Sådan sikrer du at kort-til-kort konnektorer opfylder kravene til montering og brug af højhastighedsbiler

Designere af bilsystemer skal omhyggeligt udvælge og anvende konnektorer, så de fungerer pålideligt både fysisk og elektrisk i miljøer, hvor de udsættes for ekstreme temperaturer og fugtighed, forurening og vibrationer. Det bliver stadig mere udfordrende at opfylde og opretholde kravene til bilers ydeevne og pålidelighed, efterhånden som køretøjerne bliver kraftige "computere på hjul". Konnektorerne skal kunne håndtere flere transmissionslinjer på mindre plads med kommunikationshastigheder på flere gigabit pr. sekund, som er nødvendige for at kunne håndtere standarder som 10GBASE-T1 og PCI Express version 3 (PCIe 3.0).

For at gøre tingene endnu mere udfordrende kræver bilvirksomheder meget store produktionsmængder, så elektronikmonteringsvirksomheder er nødt til at anvende højhastighedsmaskiner for at kunne følge med. Det er imidlertid vanskeligt at holde produktionshastigheden og udbyttet højt og samtidig placere en konnektor nøjagtigt, så de senere kan sættes sammen uden problemer.

Disse udfordringer kan løses ved hjælp af fysisk og elektrisk robuste flydende kontaktkonnektorer, der absorberer positionsforskydninger eller fejljusteringer, der opstår under automatiseret samling.

Denne artikel beskriver de elektriske signaler og fysiske anvendelses- og fremstillingskrav, som automotive konnektorer står over for. Derefter præsenteres flydende konnektorer fra JAE Electronics, som designere kan bruge til at opfylde disse krav. Specifikke oplysninger om standarder for højhastighedskommunikation og passende valg af konnektorer og anvendelse er inkluderet, sammen med vejledning om, hvordan man vælger konnektorer til højhastighedskommunikationsprotokoller til biler såsom 10GBASE-T1 og PCI Express version 3 (PCIe 3.0).

Højhastighedskommunikationsprotokoller i korte træk

10GBASE-T1 er en af en familie af 10 gigabit Ethernet-standarder (10 GbE), der tilbyder transmission af Ethernet-rammer med en hastighed på 10 gigabit pr. sekund (Gbps). 10GBASE-T1 er en "Automotiv Ethernet"-løsning, der fungerer ved hjælp af parsnoede kabler over afstande på op til 15 meter (m). Datatransporten på 10 Gbps er den hurtigste kommunikationsstandard for biler, og den kan understøtte applikationer som f.eks. autonom kørsel.

PCIe 3.0 er en anden højhastighedsstandard for seriel computerudvidelsesbus med høj hastighed. Den giver mulighed for op til 8 gigatransfers pr. sekund (GTps). I en high-end "x16 lane"-implementering svarer 8 GTps til en samlet dataoverførselshastighed på 126 Gbps.

Teknologien anvendes traditionelt som en højhastighedsbus i PC'er, men er nu målrettet mod bilapplikationer til fremtidens køretøjer, fordi hardwaredesignet garanterer, at de overførte datapakker når frem til den tilsigtede destination. Det giver et meget pålideligt system, der er velegnet til autonom kørsel.

Konnektorer til højhastighedskommunikation i biler

Højhastighedskommunikationsprotokoller kræver konnektorer af høj kvalitet. De skal ikke blot give en robust og pålidelig forbindelse for at sikre fremragende signalintegritet, men de skal også være relativt nemme at afbryde og genindkoble over mange års drift. De skal også kunne rumme mange ben og konnektorer på en lille plads for at sikre kompakt størrelse med multi-lane-tilslutningsmuligheder.

Et eksempel på en moderne konnektorfamilie til højhastighedskommunikationsprotokoller som 10GBASE-T1 og PCIe 3.0 er MA01-serien fra JAE Electronics. Disse konnektorer har funktioner som f.eks. valsede overflade kontakter og topunkts kontaktstrukturer for at sikre sikre sikre mekaniske og elektriske forbindelser selv under vibrationer, stød og ekstreme temperaturer, der er typiske for automotive applikation (Figur 1).

Figur 1: MA01-seriens konnektorer er udstyret med et to-punkts kontaktkonnektor, der hjælper med at opretholde den elektriske kontinuitet under stød og vibrationer. (Billedkilde: JAE Electronics)

MA01-seriens konnektorer er tilgægelig i forskellige stablingshøjder på mellem 8 og 30 millimeter (mm) (figur 2) og kan overføre de 8 Gbps-hastigheder, der kræves af 10 GBASE-T1 og PCIe 3.0, og de er ideelle til applikationer som f.eks. digitale styringsenheder fra bord til bord i biler. Konnektorerne har lave indsætnings- og afmonteringskræfter og omfatter en nøgle for at forhindre forkert sammenkobling. Konnektorerne har et bredt driftstemperaturområde fra -40 til 125 °C.

Figur 2: MA01-seriens konnektorer er tilgængelig i stabelhøjder fra 8 til 30 mm. (Billedkilde: JAE Electronics)

Et eksempel fra serien er MA01F030VABBR300. Denne konnektor er en automotiv klasse, højhastigheds transmission samt kort-til-kort konnektorer. Den har 30 positioner med en pitch på 0,635 mm i et hus, der måler 20,925 x 8,8 x 12,3 mm. Kontakterne er fremstillet af en kobberlegering med et 0,1 µm (min.) lag guldbelægning. Konnektorens elektriske specifikation er en nominel strømstyrke på 0,5 A og en nominel spænding på 50 volt AC. Den er designet til op til 100 parringscyklusser.

MA01F030VABBR300 er designet til at matche med MA01R030VABBR600 MA01R030VABBR600 for at danne kort-til-kort forbindelser til højhastigheds-applikationer til biler (figur 3).

Figur 3: MA01F030VABBR300 (nederst) har 30 positioner og passer sammen med MA01R030VABBR600 for at opnå en robust og pålidelig højhastighedsforbindelse mellem kort-til-kort. (Billedkilde: JAE Electronics)

Overvindelse af monteringsudfordringer

Elektronikproduktion i store mængder kræver brug af robotmonteringsteknologi. De automatiske placeringsmaskiner, der anvendes til opgaven, har dog mekaniske begrænsninger. Dette kan resultere i tolerancer i komponenternes placering. Mens små positionsfejl er typiske og ikke er et problem for aktive og passive komponenter, kan de give problemer ved sammenkobling af konnektorer med flere positioner og fine pitch-konnektor. Problemet forværres af, at en typisk konnektor ikke har en flad overflade, så placeringsmaskinens vakuumdyse kan få et ordentligt greb.

Med typiske benafstande på mindre end en millimeter skal der ikke meget fejljustering til, når konnektorene skal parres, før kontakterne bliver beskadiget.

For at løse dette problem er JAE MA01F030VABBR300 udstyret med flydende kontaktteknologi, der tillader en bevægelse på ±0,5 millimeter i både X- og Y-retningen. Denne flyder korrigerer for positionsforskydninger eller fejljustering forårsaget af automatiserede maskiner under monteringen. Konnektorerne leveres med en aftagelig hætte, der giver et sikkert køb til placering af maskinsugemundstykker. Hætten tjener også til at forhindre, at der trænger større snavs ind i parringsområdet før montering af konnektoren (figur 4 og 5).

Figur 4: MA01F030VABBR300 er den nederste halvdel af denne MA01-forbindelse og er udstyret med flydende kontaktteknologi, der tillader en bevægelse på ±0,5 mm i X- og Y-retningen. Dette hjælper med at korrigere for forskydninger i positionen eller fejljustering under monteringen. (Billedkilde: JAE Electronics)

Figur 5: MA01-serien leveres med en aftagelig hætte, der gør det muligt at få en god placering af placeringsmaskinens vakuumdyse. (Billedkilde: JAE Electronics)

Hun-siden af kort-til-kort konnektorerne, MA01R030VABBR600, er en stiv konnektor, fordi kun den ene side af forbindelsen skal flyde for at imødekomme placeringens positionelle tolerancer.

En anden egenskab ved MA01-seriens konnektorer, der letter monteringsprocessen, er et tydeligt billede af loddeforbindelserne, hvor konnektoren møder printkortet. Konventionelle konnektorer skjuler typisk disse lodninger, hvilket gør inspektion vanskelig og risikerer fejl under drift (Figur 6).

Figur 6: Et sidemonteret konnektor fra MA01-serien viser, hvordan designet gør det nemt at inspicere kvaliteten af loddeforbindelserne, hvor konnektoren er fastgjort til printkortet. (Billedkilde: JAE Electronics)

Sikring af problemfri parring

MA01-seriens flydende konnektorteknologi er nyttig, når der kompenseres for placeringsfejl, men der kan opstå større fejljustering, når Konnektorerne klikkes sammen manuelt. En sådan fejljustering kan ofte ske, når de øverste og nederste printplader, der holder de to halvdele af konnektorerne, samles "blindt", hvilket gør det alt for nemt at fejljustere de sarte kontakter. Hvad værre er, kan det føles, som om konnektoren er sat korrekt sammen, selv om kontakterne er blevet beskadiget under processen. En sådan forskydning kan forekomme i både X- og Y-horisontal retning.

JAE-konnektorer har styretråde, der forhindrer forkert tilslutning, selv hvis Konnektorerne er væsentligt forskudt i en eller begge X- og Y-retninger under sammenkoblingsprocessen. Styretråden er støbt ind i konnektorkerkroppen og styrer de to halvdele af konnektorerne til den korrekte indgrebsposition (figur 7, 8 og 9).

Figur 7: Ved forkert justering i X-retningen styrer styretråden på JAE Electronics MA01-serien den øverste halvdel af konnektorerne i lodret retning. (Billedkilde: JAE Electronics)

Figur 8: I Y-retningen forhindrer styresøjlerne en for stor fejljustering, som ellers ville beskadige kontakterne. (Billedkilde: JAE Electronics)

Figur 9: Når to printplader samles for at indsætte blinde konnektor, kompenserer styretrådene for op til 1 mm horisontal forskydning. (Billedkilde: JAE Electronics)

Når konnektorerne er sat sammen, kan det takket være den flydende kontaktfunktion absorbere stød og vibrationer, der er typiske for automotive applikationer, uden risiko for kontaktskader.

Valg af højhastighedskonnektorer

Det er vanskeligt at designe højhastigheds kommunikationssystemer. Allerede før designeren begynder at overveje signalintegriteten af et givet konnektor, skal der i forbindelse med layoutet af det tilhørende printkort tages hensyn til faktorer som målimpedanser og routing af højhastigheds differentielle signalkanalerne for at begrænse overspænding og tab. Men hvis designeren har taget disse og andre vigtige designfaktorer i betragtning, kan konnektorerne spille en vigtig rolle for systemets endelige båndbredde, rå datadata-gennemstrømning og signalintegritet.

Den første ting, du skal kontrollere, når du vælger et højhastighedskonnektor, er den maksimale båndbredde for den ønskede kommunikationsprotokol. Det nytter ikke meget at designe et system, der kan fungere ved høj hastighed, hvis konnektorerne ikke kan håndtere protokollens driftsfrekvens. En enkel måde at gøre dette på er at vælge konnektorer, der er certificeret i overensstemmelse med den relevante protokolstandard. På den måde kan designeren være sikker på, at konnektorerne er specielt designet til at sikre maksimal gennemstrømning og båndbredde.

Et konnektor, der opfylder kravene, vil også have den ønskede impedans for den relevante højhastighedsprotokol (typisk 50 Ω). Andre valgfaktorer som f.eks. det materiale, som konnektoren er fremstillet af, monteringsmåde på printkortet og dimensioner er vigtige, men har mindre indflydelse på signalintegriteten.

Selv om overensstemmelsescertificering vil give designeren tillid til, at konnektoren kan klare opgaven, er det vigtigt at teste den udvalgte konnektor på et testprintkort med samme eller identisk layout som produktionsemnet. Databladet eller testning af konnektorerne isoleret set viser muligvis ikke de signalintegritetsproblemer, der kan opstå i den virkelige verden. Testning af en prototype giver en klar indikation af problemer med signalrefleksion og/eller forvrængning.

De vigtigste målinger til bestemmelse af konnektorernes signalintegritet er S-parametrene og øjendiagrammet. S-parametrene angiver signalets retur- og indsætningstab i frekvensdomænet. De bør måles for det fungerende kredsløb med konnektoren på plads og derefter sammenlignes med resultaterne, når konnektoren er fjernet, for at vurdere dets indvirkning på signalintegriteten.

Et oscilloskopgenereret øjendiagram er en visualisering af kredsløbets ydeevne i det digitale domæne. Det er standardmetoden til at visualisere tab, overstråling, intersymbolinterferens (ISI) og bitfejlfrekvens. Igen bør testene udføres med og uden konnektor for at fastslå dets indvirkning på signalintegriteten.

Konklusion

Det er udfordrende for designere at imødekomme de krævende fysiske og elektriske præstationskrav til automotive kort-til-kort konnektorer, samtidig med at man undgår konnektorskader på grund af dårlig positionering og fejljusteringstolerance under højhastighedsautomatisk montering. Designere kan overvinde disse udfordringer ved at bruge JAE Electronics' MA01-serie af konnektorer.

Som det fremgår, er MA01-konnektorerne kompatible med multi-gigabit kommunikationsprotokoller og tilbyder en robust og pålidelig løsning med lav modstand ved indsættelse og frakobling. Desuden er Konnektorerne også designet med henblik på hurtig montering. Funktioner som f.eks. afmonteringshætter, flydende konnektorer og styretråde giver større tolerancer ved montering af printkort og blind tilslutning fra printkort til printkort uden risiko for fejljustering og beskadigelse af kontakterne.