plně stíněná propojení. Ta podporují vysoký počet signálových cest v jediném plně stíněném krytu konektoru.

Tento článek se stručně zabývá základy stínění a problematikou, které čelí konstruktéři při implementaci propojení s velkým počtem kanálů a stínění tam, kde by více jednokanálových koaxiálních kabelů mělo nadměrnou celkovou velikost a objem. Je zde ukázáno, proč je celkové 360° stínění obzvláště důležité, a na příkladu několika řad stíněných konektorů od společnosti Samtec jsou ilustrovány osvědčené postupy návrhu a implementace pro dosažení integrity vysokorychlostního signálu v omezených prostorech.

Začneme se základy stínění

Kabely a jejich propojení (konektory) jsou nezbytnou součástí téměř všech systémů. Mohou připojovat základní desku k mezaninové desce, desku k uživatelskému panelu, specializovanému rozhraní nebo ke vstupnímu/výstupnímu uspořádání (I/O). Aby byla zachována integrita signálu, propojení musí podporovat šířku pásma signálu/signálů a být též odolné vůči elektromagnetickému/radiofrekvenčnímu rušení (EM/RFI). Zároveň musí zabránit vyzařování rušení EMI/RFI do sousedních propojení, desek nebo součástek, zejména těch, které přenášejí nízkoúrovňové nebo citlivé signály.

Vliv elektromagnetického a vysokofrekvenčního rušení tlumí stínění. V závislosti na tom, kde a jak je umístěno, může primárně tlumit rušení v blízkosti zdroje (někdy nazývaný „agresor“ rušení) nebo mu bránit v přístupu k obvodům citlivým na rušení („oběť“) (obrázek 1).

Obrázek 1: Stínění funguje jako bariéra mezi zdrojem agresora a nezamýšlenou, nevinnou obětí jeho rušení EMI a RFI. (Zdroj obrázku: Journal of Computer Science and Engineering prostřednictvím služby Arvix)

Povšimněte si, že daný vodič může být jak agresorem vyzařujícím jeden „shluk“ energie EMI/RFI, tak i obětí energie z jiného zdroje. Agresor EMI/RFI nemusí být navíc nějaký externí zdroj „třetí strany“ nesouvisející s produktem. Stejně snadno může být další součástí systému, která vyzařováním energie na sousední vodič nebo součástku působí jako neúmyslný agresor.

Existuje mnoho pokynů a takzvaných „pravidel“, jak a kde ukončit zemnicí stínění těchto kabelů a propojení, aby došlo k zablokování nebo výraznému utlumení přenosu šumové energie mezi agresorem a obětí. Bohužel nejenže jsou tyto pokyny často protichůdné, ale správná nebo nejlepší odpověď často závisí na specifikách uspořádání. Mezi doporučené pokyny patří:

• Zakončit (uzemnit) oba konce stínění.
• Zakončit pouze jeden konec – u zdroje.
• Zakončit pouze jeden konec – u přijímače.

Intuitivně se zdá, že všechny pokyny nemohou být správné, nebo možná mohou – v závislosti na specifikách návrhu a na tom, jak velký útlum je potřeba. Komplexní laboratorní testy ukázaly, že pro účinnou ochranu v pásmu GHz musí být stínění zakončeno na obou koncích - jinými slovy stínění musí být spojité a nepřerušované.

U zvuku a nižších RF frekvencí jsou pravidla poněkud flexibilnější. Ukončení stínění pouze na jednom konci však může být přijatelné pro aplikace do 1 MHz, není však vhodné pro pásma v desítkách MHz a více.

Nutnost plného stínění

Podrobné výsledky testů také ukázaly, že široce používané krátké „pigtailové“ zakončení stínění bylo často neúčinné (obrázek 2). Ačkoli je jen několik milimetrů dlouhé, jeho nízká indukčnost poškozuje výkon na vyšších frekvencích, a mohla by tak negovat většinu výkonu stínění A co je horší, neškodná svorka typu pigtail by mohla být ve skutečnosti kontraproduktivní, protože by plnila funkci zářiče elektromagnetické energie (antény) a spíše by rušení EMI/RFI vyzařovala, než aby byla pouze neúčinná a tlumila je.

Obrázek 2: neškodně vypadající zakončení stínění „pigtail“ na tomto kabelu HDMI je nejen neúčinné, ale může být kontraproduktivním elektromagnetickým zářičem. (Zdroj obrázku: Dana Bergey a Nathan Altland prostřednictvím společnosti Interference Technology)

Namísto toho je v místě zakončení stínění potřeba 360° fyzické pokrytí, což vyžaduje většina vysoce výkonných standardů a standardů MIL (obrázek 3).

Obrázek 3: pro maximální účinnost stínění je potřeba plné 360° zakončení (nahoře), nikoli rychlé a snadné uzemnění typu pigtail (dole). (Zdroj obrázku: ResearchGate)

Potřeba zakončení na obou koncích 360° pokrytím bez mezer je dána fyzikálně: s rostoucími pracovními frekvencemi až do pásma stovek MHz a GHz se odpovídající vlnové délky zkracují. Znamená to, že i malé mezery v pokrytí stíněním představují doslova příležitost k průchod energie signálu s malým nebo žádným útlumem.

Spolu s vyššími frekvencemi jsou dnešní systémy hustě osazeny. Znamená to, že jakékoli ztráty na trase šíření RF signálu mezi agresorem a obětí jsou mnohem nižší, protože ztráty na trase se zvyšují s druhou mocninou vzdálenosti. Proto platí, že i signál neúmyslného agresora zdánlivě nevýznamné velikosti může proniknout do obvodu oběti a ovlivnit jej s relativně vysokou intenzitou.

Použití stínění s 360° integritou, často typické pro jednotlivé koaxiální kabely a konektory, je z hlediska ochrany proti EMI/RFI jistě efektivní. Použití koaxiálního kabelu však často narušuje požadavky na vysokou fyzickou hustotu mnoha systémů.

Mnoho vysoce výkonných systémů dále potřebuje stínění přes více paralelních signálových linek, jak je vidět ve dvou základních scénářích:

• Pro propojení typu deska na deska, například mezi základní deskou a mezaninovou deskou, s jedním stíněním kolem více linek

• Více stíněných koaxiálních kabelů v jedné kabelové sestavě s jedním párovacím konektorem

Jednoduché stínění pro návrhy typu deska na desku

Koncepce použití jednoho stínění pro více signálových vedení je v zásadě jednoduchá. Vícenásobné vedení je uzavřeno stíněním přeloženým přes objímku-feruli, která je v kontaktu s pouzdrem konektoru (obrázek 4).

Obrázek 4: ovinutím stínění kolem skupiny signálových vodičů vznikne společné stínění více vedení. (Zdroj obrázku: Samtec)

Tato koncepce řeší problém stínění a vyžaduje minimální dodatečný prostor na desce ve srovnání s nestíněným propojením. Je důležité, aby stíněný vícelinkový konektor poskytoval stejný základní výkon signálového vedení jako nestíněný konektor a zároveň zajišťoval spolehlivé a konzistentní spojování a rozpojování bez narušení stínění.

Příkladem tohoto vícelinkového stíněného propojení je stíněný pár konektorů typu deska na desku s 20 pozicemi od společnosti Samtec, patice ERM8-010-9.0-L-DV-EGPS-K-TR a zásuvka ERF8-010-7.0-S-DV-EGPS-K-TR (obrázek 5). Tyto odolné vysokorychlostní spojovací pásky jsou navrženy na vysokorychlostní aplikace (s kódováním NRZ při rychlosti 28 Gbit/s a čtyřúrovňovou pulzně-amplitudovou modulací (PAM4) při 56 Gbit/s) s vysokým počtem cyklů.

Obrázek 5: Patice ERM8 s 20 pozicemi (vlevo) a odpovídající zásuvka ERF8 (vpravo) poskytují stíněné propojení deska-deska. (Zdroj obrázku: společnost Samtec)

Konektory poskytují až 1,5mm třecí kontakt a vyznačují se odolnou západkou, uzamykáním, 360° stíněním a jsou robustní v případě „zipování“ (vytahovaní mimo osu abnormální silou) během rozpojování. Systém kontaktů Edge Rate společnosti Samtec navržený pro vysokorychlostní aplikace s vysokým počtem cyklů, umožňuje vysokorychlostní výkon. Systém je optimalizován na integritu signálu prostřednictvím redukce vazby na široké straně a ke snížení opotřebení používá hladký, široce frézovaný kontaktní povrch (obrázek 6).

Obrázek 6: z důvodů omezení vazby signálu na široké straně používají konektory ERM8 a ERF8 speciální kontaktní systém Edge Rate. (Zdroj obrázku: Samtec)

Široce frézované kontakty vytvářejí hladkou plochu spojovacího povrchu na rozdíl od lisovaných kontaktů, které se párují na řezané hraně. Tento hladký spojovací povrch snižuje stopy opotřebení na kontaktu, čímž zvyšuje odolnost a životnost kontaktního systému. Snižuje také zasouvací a vytahovací sílu.

Jsou potřebné také koaxiální kabely

Koaxiální kabely mají zásadní a nezastupitelnou roli v přenosu signálu, ale použití propojení, která podporují pouze jeden koaxiální kabel, může být v případě potřeby více paralelních signálů frustrující. K řešení této situace nabízí společnost Samtec řadu vícelinkových stíněných konektorů koaxiálních kabelů, které podporují 20, 30, 40 a 50 pozic. Mezi ně patří 20polohový, samospojovací, bezpohlavní konektor pro povrchovou montáž LSHM-110-02.5-L-DV-ASK-TR (obrázek 7).

Obrázek 7: model LSHM-110-02.5-L-DV-ASK-TR je 20polohový, samospojovací, bezpohlavní konektor pro povrchovou montáž až s 50 pozicemi. (Zdroj obrázku: Samtec)

LSHM je robustní konektor s vysokou hustotou pro použití v aplikacích typu deska na desku a deska na kabel s volitelným stíněním pro ochranu proti rušení EMI. Díky kontaktnímu systému Razor Beam s jemnou roztečí šetří bezpohlavní provedení plochu na obvodové desce (PC) v osách X, Y a Z. Tento konektor se vyznačuje roztečí 0,50 mm a při spojování vydává slyšitelné cvaknutí, přičemž síly spojování a rozpojování jsou přibližně čtyřikrát až šestkrát větší než u typických konektorů s mikroroztečí.

Tento konektor pro montáž na desku představuje pouze polovinou propojení, neboť je vyžadována kabelová sestava (obrázek 8). I tato sestava využívá technologii Razor Beam s roztečí 0,50 mm.

Obrázek 8: sestavy samospojovacích koaxiálních kabelů Razor Beam s jemnou roztečí poskytují kompletní vícelinkové řešení typu deska na kabel. (Zdroj obrázku: Samtec)

Doplňkovou kabelovou sestavou pro uvedený stíněný vícelinkový koaxiální konektor s 20 pozicemi pro montáž na desku je jednometrový kabel HLCD-10-40.00-TD-TH-1 se samospojovacími bezpohlavními konektory na obou koncích (obrázek 9). Sestava využívá mikrokoaxiální kabel 38 AWG s impedancí 50 Ω a je dimenzována na rychlost na 14 Gbit/s na kontakt.

Obrázek 9: sestavy vícelinkových 50Ω mikrokoaxiálních kabelů, jako je model HLCD-10-40.00-TD-TH-1 s 20 pozicemi, obsahují na obou koncích samospojovací bezpohlavní konektory. (Zdroj obrázku: Samtec)

Spojení všeho dohromady

K tomu, aby bylo možné tyto vysokorychlostní konektory snadněji specifikovat a používat, rozšířila společnost Samtec koncepci rozvržení desek plošných spojů výrobců a modelů konektorů SPICE nabídkou referenčních návrhů pro jeden z nejobtížnějších konstrukčních problémů na desce: kritickou „oblast průrazu“ (BOR) v okolí vysokorychlostního konektoru. Specialisté zabývající se integritou signálu ve společnosti Samtec vyvinuli pro mnoho řad svých vysokorychlostních konektorů takzvanou finální palcovou oblast průrazu („Final Inch Break Out Region") s doporučeními ohledně vedení tras na deskách plošných spojů.

Tato doporučení k návrhu jsou založena na použití se standardními materiály desek, více vrstvami a nízkonákladovými výrobními procesy s vysokou výtěžností a nevyžadují žádné zvláštní úpravy. Tato doporučení mohou ušetřit čas a zdroje při navrhování, vývoji, ověřování a vyvážit výkon s vyrobitelností a náklady.

Závěr

Úplné elektrické stínění kabelů, konektorů a propojení je zásadní pro integritu signálu a výkon v konfiguracích typu deska na deska i deska na kabel. Problém stínění je náročnější, pokud existuje více paralelních signálů, které musí být stíněny, aby byly potlačeny emise EMI/RFI nebo náchylnosti k těmto emisím. Jak byl ukázáno uvedeno, společnost Samtec nabízí různé řady vícelinkových propojení typu deska na desku a koaxiální kabel na desku pro zjednodušení návrhu a výroby při zachování vysoké úrovně mechanické a elektrické integrity a výkonu.