Hög hastighet utan risker
Big Data och liknande tekniker kräver allt högre datahastigheter. Samtidigt måste elektroniska komponenter inte bara bli snabbare och smartare, utan också allt mindre. Detta medför särskilda risker vid dataöverföringen och därmed också nya utmaningar för anslutningstekniken. Vad måste du tänka på när det gäller dina kontaktdon för att undvika signalstörningar?
Den fortskridande digitaliseringen inom alla branscher, såsom Industrial Internet of Things, Industri 4.0, Smart Grid och Smart Home, kräver höghastighetsdataöverföring från sensorn till molnet. Men inte bara för sensorer, utan även för industriella styrsystem och kamerasystem, datakommunikation samt serverapplikationer gäller att signaler måste överföras tillförlitligt med 20 Gbit/s och mer. Förutom hög hastighet medför IIoT, Big Data och liknande ytterligare en trend: elektroniska komponenter måste inte bara bli allt snabbare och smartare, utan också allt mindre. Denna fortskridande miniatyrisering gör det svårare för utvecklare att klara de obligatoriska EMC-testerna enligt den europeiska direktiven. Elektroniska komponenter i en modul kan nämligen fungera både som störningsmottagare och som störningskälla, och när känsliga komponenter placeras nära varandra ökar risken för ömsesidig påverkan.
Definition av ”fordonets elsystem”: Decentraliserad arkitektur med domäner och zoner
Den klassiska decentraliserade arkitekturen i fordon består av upp till 100 styrenheter, där varje styrenhet (styrenhet) tilldelas en definierad funktion: motorstyrning, airbag, ABS/ESP, sätesjustering, klimatisering, … Varje styrenhet arbetar självständigt och kommunicerar via gateways med andra styrenheter.
Under de senaste decennierna har den decentraliserade arkitekturen genomgått en historisk tillväxt, där varje ny funktion kompletterades med ytterligare ett styrenhet. Idag har den dock nått sina gränser: Allt fler funktioner ökar installations- och kabeldragningskostnaderna i fordonet avsevärt.
I domänarkitekturen grupperas styrenheterna i olika funktionsområden. Varje domän ansvarar för ett specifikt område i fordonet, till exempel drivsystem, infotainment eller säkerhet. Den överordnade styrningen av en domän sköts av en fristående högpresterande dator (HPC). Denna samordnar styrenheterna inom sin domän. För funktionsområdet säkerhet skulle det till exempel handla om styrenheter för förarassistanssystem, ABS/ESP och styrsystem.
Jämfört med den decentraliserade arkitekturen minskar kabeldragnings- och installationsarbetet tack vare det mindre antalet inbyggda styrenheter. Domänarkitekturen kan därmed, jämfört med den decentraliserade arkitekturen, också effektivt bidra till kostnads- och viktminskning. Dessutom kan ytterligare funktioner integreras i efterhand med liten ansträngning.
Vid zonarkitektur sker struktureringen inte utifrån domäner, utan efter lokala zoner. På så sätt samlas till exempel flera funktioner inom en zon i fordonet. Följaktligen kan även funktioner som drivsystem och infotainment sammanföras och bearbetas i en zonzonstyrenhet. Den överordnade styrningen av de olika zonstyrenhet sker via en central HPC. Fördelen är uppenbar: en minskning av antalet styrenheter och deras kabeldragning med upp till 50 procent.
Under de senaste decennierna har den decentraliserade arkitekturen genomgått en historisk tillväxt, där varje ny funktion kompletterades med ytterligare ett styrenhet. Idag har den dock nått sina gränser: Allt fler funktioner ökar installations- och kabeldragningskostnaderna i fordonet avsevärt.
I domänarkitekturen grupperas styrenheterna i olika funktionsområden. Varje domän ansvarar för ett specifikt område i fordonet, till exempel drivsystem, infotainment eller säkerhet. Den överordnade styrningen av en domän sköts av en fristående högpresterande dator (HPC). Denna samordnar styrenheterna inom sin domän. För funktionsområdet säkerhet skulle det till exempel handla om styrenheter för förarassistanssystem, ABS/ESP och styrsystem.
Jämfört med den decentraliserade arkitekturen minskar kabeldragnings- och installationsarbetet tack vare det mindre antalet inbyggda styrenheter. Domänarkitekturen kan därmed, jämfört med den decentraliserade arkitekturen, också effektivt bidra till kostnads- och viktminskning. Dessutom kan ytterligare funktioner integreras i efterhand med liten ansträngning.
Vid zonarkitektur sker struktureringen inte utifrån domäner, utan efter lokala zoner. På så sätt samlas till exempel flera funktioner inom en zon i fordonet. Följaktligen kan även funktioner som drivsystem och infotainment sammanföras och bearbetas i en zonzonstyrenhet. Den överordnade styrningen av de olika zonstyrenhet sker via en central HPC. Fördelen är uppenbar: en minskning av antalet styrenheter och deras kabeldragning med upp till 50 procent.
Krav på HPC och dess kontaktdon
De krav som detta ställer på en HPC är stora: inte minst bearbetningen av bilddata inom infotainmentområdet eller i kamerasystem för autonom körning kräver en säker höghastighetsdataöverföring med korta latensider. Samtidigt får signalöverföringen under inga omständigheter bryta samman – dess tillförlitlighet måste garanteras vid varje tillfälle.
Hög prestanda, snabb och framför allt tillförlitlig dataöverföring – ibland under ogynnsamma miljöförhållanden – är därför också krav som ställs på de inbyggda kontaktdon.
Signalens ”läsbarhet” kan illustreras med hjälp av det så kallade ögondiagrammet. Detta anger om en överförd signal i mottagaren entydigt kan tillordnas de digitala tillstånden 1 eller 0.
För detta genomgår en signal en definierad överföringssträcka, varvid den registreras, överlagras och visas av ett oscilloskop. På så sätt kan alla möjliga signalförlopp avbildas ”över varandra”. I teorin är övergångarna mellan de logiska tillstånden oändligt branta och signallinjerna löper exakt över varandra. På grund av externa störningsfaktorer och interna störningar i signalparen avtar signalstigningen, och amplitudhöjden förändras. Det uppstår den form som gett diagrammet dess namn: ett öga.
Hög prestanda, snabb och framför allt tillförlitlig dataöverföring – ibland under ogynnsamma miljöförhållanden – är därför också krav som ställs på de inbyggda kontaktdon.
Signalens ”läsbarhet” kan illustreras med hjälp av det så kallade ögondiagrammet. Detta anger om en överförd signal i mottagaren entydigt kan tillordnas de digitala tillstånden 1 eller 0.
För detta genomgår en signal en definierad överföringssträcka, varvid den registreras, överlagras och visas av ett oscilloskop. På så sätt kan alla möjliga signalförlopp avbildas ”över varandra”. I teorin är övergångarna mellan de logiska tillstånden oändligt branta och signallinjerna löper exakt över varandra. På grund av externa störningsfaktorer och interna störningar i signalparen avtar signalstigningen, och amplitudhöjden förändras. Det uppstår den form som gett diagrammet dess namn: ett öga.
I mitten av diagrammet kan man se den så kallade Eye Mask. En entydig tilldelning av signalen är inte möjlig i detta område.
De båda ögondiagrammen visar hur ledningslängd och impedans påverkar, med Colibri-kontaktdon i versionerna 16 + Gbit/s och 10 Gbit/s som exempel. Exemplet illustrerar hur en betydande förbättring av signalintegritet kunde uppnås genom vidareutvecklingen av kontaktdesignen (se fig. XX). Tack vare en kortare ledningslängd och en impedans på 100 Ω kan ögat hos 16+ Gbit/s-varianten av Colibri bildas tydligare än hos den tidigare 10 Gbit/s-varianten av Colibri – signalparen kan tolkas entydigt.
De båda ögondiagrammen visar hur ledningslängd och impedans påverkar, med Colibri-kontaktdon i versionerna 16 + Gbit/s och 10 Gbit/s som exempel. Exemplet illustrerar hur en betydande förbättring av signalintegritet kunde uppnås genom vidareutvecklingen av kontaktdesignen (se fig. XX). Tack vare en kortare ledningslängd och en impedans på 100 Ω kan ögat hos 16+ Gbit/s-varianten av Colibri bildas tydligare än hos den tidigare 10 Gbit/s-varianten av Colibri – signalparen kan tolkas entydigt.
Eftersom höghastighetssignaler är särskilt känsliga för elektromagnetiska störningar kräver de ett särskilt signalskydd. En kontaktdon kan i detta sammanhang fungera både som störningskälla och som störningsavledare. Av denna anledning rekommenderas signalskydd med hjälp av skärmplåt för att skydda de känsliga signalerna mot yttre påverkan.
Att redan en liten elektrisk impuls kan förvränga brukssignalen framgår av figur 4. Mottagaren kan inte längre entydigt tolka de digitala tillstånden i HDMI-signalen redan efter en kort burst-impuls på 0,5 kV, medan signalöverföringen via den skärmade kontaktdonen fortfarande är stabil även vid 4,4 kV.
Att redan en liten elektrisk impuls kan förvränga brukssignalen framgår av figur 4. Mottagaren kan inte längre entydigt tolka de digitala tillstånden i HDMI-signalen redan efter en kort burst-impuls på 0,5 kV, medan signalöverföringen via den skärmade kontaktdonen fortfarande är stabil även vid 4,4 kV.
Med kopplingsinduktansen LK som EMC-parameter kan kontakten beskrivas genom att man beaktar de elektriska förhållandena i båda funktionerna – källa och sänka. Här används enheten Henry. Detta gäller såväl för immunitet som för elektromagnetisk emission. Om den inducerade spänningen (Uind), generatorns spänning (UGen) samt generatorkonstanten (kGen) är kända, kan den specifika maximalt tillåtna ömsesidig induktans (L) för en viss tillämpning bestämmas med hjälp av följande formel:
LK = Uind / (UGen * kGen)
Kopplingsinduktiviteten (ömsesidig induktans) hjälper dessutom användaren att välja rätt kontaktdon (kontaktdon) med avseende på dess elektromagnetiska kompatibilitet och undvika kostsamma och tidskrävande trial-and-error-tester i EMC-Laboret. Här följer ett exempel: För en HDMI-signal fastställdes vid en spänning på 4,4 kV en fallspecifik maximal kopplingsömsesidig induktans på 47 picohenry (pH). Om värdet överstiger detta kan signalen följaktligen inte längre överföras störningsfritt.
LK = Uind / (UGen * kGen)
Kopplingsinduktiviteten (ömsesidig induktans) hjälper dessutom användaren att välja rätt kontaktdon (kontaktdon) med avseende på dess elektromagnetiska kompatibilitet och undvika kostsamma och tidskrävande trial-and-error-tester i EMC-Laboret. Här följer ett exempel: För en HDMI-signal fastställdes vid en spänning på 4,4 kV en fallspecifik maximal kopplingsömsesidig induktans på 47 picohenry (pH). Om värdet överstiger detta kan signalen följaktligen inte längre överföras störningsfritt.
Men det är inte bara elektromagnetiska störningar som äventyrar överföringen av höghastighetssignalerna. Särskilt inom fordonsindustrin utsätts kontaktdonen (kontaktdon) upprepade gånger för extrema miljöförhållanden som vibrationer och stötar. För att signalöverföringen ska fungera utan avbrott även i tuffa miljöer måste kontaktdonet vara särskilt robust. Här spelar framför allt kontaktdesign, kontaktsystem och anslutningsteknik (anslutningsteknik) en avgörande roll.
Påverkande faktor: kontaktsystem
Klassiska tvådelade kontaktdon har en knivkontakt och en honkontaktelement. Vid kraftiga stötar kan dock hankontakt lossna från honkontakt. För att undvika en sådan kontaktavbrott kan man med hjälp av en dubbelsidig honkontakt säkerställa redundans och därmed kontaktsäkerhet, eftersom den andra fjädern garanterar att signalöverföringen alltid sker via minst en kontaktpunkt (fig. 5).
Ännu mer robusta är däremot kontaktdon (kontaktdon) med ett så kallat ”hermafroditiskt” kontaktsystem. Det särskilda med detta är de identiska kontaktgeometrierna hos kontaktparet, Plug och Socket. Båda har alltså både en fjäder och en kontaktkniv. På så sätt kommer varje stift i kontakt med två fjädrar, medan Plug och Socket är sammanflätade och inte kan glida isär från varandra. Medan en dubbelsidig kontaktlist (honkontakt) alltid säkerställer minst en kontaktpunkt vid mekanisk belastning, garanterar de sammanflätade geometrierna i könsneutrala kontaktsystem att signalöverföringen alltid sker via två kontaktpunkter. Denna höga redundans möjliggör därmed maximal kontaktsäkerhet (fig. 5).
Som anslutningsteknik (anslutningsteknik) för en hållbar anslutning mellan kretskortet och kontaktdonet rekommenderas ytmonteringsteknik (SMT). Med hjälp av lödlodpasta löddes kontaktdonen fast på definierade lödytor på kretskortet, de så kallade lödpaddrena. Först i en så kallad reflowugn smälts lödmetallen och härdas därefter. Med SMT kan stabila anslutningar mellan kontaktdon och kretskort åstadkommas. För detta måste dock vissa kriterier uppfyllas: För det första måste rätt förhållande mellan lödben, lödpad och lodpasta upprätthållas för en lödfog som uppfyller standarden IPC-A-610. Endast på detta sätt skapas en högkvalitativ anslutning som möjliggör en anslutning enligt IPC-klass 3, vilket innebär att den är lämplig för användning inom högpresterande elektronik. I denna klass måste avbrott i signalöverföringen uteslutas under alla omständigheter. En optimal lödförbindning känns igen på den jämna meniskbildningen. Kontakten måste vara helt omsluten av lödmenisken för att uppnå bästa möjliga hållkraft på kretskortet. (Fig. 9).
Att kontaktfötterna ligger i samma plan är en förutsättning för en utmärkt anslutning, och detta kontrolleras genom en 100 % automatiserad inspektion under tillverkningsprocessen.
Sammanfattning
Aktuella utvecklingar inom fordonsindustrin ställer ständigt nya krav på de inbyggda kontaktdon. Vid första anblicken verkar de inbyggda kontaktdonens roll hamna i bakgrunden på grund av det minskade antalet styrenheter. Vid närmare betraktande visar det sig dock att deras roll just genom denna omställning till central databehandling med hjälp av HPC vinner i betydelse: tillförlitlighet i signalöverföringen har aldrig varit så viktig som idag.