Zastosowanie ekranowanych złączy pozwala uzyskać niezawodność szybkiej łączności w gęstych, kompaktowych obudowach

Ekranowanie elektryczne jest zagadnieniem projektowym i produkcyjnym, które spędza sen z powiek inżynierów od najwcześniejszych dni elektroniki, ale staje się coraz ważniejsze wraz ze wzrostem szybkości przesyłu danych, przy coraz mniejszych układach, które są coraz ściślej zintegrowane i zawierają coraz większą liczbą linii sygnałowych położonych blisko siebie. Te trendy znacznie komplikują skądinąd prostą koncepcję zapobiegania docieraniu zewnętrznych, niepożądanych sygnałów, aby nie wpływały na żyłę przenoszącą sygnał oraz zapobiegania promieniowaniu energii pożądanego sygnału na zewnątrz oraz wpływania na pobliskie żyły i obwody.

Aby ekranowanie było skuteczne, musi całkowicie otaczać aktywne żyły, tworząc barierę przewodzącą w zakresie 360° wzdłuż całej ścieżki, jak również na złączach końcowych. Aby to osiągnąć, wielu projektantów zakłada, że muszą używać koncentrycznych kabli i złączy, ponieważ wewnętrzny ekran kabla może być zakończony przy zachowaniu integralności ekranu w zakresie 360°. Jednak wynikowa gęstość powierzchniowa kanałów wykorzystujących kable koncentryczne jest niska, a zatem podejście to nie jest odpowiednie do spełnienia wymagań elektrycznych i fizycznych dotyczących szybkości oraz wysokiej gęstości w zastosowaniach związanych z połączeniami typu płytka-płytka i płytka-płyta montażowa. Rozwiązaniem jest wybór szybkich, w pełni ekranowanych połączeń. Obsługują one dużą liczbę ścieżek sygnałowych w pojedynczej, całkowicie ekranowanej obudowie złącza.

W tym artykule pokrótce omówiono podstawy ekranowania i wyzwania stojące przed projektantami podczas wdrażania połączeń o dużej liczbie kanałów i ich ekranowania, w przypadku których wiele jednokanałowych kabli koncentrycznych miałoby zbyt duże rozmiary i objętość. Wykazuje on, dlaczego pełne ekranowanie 360° jest szczególnie ważne i wykorzystuje kilka grup złączy ekranowanych firmy Samtec, aby zilustrować najlepsze praktyki projektowe i wdrożeniowe w zakresie integralności sygnału o dużej szybkości przesyłowej w ograniczonych przestrzeniach.

Zacznijmy od podstaw ekranowania

Kable i ich połączenia (złącza) są istotną częścią prawie wszystkich systemów. Mogą one łączyć płytę główną z płytą typu antresolowego, płytkę z panelem użytkownika, wyspecjalizowanym interfejsem lub układem wejścia-wyjścia (I/O). Aby zachować integralność sygnału, połączenie musi obsługiwać szerokość pasma sygnału (sygnałów), a także być odporne na zakłócenia elektromagnetyczne i zakłócenia o częstotliwościach radiowych (EMI/RFI). Jednocześnie nie może dopuszczać do wypromieniowywania zakłóceń elektromagnetycznych i zakłóceń o częstotliwościach radiowych (EMI/RFI) na sąsiednie połączenia, płytki lub komponenty, zwłaszcza przenoszące sygnały o niskim poziomie lub sygnały wrażliwe.

Ekranowanie redukuje wpływ zakłóceń elektromagnetycznych i zakłóceń o częstotliwościach radiowych. W zależności od tego, gdzie i w jaki sposób jest umieszczone, może ono przede wszystkim tłumić zakłócenia w pobliżu ich źródła (czasami nazywanego „agresorem” zakłóceń) lub blokować je przed dotarciem do obwodów wrażliwych na zakłócenia (czyli „ofiary”) (ilustracja 1).

Ilustracja 1: ekranowanie działa jako bariera pomiędzy źródłem-agresorem a postronną ofiarą jego zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) i zakłóceń o częstotliwościach radiowych (RFI). (Źródło ilustracji: Journal of Computer Science and Engineering za pośrednictwem Arvix)

Należy pamiętać, że dana żyła może być zarówno agresorem emitującym jeden „klaster” energii zakłóceń elektromagnetycznych i zakłóceń o częstotliwościach radiowych (EMI/RFI), jak i ofiarą energii z innego źródła. Co więcej, agresorem-źródłem zakłóceń elektromagnetycznych i zakłóceń o częstotliwościach radiowych (EMI/RFI) nie musi być jakieś „obce”, zewnętrzne źródło, niezwiązane z produktem. Równie dobrze może to być inna część systemu, działająca jako nieumyślny agresor poprzez wypromieniowanie energii na sąsiednią żyłę lub komponent.

Istnieje wiele wytycznych i tak zwanych „praktycznych zasad” dotyczących tego, w jaki sposób i gdzie zakończyć ekran uziemiający wspomnianych kabli i połączeń, aby zablokować lub znacznie stłumić przenoszenie energii zakłóceń między agresorem a ofiarą. Niestety te wytyczne nie tylko są często sprzeczne, ale właściwa lub najlepsza odpowiedź często wydaje się zależeć od specyfiki układu. Sugerowane wytyczne to między innymi:

• Zakańczanie (uziemianie) obu końców ekranowania.
• Zakańczanie tylko jednego końca u źródła.
• Zakańczanie tylko jednego końca przy odbiorniku.

Intuicyjnie wydaje się, że nie wszystkie mogą być słuszne. Jednak może tak być, w zależności od specyfiki projektu i tego, jak silne tłumienie jest potrzebne. Kompleksowe testy laboratoryjne wykazały, że dla skutecznego ekranowania w zakresie gigaherców (GHz), oba końce ekranu muszą być zakończone; innymi słowy, ekranowanie musi być ciągłe i nieprzerwane.

Zasady są nieco bardziej elastyczne w przypadku częstotliwości audio i niższych częstotliwości radiowych (RF). Zakończenie ekranowania tylko na jednym końcu może być do przyjęcia w zastosowaniach do około 1MHz, jednak nie jest odpowiednie dla częstotliwości od kilkudziesięciu MHz wzwyż.

Potrzebne jest pełne ekranowanie

Szczegółowe wyniki badań wykazały również, że powszechnie stosowane krótkie zakończenia ekranowania typu „pigtail” były często nieskuteczne (ilustracja 2). Nawet jeśli jego długość wynosi zaledwie kilka milimetrów (mm), niska indukcyjność negatywnie wpływa na jego parametry działania przy wyższych częstotliwościach, a tym samym może zanegować znaczną część skuteczności ekranowania. Co gorsza, pozornie nieszkodliwe zakończenie typu pigtail może w rzeczywistości przynieść efekt przeciwny do zamierzonego, działając jako promiennik energii elektromagnetycznej (antena), emitując więcej zakłóceń elektromagnetycznych i zakłóceń o częstotliwościach radiowych (EMI/RFI), nie tylko będąc nieskutecznym w ich tłumieniu.

Ilustracja 2: nieszkodliwie wyglądające zakończenie ekranowania typu pigtail na kablu HDMI jest nie tylko nieskuteczne, ale może być szkodliwym promiennikiem elektromagnetycznym. (Źródło ilustracji: Dana Bergey i Nathan Altland, za pośrednictwem Interference Technology)

Zamiast tego potrzebne jest fizyczne osłonięcie 360° na zakończeniu ekranowania, co jest wymagane w większości standardów wysokich parametrów działania i standardów wojskowych (MIL) (ilustracja 3).

Ilustracja 3: aby uzyskać maksymalną skuteczność ekranowania, konieczne jest pełne zakończenie 360° (u góry), a nie szybkie i łatwe połączenie uziomowe typu pigtail (u dołu). (Źródło ilustracji: Researchgate)

Potrzeba zakończenia na obu końcach przy pełnym pokryciu 360° wynika z fizyki: wraz ze wzrostem częstotliwości roboczych w zakresie setek MHz i GHz, odpowiednie fale stają się krótsze. Oznacza to, że nawet niewielkie luki w pokryciu ekranowania stanowią dosłowną „okazję” dla energii sygnału, która może z niej skorzystać i przeniknąć z niewielkim tłumieniem lub bez tłumienia.

Oprócz pracy na wyższych częstotliwościach, współczesne systemy są gęsto upakowane. Oznacza to, że wszelkie straty na drodze propagacji częstotliwości radiowych (RF) między agresorem a ofiarą są znacznie mniejsze, ponieważ straty na drodze rosną wraz z kwadratem odległości. W ten sposób nawet pozornie nieznaczna ilość niezamierzonego sygnału agresora może dotrzeć do obwodów ofiary i oddziaływać na nie ze stosunkowo wysoką mocą.

Zastosowanie ekranu o integralności 360°, często typowej dla całych kabli koncentrycznych i złączy, jest z pewnością skuteczne w odniesieniu do ochrony przed zakłóceniami elektromagnetycznymi i zakłóceniami o częstotliwościach radiowych (EMI/RFI). Jednak użycie kabla koncentrycznego często koliduje z potrzebami wielu systemów w zakresie wysokiej gęstości fizycznej.

Co więcej, wiele wysokowydajnych systemów wymaga ekranowania wielu równoległych linii sygnałowych, co można zaobserwować w dwóch podstawowych scenariuszach:

• W przypadku połączeń typu płytka-płytka, np. między płytą główną a płytką antresolową, z pojedynczym ekranowaniem wokół wielu linii

• Wiele ekranowanych kabli koncentrycznych w jednym zespole kablowym, z jednym współpracującym złączem

Pojedyncze ekranowanie dla konstrukcji typu płytka-płytka

Koncepcja wykorzystania pojedynczego ekranu dla wielu linii sygnałowych jest w zasadzie prosta. Wiele linii jest otoczonych ekranem obejmującym tulejkę, stykającym się z osłoną złącza (ilustracja 4).

Ilustracja 4: poprzez owinięcie ekranu wokół grupy żył sygnałowych, wiele linii jest ekranowanych jako grupa. (Źródło ilustracji: Samtec)

Takie podejście rozwiązuje problem ekranowania i wymaga minimalnej dodatkowej przestrzeni na płytce w porównaniu do połączenia nieekranowanego. Ważne jest, aby ekranowane złącze wieloliniowe zapewniało te same podstawowe parametry działania linii sygnałowej, co złącze nieekranowane, zapewniając jednocześnie niezawodność i spójność łączenia i rozłączania bez narażania ekranu.

Przykładem takiego wieloliniowego ekranowanego połączenia jest 20-pozycyjna para ekranowanych złączy typu płytka-płytka - listwa ERM8-010-9.0-L-DV-EGPS-K-TR i gniazdo ERF8-010-7.0-S-DV-EGPS-K-TR firmy Samtec (ilustracja 5). Te wytrzymałe, szybkie listwy złączy są przeznaczone do zastosowań szybkiego kodowania (kodowania bez powrotu do zera (NRZ) przy 28Gbit/s i czteropoziomowej modulacji amplitudy impulsu (PAM4) przy 56Gbit/s), o dużej liczbie cykli.

Ilustracja 5: 20-pozycyjna listwa ERM8 (po lewej) i odpowiadające jej gniazdo ERF8 (po prawej) zapewniają ekranowaną łączność typu płytka-płytka. (Źródło ilustracji: Samtec)

Złącza zapewniają prześlizg styku do 1,5mm i charakteryzują się wytrzymałym zatrzaskiem, blokowaniem, ekranowaniem 360° oraz odpornością na wyciąganie na „suwak” (pociągnięcie z nieosiową, nadmierną siłą) podczas rozłączania. Parametry wysokich prędkości są możliwe dzięki systemowi styków Edge Rate firmy Samtec, który został zaprojektowany z myślą o zastosowaniach o wysokiej prędkości i dużej liczbie cykli. Został on zoptymalizowany pod kątem integralności sygnału poprzez redukcję sprzężenia bocznego i ma gładką, szeroko frezowaną powierzchnię styku w celu zmniejszenia zużycia (ilustracja 6).

Ilustracja 6: aby zredukować sprzężenie boczne sygnału, złącza ERM8 i ERF8 wykorzystują opatentowany system styków Edge Rate. (Źródło ilustracji: Samtec)

Szeroko frezowane styki tworzą gładką powierzchnię kontaktu w przeciwieństwie do styków tłoczonych, które łączą się na ściętej krawędzi. Gładka powierzchnia kontaktu zmniejsza ślady zużycia na styku, zwiększając trwałość i liczbę cykli systemu stykowego. Obniża również siły wprowadzania i wyjmowania.

Potrzebne są również kable koncentryczne

Kable koncentryczne odgrywają istotną i niezastąpioną rolę w transmisji sygnałów, ale korzystanie z połączeń obsługujących tylko jeden kabel koncentryczny może być frustrujące, gdy potrzeba wielu równoległych sygnałów. Aby zaradzić tej sytuacji, firma Samtec oferuje grupę wieloliniowych ekranowanych złączy kabli koncentrycznych, które obsługują 20, 30, 40 i 50 pozycji. Wśród nich znajduje się 20 samopasujące, obojętnowtykowe złącze LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR, przeznaczone do montażu powierzchniowego (ilustracja 7).

Ilustracja 7: 20 samopasujące, obojętnowtykowe złącze LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR przeznaczone do montażu powierzchniowego z maksymalnie 50 pozycjami. (Źródło ilustracji: Samtec)

Wytrzymałe złącze o dużej gęstości LSHM do użycia w połączeniach typu płytka-płytka i płytka-kabel, z opcjonalnym ekranowaniem dla ochrony przed zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI). Dzięki systemowi styków Razor Beam o drobnym rastrze, obojętnowtykowa konstrukcja oszczędza miejsce na płytce drukowanej w osiach X, Y i Z. Omawiane złącze ma raster 0,50mm i zapewnia słyszalne kliknięcie podczas łączenia, a siły łączenia i rozłączania są od około czterech do sześciu razy większe niż w przypadku typowych złączy mikrorastrowych.

Złącze do montażu na płytce to tylko połowa połączenia, ponieważ potrzebny jest zespół kablowy (ilustracja 8). Ten zespół również wykorzystuje technologię Razor Beam z rastrem 0,50mm.

Ilustracja 8: samopasujące koncentryczne zespoły kablowe Razor Beam o drobnym rastrze zapewniają kompletne, wieloliniowe rozwiązanie typu płytka-kabel. (Źródło ilustracji: Samtec)

Komplementarnym zespołem kablowym dla przytoczonego 20-pozycyjnego, ekranowanego, wieloliniowego złącza do montażu na płytce jest jednometrowy kabel HLCD-10-40.00-TD-TH-1 z samopasującymi, uniwersalnymi, obojętnowtykowymi złączami na obydwu końcach (ilustracja 9). Wykorzystuje on kabel mikro-koncentryczny 38AWG o impedancji 50Ω, a jego przepustowość wynosi 14Gbit/s na styk.

Ilustracja 9: wieloliniowe zespoły kabli mikrokoncentrycznych 50Ω, takie jak 20-pozycyjny HLCD-10-40.00-TD-TH-1 posiadają na obydwu końcach samopasujące, uniwersalne złącza obojętnowtykowe. (Źródło ilustracji: Samtec)

Składanie w całość

Aby ułatwić definiowanie specyfikacji i wykorzystanie szybkich złączy, firma Samtec rozszerzyła koncepcję układów płytek drukowanych i modeli SPICE złączy, oferując projekty referencyjne dla jednego z najtrudniejszych zagadnień projektowych na płytce: krytycznego „obszaru rozdzielczego” (BOR) wokół złącza o wysokiej prędkości. Inżynierowie firmy Samtec zajmujący się integralnością sygnałów opracowali koncepcję Final Inch Break Out Region („obszar rozdzielczy ostatniego cala) z zaleceniami związanymi z trasowaniem ścieżek na płytkach drukowanych dla wielu serii szybkich złączy tej firmy.

Te zalecenia projektowe opierają się na wykorzystaniu standardowych materiałów płytek, wielu warstw oraz tanich, wysokowydajnych procesów produkcyjnych i nie wymagają specjalnej obróbki. Zalecenia te pomogą zaoszczędzić czas i zasoby związane z projektowaniem, rozwojem i walidacją, a także zrównoważyć parametry działania z możliwościami produkcyjnymi i kosztami.

Podsumowanie

Pełne ekranowanie elektryczne kabli, złączy i połączeń jest kluczowe dla integralności sygnałów oraz parametrów działania zarówno w konfiguracjach płytka-płytka, jak i płytka-kabel. Problem ekranowania jest trudniejszy, gdy istnieje wiele równoległych sygnałów, które muszą być ekranowane, aby zapobiec emisji zakłóceń elektromagnetycznych i zakłóceń o częstotliwościach radiowych (EMI/RFI) lub podatności na te emisje. Jak pokazano, firma Samtec oferuje różne grupy wieloliniowych połączeń typu płytka-płytka i kabel koncentryczny-płytka, aby uprościć projektowanie oraz produkcję, zachowując jednocześnie wysoki poziom integralności mechanicznej i elektrycznej oraz parametrów działania.