Zapewnienie spełnienia przez złącza międzypłytkowe wymagań w zakresie szybkiego montażu oraz użytkowania w zastosowaniach motoryzacyjnych

Projektanci instalacji samochodowych muszą starannie dobierać i stosować złącza, aby działały niezawodnie zarówno pod względem mechanicznym, jak i elektrycznym w środowiskach, w których będą narażone na ekstremalne temperatury i wilgotności, zanieczyszczenia oraz drgania. Ciągłe spełnianie wymagań w zakresie parametrów działania i niezawodności w zastosowaniach motoryzacyjnych staje się coraz większym wyzwaniem, ponieważ pojazdy stają się potężnymi „komputerami na kołach”. Złącza muszą być w stanie obsłużyć więcej linii transmisyjnych w mniejszych przestrzeniach przy prędkościach komunikacji rzędu wielu gigabitów na sekundę, której osiągnięcie jest niezbędne do obsługi takich standardów jak 10GBASE-T1 i PCI Express w wersji 3 (PCIe 3.0).

Firmy motoryzacyjne wymagają bardzo dużych wolumenów produkcyjnych, co tylko pogarsza sprawę. Dlatego też, aby dotrzymać im kroku, firmy zajmujące się montażem elektroniki muszą sięgnąć po maszyny do szybkiego montażu. Trudno jest jednak utrzymać wysokie tempo produkcji i wydajność, jednocześnie uzyskując wysoką precyzję pozycjonowania złączy tak, aby później pasowały do siebie bez problemów.

Wyzwaniom tym można sprostać za pomocą wytrzymałych mechanicznie i elektrycznie złączy ze stykami ruchomymi, które kompensują przesunięcia pozycji lub niewspółosiowość wynikające ze zautomatyzowanego montażu.

W niniejszym artykule opisano wymagania dotyczące sygnałów elektrycznych, rozwiązań mechanicznych oraz produkcji stawiane złączom do zastosowań motoryzacyjnych. W dalszej kolejności przedstawiono złącza ze stykami ruchomymi firmyJAE Electronics, których projektanci mogą użyć, aby spełnić wspomniane wymagania. Przytoczono szczegółowe informacje na temat standardów szybkiej komunikacji oraz doboru odpowiednich złączy i ich zastosowania, a także wskazówki dotyczące doboru złączy dla szybkich protokołów komunikacyjnych do zastosowań motoryzacyjnych, takich jak 10GBASE-T1 i PCI Express w wersji 3 (PCIe 3.0).

Szybkie protokoły komunikacyjne w skrócie

Standard 10GBASE-T1 należy do grupy standardów 10 Gigabit Ethernet (10GbE) i oferuje transmisję ramek Ethernet z szybkością 10Gbps. Standard 10GBASE-T1 to rozwiązanie motoryzacyjne wykorzystujące łączność Ethernet, które wykorzystuje skrętki dwużyłowe o długościach do 15m. 10Gbps to najwyższa prędkość transmisji danych w standardach komunikacji do zastosowań motoryzacyjnych i pozwala obsługiwać takie funkcje, jak prowadzenie autonomiczne.

Kolejnym szybkim standardem komputerowej magistrali rozszerzeń dla połączeń szeregowych jest PCIe 3.0. Zapewnia on prędkość do 8GTps. W implementacjach wysokiej klasy „x16 lane” prędkość 8GTps odpowiada łącznej szybkości transferu danych 126Gbps.

Tradycyjnie używana jako szybka magistrala w komputerach PC, technologia ta jest obecnie ukierunkowana na zastosowania motoryzacyjne w pojazdach przyszłości, ponieważ jej konstrukcja sprzętowa gwarantuje dotarcie przesyłanych pakietów danych do miejsca docelowego. To sprawia, że system jest wysoce niezawodny, dzięki czemu nadaje się do prowadzenia autonomicznego.

Złącza do szybkiej komunikacji w zastosowaniach motoryzacyjnych

Szybkie protokoły komunikacyjne wymagają wysokiej jakości złączy. Muszą one nie tylko zapewniać solidne i niezawodne połączenie gwarantujące doskonałą integralność sygnału, ale także muszą być stosunkowo łatwe do odłączania i ponownego podłączania przez wiele lat użytkowania. Muszą one również być w stanie pomieścić wiele wtyków i gniazd przy drobnym rastrze, aby zapewnić kompaktowe rozmiary z zachowaniem łączności wielotorowej.

Przykładem nowoczesnej grupy złączy do szybkich protokołów komunikacyjnych, takich jak 10GBASE-T1 i PCIe 3.0 jest seria MA01 firmy JAE Electronics. Złącza te posiadają między innymi styki z powierzchnią walcowaną i dwupunktowe konstrukcje styku, zapewniając bezpieczne połączenie mechaniczne i elektryczne nawet w warunkach ekstremalnych drgań, wstrząsów i temperatur typowych dla zastosowań motoryzacyjnych (ilustracja 1).

Ilustracja 1: złącza z serii MA01 posiadają styki dwupunktowe, które pomagają utrzymać ciągłość elektryczną podczas wstrząsów i drgań. (Źródło ilustracji: JAE Electronics)

Złącza z serii MA01 są oferowane w wersjach z różnymi wysokościami piętra od 8 do 30mm (ilustracja 2) i osiągają prędkość transferu danych 8Gbps wymaganą przez standardy 10 GBASE-T1 oraz PCIe 3.0. Idealnie nadają się do zastosowań takich jak samochodowe cyfrowe moduły sterujące typu międzypłytkowego. Omawiane złącza wymagają niskiej siły wprowadzania i wyjmowania i posiadają kluczowanie zapobiegające niewłaściwemu łączeniu. Złącza charakteryzują się szerokim zakresem temperatur roboczych od -40 do 125°C.

Ilustracja 2: złącza serii MA01 są dostępne w wersjach o wysokości piętra od 8 do 30mm. (Źródło ilustracji: JAE Electronics)

Przykładowym produktem z tego asortymentu jest złącze MA01F030VABBR300. Jest to szybkie złącze międzypłytkowe klasy motoryzacyjnej. Posiada ono 30 pozycji, raster 0,635mm i mieści się w obudowie o wymiarach 20,925 x 8,8 x 12,3mm. Styki wykonane są ze stopu miedzi z warstwą pozłocenia o grubości 0,1µm. Prąd znamionowy złącza wynosi 0,5A, a jego napięcie znamionowe 50V~. Projektowana liczba cykli łączenia złącza wynosi 100.

Złącze MA01F030VABBR300 zostało zaprojektowane do łączenia ze złączem MA01R030VABBR600, z którym tworzy połączenie międzypłytkowe do szybkich zastosowań motoryzacyjnych (ilustracja 3).

Ilustracja 3: złącze MA01F030VABBR300 (u dołu) posiada 30 pozycji i pasuje do złącza MA01R030VABBR600, zapewniając solidne, niezawodne i szybkie połączenie międzypłytkowe. (Źródło ilustracji: JAE Electronics)

Pokonywanie wyzwań związanych z montażem

Wysoki wolumen produkcji elektroniki wymaga robotycznych technologii montażu. Jednak wykorzystywane w tym celu maszyny do montażu automatycznego mają swoje ograniczenia mechaniczne. Może to skutkować koniecznością uwzględnienia tolerancji podczas pozycjonowania komponentów. Chociaż niewielkie błędy położenia są typowe i nie stanowią problemu dla komponentów aktywnych i pasywnych, mogą one powodować problemy podczas łączenia wielopozycyjnych złączy o drobnym rastrze. Problem jest złożony, ponieważ typowe złącze nie posiada płaskiej powierzchni do umieszczenia dyszy podciśnieniowej maszyny w celu uzyskania właściwego chwytu.

Przy typowych rastrach międzywtykowych poniżej jednego milimetra, do uszkodzenia styków podczas łączenia złączy może doprowadzić już niewielki brak wyrównania.

Aby temu zaradzić, w złączu MA01F030VABBR300 firmy JAE zastosowano technologię ruchomych styków, która umożliwia przemieszczanie się styku o ±0,5mm w obu kierunkach X i Y. Ten ruch koryguje zmiany pozycji lub brak wyrównania wynikające z montażu przez zautomatyzowane maszyny. Złącza są wyposażone w zdejmowaną nasadkę, która zapewnia bezpieczny chwyt przez dysze podciśnieniowe maszyny montującej. Nasadka zapobiega również przedostawaniu się większych zanieczyszczeń do obszaru łączeniowego przed zamontowaniem złącza (ilustracje 4 i 5).

Ilustracja 4: złącze MA01F030VABBR300 stanowi dolną połowę połączenia MA01 i jest wyposażone w technologię ruchomych styków, umożliwiającą ruch o ±0,5 mm w kierunkach X i Y. Pomaga to skorygować przesunięcia pozycji lub brak wyrównania podczas montażu. (Źródło ilustracji: JAE Electronics)

Ilustracja 5: seria MA01 jest dostarczana ze zdejmowaną nasadką, która umożliwia umieszczenie dyszy podciśnieniowej maszyny w celu uzyskania dobrego chwytu. (Źródło ilustracji: JAE Electronics)

Żeńska strona złącza międzypłytkowego MA01R030VABBR600 jest złączem sztywnym, jako że jedna strona złącza musi być ruchoma, aby uwzględnić tolerancje pozycji podczas montażu.

Kolejną cechą złączy z serii MA01, która ułatwia proces montażu, jest wyraźny widok połączeń lutowanych w miejscu kontaktu złącza z płytką drukowaną. W konwencjonalnych złączach wspomniane punkty lutownicze są zwykle zasłonięte, co utrudnia kontrolę i grozi awariami podczas eksploatacji (ilustracja 6).

Ilustracja 6: złącze do montażu bocznego z serii MA01 pokazuje, w jaki sposób odpowiednia konstrukcja ułatwia kontrolę jakości połączeń lutowniczych w miejscach mocowania złącza do płytki drukowanej. (Źródło ilustracji: JAE Electronics)

Zapewnienie bezproblemowego łączenia

Technologia złączy z serii MA01 z ruchomymi stykami jest przydatna przy kompensowaniu błędów pozycjonowania podczas montażu, ale przy ręcznym wykonywaniu połączeń może dojść do jeszcze większych błędów wyrównania. Taki brak wyrównania może często występować, gdy górna płytka drukowana i dolna płytka drukowana trzymające dwie połówki złącza są ze sobą łączone „na ślepo”, w wyniku czego bardzo łatwo jest źle ustawić pozycję delikatnych styków względem siebie. Co gorsza, złącze może wyglądać na prawidłowo połączone, nawet jeśli styki zostały uszkodzone podczas procesu. Taki brak wyrównania może wystąpić w obu kierunkach w poziomie: X i Y.

Złącza firmy JAE zawierają bolce prowadzące, które zapobiegają niewłaściwemu podłączaniu, nawet w przypadku znacznego przesunięcia jednego złącza względem drugiego w którymkolwiek z kierunków X i Y. Bolec prowadzący jest uformowany w korpusie złącza i naprowadza obie połówki złącza do prawidłowej pozycji łączeniowej (ilustracje 7, 8 i 9).

Ilustracja 7: w przypadku nieprawidłowego wyrównania w kierunku X, bolec prowadzący w złączach z serii MA01 firmy JAE Electronics naprowadza górną połowę złącza do prawidłowej orientacji w kierunku pionowym. (Źródło ilustracji: JAE Electronics)

Ilustracja 8: w kierunku Y bolce prowadzące zapobiegają nadmiernemu przesunięciu, które mogłoby spowodować uszkodzenie styków. (Źródło ilustracji: JAE Electronics)

Ilustracja 9: gdy dwie płytki zbliżają się do siebie w celu wykonania połączenia „na ślepo”, bolce prowadzące kompensują przesunięcie do 1mm w poziomie. (Źródło ilustracji: JAE Electronics)

Po wykonaniu połączenia, funkcja ruchomych styków pozwala na absorbowanie wstrząsów i drgań typowych dla zastosowań motoryzacyjnych bez ryzyka uszkodzenia styków.

Dobór szybkiego złącza

Projektowanie szybkich systemów komunikacyjnych jest trudne. Zanim jeszcze projektant zacznie myśleć o integralności sygnału dla danego złącza, musi uwzględnić w układzie płytki drukowanej takie czynniki, jak impedancje docelowe i prowadzenie kanałów szybkich sygnałów różnicowych, aby ograniczyć przesłuchy i straty. Zakładając jednak, że projektant wziął pod uwagę te i inne kluczowe czynniki projektowe, złącze może odgrywać istotną rolę w finalnej szerokości pasma, przepustowości danych nieprzetworzonych i integralności sygnału układu.

Pierwszą rzeczą, którą należy sprawdzić przy doborze szybkiego złącza, jest maksymalna szerokość pasma dla żądanego protokołu komunikacyjnego. Nie ma sensu projektować układu, który może pracować z dużą prędkością, jeśli złącze nie będzie w stanie obsłużyć częstotliwości roboczej protokołu. Prostym sposobem jest wybranie złączy posiadających certyfikat zgodności z odpowiednim protokołem. W ten sposób projektant może mieć pewność, że złącze zostało specjalnie zaprojektowane z myślą o maksymalnej przepustowości i szerokości pasma.

Złącze zgodne ze standardem będzie również posiadać docelową impedancję dla odpowiedniego protokołu wysokiej prędkości (zazwyczaj 50Ω). Inne czynniki doboru, takie jak materiał, z którego wykonane jest złącze, sposób mocowania do płytki i wymiary są ważne, ale mają mniejszy wpływ na integralność sygnału.

Chociaż certyfikat zgodności daje projektantowi pewność, że złącze będzie w stanie sprostać zadaniu, ważne jest przetestowanie złącza na testowej płytce drukowanej o układzie podobnym lub identycznym z układem produkowanego przedmiotu. Na podstawie arkusza danych lub prób złącza w izolacji można nie wykryć problemów z integralnością sygnału, które mogą wystąpić w rzeczywistych warunkach użytkowania. Testowanie prototypu zespołu daje wyraźne wskazanie problemów związanych ze zniekształceniami oraz odbiciami sygnałów.

Kluczowe pomiary pozwalające określić integralność sygnału złącza to parametry S oraz wykres oczkowy. Parametry S wskazują straty powrotne sygnału i tłumienność wtrąceniową w dziedzinie częstotliwości. Aby ocenić wpływ na integralność sygnału, należy je zmierzyć dla obwodu roboczego z zainstalowanym złączem, a następnie porównać z wynikami uzyskanymi po wymontowaniu złącza.

Wykres oczkowy wygenerowany przez oscyloskop jest wizualizacją parametrów działania obwodu w dziedzinie cyfrowej. Jest to standardowa metoda wizualizacji tłumienności, przesłuchów, interferencji międzysymbolowych (ISI) i bitowych stóp błędów. Również te próby powinny być przeprowadzane ze złączem i bez niego, aby ustalić wpływ złącza na integralność sygnału.

Podsumowanie

Projektanci muszą sprostać wysokim wymaganiom mechanicznym i elektrycznym stawianym złączom miedzypłytkowym do zastosowań motoryzacyjnych, zapobiegając jednocześnie uszkodzeniom złączy z powodu nieprawidłowego pozycjonowania podczas szybkiego zautomatyzowanego montażu. Projektanci mogą sprostać tym wyzwaniom, korzystając ze złączy z serii MA01 firmy JAE Electronics.

Złącza MA01 są zgodne z protokołami komunikacyjnymi o prędkościach transferu rzędu wielu gigabitów oraz stanowią solidne i niezawodne rozwiązanie charakteryzujące się niskim oporem przy wprowadzaniu i rozłączaniu. Ponadto złącza zostały zaprojektowane z myślą o szybkim montażu. Funkcje takie jak zdejmowane nasadki, ruchome styki i bolce prowadzące pozwalają na większe tolerancje podczas montażu na płytce i wykonywanie połączeń międzypłytkowych „na ślepo” bez ryzyka nieprawidłowego wyrównania i uszkodzenia styków.