Hög hastighet utan risker
Big Data och liknande tekniker ställer allt högre krav på dataöverföringshastigheter. Samtidigt måste elektroniska komponenter inte bara bli snabbare och smartare, utan också allt mindre. Detta medför särskilda risker för dataöverföringen och därmed också nya utmaningar för anslutningstekniken. Vad måste du tänka på när du väljer 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 snabbare och smartare, utan också allt mindre. Denna fortskridande miniatyrisering försvårar för utvecklare att klara de obligatoriska EMC-testerna enligt den europeiska direktiven. Elektroniska komponenter i en modul kan nämligen fungera både som störningssänka och störningskälla, och den nära placeringen av känsliga komponenter ökar risken för ömsesidig påverkan.
Definition av fordonsnätverk: Decentraliserad arkitektur med domäner och zoner
Den klassiska decentraliserade arkitekturen i bilar består av upp till 100 styrenheter, där varje styrenhet tilldelas en definierad funktion: motorstyrning, krockkudde, ABS/ESP, sätesjustering, klimatanläggning, … Varje styrenhet fungerar självständigt och kommunicerar med andra styrenheter via gateways.
Under de senaste decennierna har den decentraliserade arkitekturen genomgått en historisk tillväxt, där varje ny funktion har kompletterats med ytterligare en styrenhet. Idag har den dock nått sina gränser: Ökande funktionalitet ökar installations- och kabeldragningskostnaderna i fordonet avsevärt.
I domänarkitekturen grupperas styrenheterna i olika funktionsområden. Varje domän ansvarar för ett visst område i fordonet, till exempel drivning, infotainment eller säkerhet. Den överordnade styrningen av en domän utförs av en fristående högpresterande dator (HPC). Denna koordinerar styrenheterna inom sin domän. För funktionsområdet säkerhet skulle det till exempel vara styrenheter för förarassistanssystem, ABS/ESP och styrsystem.
Jämfört med den decentraliserade arkitekturen minskar kabeldragnings- och installationskostnaderna tack vare det mindre antalet inbyggda styrenheter. Domänarkitekturen kan därmed också bidra effektivt till kostnads- och viktminskning jämfört med den decentraliserade arkitekturen. Dessutom kan ytterligare funktioner integreras i efterhand med liten ansträngning.
I zonarkitekturen sker struktureringen inte utifrån domäner, utan efter lokala zoner. På så sätt samlas till exempel flera funktioner inom en zon i bilen. Följaktligen kan även funktioner som drivsystem och infotainment sammanföras och bearbetas i en zonkontroller. Den överordnade styrningen av de olika zonkontrollerna sker då 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 har kompletterats med ytterligare en styrenhet. Idag har den dock nått sina gränser: Ökande funktionalitet ökar installations- och kabeldragningskostnaderna i fordonet avsevärt.
I domänarkitekturen grupperas styrenheterna i olika funktionsområden. Varje domän ansvarar för ett visst område i fordonet, till exempel drivning, infotainment eller säkerhet. Den överordnade styrningen av en domän utförs av en fristående högpresterande dator (HPC). Denna koordinerar styrenheterna inom sin domän. För funktionsområdet säkerhet skulle det till exempel vara styrenheter för förarassistanssystem, ABS/ESP och styrsystem.
Jämfört med den decentraliserade arkitekturen minskar kabeldragnings- och installationskostnaderna tack vare det mindre antalet inbyggda styrenheter. Domänarkitekturen kan därmed också bidra effektivt till kostnads- och viktminskning jämfört med den decentraliserade arkitekturen. Dessutom kan ytterligare funktioner integreras i efterhand med liten ansträngning.
I zonarkitekturen sker struktureringen inte utifrån domäner, utan efter lokala zoner. På så sätt samlas till exempel flera funktioner inom en zon i bilen. Följaktligen kan även funktioner som drivsystem och infotainment sammanföras och bearbetas i en zonkontroller. Den överordnade styrningen av de olika zonkontrollerna sker då 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
Kraven som detta ställer på en HPC är stora: inte minst bearbetningen av bilddata inom infotainmentområdet eller i kamerasystem för autonom körning kräver säker höghastighetsdataöverföring med korta fördröjningstider. 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 kontaktdonen.
Signalens ”läsbarhet” kan illustreras med hjälp av det så kallade ögondiagrammet. Detta anger om en överförd signal i mottagaren entydigt kan tilldelas de digitala tillstånden 1 eller 0.
För detta genomgår en signal en definierad överföringssträcka, där 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 av signalparen avtar signalökningen 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 kontaktdonen.
Signalens ”läsbarhet” kan illustreras med hjälp av det så kallade ögondiagrammet. Detta anger om en överförd signal i mottagaren entydigt kan tilldelas de digitala tillstånden 1 eller 0.
För detta genomgår en signal en definierad överföringssträcka, där 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 av signalparen avtar signalökningen och amplitudhöjden förändras. Det uppstår den form som gett diagrammet dess namn: ett öga.
I mitten av diagrammet syns den så kallade ögonmasken. Det går inte att entydigt identifiera signalen i detta område.
De båda ögondiagrammen visar hur ledningslängd och impedans påverkar signalen, med ept Colibri-kontakterna i versionerna 16+ Gbit/s och 10 Gbit/s som exempel. Exemplet illustrerar hur en betydande förbättring av signalintegriteten kunde uppnås genom vidareutvecklingen av kontaktdesignen (se fig. XX). Genom en kortare ledningslängd och 100 Ω impedans kan ögat hos 16+ Gbit/s-varianten av Colibri bildas tydligare än hos den tidigare varianten av Colibri med 10 Gbit/s – signalparen är entydigt tolkbara.
De båda ögondiagrammen visar hur ledningslängd och impedans påverkar signalen, med ept Colibri-kontakterna i versionerna 16+ Gbit/s och 10 Gbit/s som exempel. Exemplet illustrerar hur en betydande förbättring av signalintegriteten kunde uppnås genom vidareutvecklingen av kontaktdesignen (se fig. XX). Genom en kortare ledningslängd och 100 Ω impedans kan ögat hos 16+ Gbit/s-varianten av Colibri bildas tydligare än hos den tidigare varianten av Colibri med 10 Gbit/s – signalparen är entydigt tolkbara.
Eftersom höghastighetssignaler är särskilt känsliga för elektromagnetiska störningar kräver de ett särskilt signalskydd. En kontakt kan i detta sammanhang fungera både som störningskälla och som störningsmottagare. 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 nyttosignalen framgår av figur 4. Mottagaren kan inte längre tolka HDMI-signalens digitala tillstånd entydigt redan efter en kort burst-impuls på 0,5 kV, medan signalöverföringen i den skärmade kontaktdonet fortfarande är stabil även vid 4,4 kV.
Att redan en liten elektrisk impuls kan förvränga nyttosignalen framgår av figur 4. Mottagaren kan inte längre tolka HDMI-signalens digitala tillstånd entydigt redan efter en kort burst-impuls på 0,5 kV, medan signalöverföringen i den skärmade kontaktdonet 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 dränering. Här används enheten henry. Detta gäller både för störningssäkerhet och för störningsutstrålning. Om den inducerade spänningen (Uind), generatorns spänning (UGen) och generatorkonstanten (kGen) är kända, kan den specifika maximalt tillåtna kopplingsinduktansen (L) för en applikation bestämmas med hjälp av följande formel:
LK = Uind / (UGen * kGen)
Kopplingsinduktansen hjälper dessutom användaren att definiera den lämpliga kontaktdonet med avseende på dess elektromagnetiska kompatibilitet och undvika kostsamma och tidskrävande trial-and-error-tester i EMC-laboratoriet. Här är ett exempel: För en HDMI-signal fastställdes vid en spänning på 4,4 kV en fallspecifik maximal kopplingsinduktans på 47 picohenry (pH). Om värdet ligger över detta kan signalen inte längre överföras störningsfritt.
LK = Uind / (UGen * kGen)
Kopplingsinduktansen hjälper dessutom användaren att definiera den lämpliga kontaktdonet med avseende på dess elektromagnetiska kompatibilitet och undvika kostsamma och tidskrävande trial-and-error-tester i EMC-laboratoriet. Här är ett exempel: För en HDMI-signal fastställdes vid en spänning på 4,4 kV en fallspecifik maximal kopplingsinduktans på 47 picohenry (pH). Om värdet ligger över detta kan signalen inte längre överföras störningsfritt.
Men det är inte bara elektromagnetiska störningar som hotar överföringen av höghastighetssignalerna. Särskilt inom fordonsindustrin utsätts 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 en avgörande roll.
Påverkande faktor: kontaktsystem
Klassiska tvådelade kontaktdon har en knivkontakt och en fjäderkontakt. Vid kraftiga stötar kan dock knivkontaktraden lossna från fjäderkontaktraden. För att undvika en sådan kontaktavbrott kan man använda en dubbelsidig fjäderkontaktrad för redundans och därmed säkerställa kontakten, eftersom den andra fjädern garanterar att signalöverföringen alltid sker via minst en kontaktpunkt (fig. 5).
Ännu mer robusta är däremot kontaktdon med ett så kallat ”könsneutralt” kontaktsystem. Det som utmärker detta system är att kontaktgeometrin är identisk för både kontaktparet, kontakten och uttaget. Båda har alltså både en fjäder och en kontaktstift. På så sätt kommer varje stift i kontakt med två fjädrar, samtidigt som kontakten och uttaget är sammanflätade och inte kan glida isär. Medan en dubbelsidig fjäderlist 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 för en hållbar förbindelse mellan kretskortet och kontaktdonet rekommenderas ytmonteringsteknik (SMT). Med hjälp av lödpasta löds kontaktdonen fast på definierade anslutningsytor på kretskortet, de så kallade lödpunkterna. Först i en så kallad reflow-ugn smälts lödmetallen och härdas därefter. Med SMT kan man skapa stabila anslutningar mellan kontaktdon och kretskort. För detta måste dock vissa kriterier uppfyllas: För det första måste rätt förhållande mellan lödfot, lödplatta och lödpasta upprätthållas för en standardenlig IPC-A-610-lödpunkt. Endast på detta sätt skapas en högkvalitativ anslutning som möjliggör en anslutning enligt IPC-klass 3, vilket innebär att den är lämplig för användning i högpresterande elektronik. I denna klass måste fel i signalöverföringen uteslutas vid varje tillfälle. En optimal lödanslutning känns igen på den jämna meniskbildningen. Kontakten måste vara omsluten av lödmenisk runt om för att uppnå bästa möjliga hållfasthet 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
De senaste utvecklingarna inom fordonsbranschen ställer ständigt nya krav på de inbyggda kontaktdonen. Vid första anblicken verkar det som om de inbyggda kontaktdonens roll hamnar i bakgrunden på grund av det minskade antalet styrenheter. Vid en närmare granskning framgår det dock att deras roll tvärtom blir allt viktigare just på grund av denna övergång till central databehandling med hjälp av HPC: tillförlitligheten i signalöverföringen har aldrig varit så viktig som idag.