Brug skærmede konnektorer til at opnå pålidelige højhastighedsforbindelser i tætte, kompakte formfaktorer

Elektrisk afskærmning er et design- og produktionshensyn, der har været på ingeniørens liste over bekymringer siden elektronikkens tidligste dage, men det bliver mere og mere bekymrende, efterhånden som datahastighederne stiger, og systemerne bliver mindre og mere tæt integrerede med flere signallinjer tættere på hinanden. Disse tendenser komplicerer i høj grad, hvad der ellers er et simpelt koncept: forhindre eksterne uønskede signaler i at nå og påvirke en leder, der bærer et signal, og forhindre energien fra et ønsket signal i at stråle udad og påvirke nærliggende ledere og kredsløb.

For at være effektiv skal afskærmningen helt omslutte de aktive ledere og danne en 360° ledende barriere langs hele stien, inklusive termineringskonnektorerne. For at opnå dette antager mange designere, at de skal bruge koaksialkabler og stik, da den interne kabelafskærmning kan afsluttes, mens 360°-afskærmningens integritet bevares. Den resulterende kanaltæthed ved brug af koaksialkabler er imidlertid lav, og derfor er denne fremgangsmåde ikke egnet til at opfylde de elektriske og fysiske krav til høj hastighed og høj tæthed i mange board-to-board- og board-to-backplane-interconnect-applikationer. Løsningen er at vælge højhastigheds, fuldt afskærmede interconnects. Disse understøtter et højt antal signalveje i et enkelt, fuldt afskærmet stikhus.

Denne artikel diskuterer kort det grundlæggende i afskærmning og de udfordringer, designere står over for, når de implementerer interconnects med mange kanaler og afskærmning, hvor flere enkeltkanals koaksialkabler ville have for stor samlet størrelse og masse. Den viser, hvorfor altomfattende 360°-afskærmning er særlig kritisk, og bruger flere familier af afskærmede konnektorer fra Samtec til at illustrere bedste praksis for design og implementering af højhastighedssignalintegritet i trange rum.

Begynd med det grundlæggende om afskærmning

Kabler og deres sammenkoblinger (stik) er en vigtig del af næsten alle systemer. De kan forbinde et bundkort til et mezzaninkort, et kort til et brugerpanel, en specialiseret grænseflade eller et input/output-arrangement (I/O). For at opretholde signalintegriteten skal forbindelsen understøtte signalernes båndbredde og også være modstandsdygtig over for elektromagnetisk interferens/radiofrekvensinterferens (EMI/RFI). Samtidig må det heller ikke tillade udstråling af EMI/RFI til tilstødende forbindelser, kort eller komponenter, især dem, der transporterer lavniveau- eller følsomme signaler.

Afskærmning dæmper virkningen af elektromagnetisk interferens og radiofrekvensinterferens. Afhængigt af hvor og hvordan den er placeret, kan den primært dæmpe støjen tæt på kilden (undertiden kaldet støjens "aggressor") eller blokere den fra at nå støjfølsomme kredsløb ("offeret") (figur 1).

Figur 1: Afskærmning fungerer som en barriere mellem en aggressorkilde og et utilsigtet, uskyldigt offer for dens EMI og RFI. (Billedkilde: Journal of Computer Science and Engineering via Arvix)

Bemærk, at en given leder både kan være en aggressor, der udsender en "klynge" af EMI/RFI-energi, og også et offer for energi fra en anden kilde. Desuden behøver EMI/RFI-aggressoren ikke at være en ekstern "tredjeparts"-kilde, der ikke er relateret til produktet; det kan lige så godt være en anden del af systemet, der fungerer som en utilsigtet aggressor ved at udstråle energi til en tilstødende leder eller komponent.

Der er mange retningslinjer og såkaldte "tommelfingerregler" for, hvordan og hvor man skal afslutte jordskærmen på disse kabler og forbindelser for at blokere eller dæmpe overførslen af støjenergi mellem aggressor og offer betydeligt. Desværre er disse retningslinjer ikke alene ofte i konflikt med hinanden, men det rigtige eller bedste svar ser ofte ud til at afhænge af de specifikke forhold i arrangementet. Blandt de foreslåede retningslinjer er:

• Forbind begge ender af skærmen til jord.
• Forbind kun den ene ende til jord ved kilden.
• Forbind kun den ene ende til jord ved modtageren.

Intuitivt ser det ud til, at de ikke alle kan have ret, eller måske kan de, afhængigt af det specifikke design, og hvor meget dæmpning der er brug for. Omfattende laboratorietests har vist, at for at opnå effektiv afskærmning i gigahertz-området (GHz) skal begge ender af afskærmningen være jordet; med andre ord skal afskærmningen være kontinuerlig og uafbrudt.

Reglerne er noget mere fleksible ved lyd og lavere RF-frekvenser. Jording af skærmen i kun den ene ende kan dog være acceptabelt til applikationer op til omkring 1 megahertz (MHz), men er ikke egnet til 10 MHz og derover.

Fuld afskærmning er nødvendig

Detaljerede testresultater viste også, hvordan den udbredte korte "pigtail"-jording til skærmen ofte var ineffektiv (figur 2). Selv om den kun er et par millimeter (mm) lang, vil dens lave induktans skade dens ydeevne ved højere frekvenser og dermed kunne ophæve en stor del af skjoldets ydeevne. Værre er det, at den uskyldige pigtail-jording faktisk kan virke mod hensigten ved at fungere som en radiator for elektromagnetisk energi (en antenne), der udsender mere EMI/RFI i stedet for blot at være ineffektiv til at dæmpe det.

Figur 2: Den uskyldigt udseende pigtail-agtige skærmafslutning på dette HDMI-kabel er ikke bare ineffektiv, men kan være en kontraproduktiv elektromagnetisk radiator. (Billedkilde: Dana Bergey og Nathan Altland, via Interference Technology)

I stedet er der brug for 360° fysisk dækning ved skærmtermineringen, hvilket er, hvad der kræves i de fleste standarder for højtydende kredsløb og MIL-standarder (figur 3).

Figur 3: En fuld 360° terminering (øverst) er nødvendig for maksimal skærmeffektivitet, i stedet for den hurtige og nemme pigtail jordforbindelse (nederst). (Billedkilde: ResearchGate)

Behovet for jording i begge ender med 360°-dækning uden huller skyldes fysik: Når driftsfrekvenserne stiger til hundredvis af MHz og GHz, bliver de tilsvarende bølgelængder kortere. Det betyder, at selv små huller i skjoldets dækning bogstaveligt talt udgør et vindue af muligheder for signalenergi til at passere igennem med lille eller ingen dæmpning.

Sammen med højere frekvenser er nutidens systemer tætpakkede. Det betyder, at ethvert RF-tab på udbredelsesvejen mellem aggressoren og offeret er langt mindre, da tabet langs udbredelsesvejen stiger med kvadratet på afstanden. Således kan selv en tilsyneladende ubetydelig mængde utilsigtet aggressorsignal nå og påvirke offerets kredsløb med en relativt høj styrke.

Brugen af en afskærmning med 360° integritet, ofte kendetegnet ved individuelle koaksialkabler og stik, er bestemt effektiv med hensyn til EMI/RFI-beskyttelse. Brugen af koaksialkabler forstyrrer dog ofte den høje fysiske tæthed, som mange systemer har brug for.

Desuden har mange højtydende systemer brug for afskærmning på tværs af flere parallelle signallinjer, som det ses i to grundlæggende scenarier:

- Til kort-til-kort-forbindelser, f.eks. mellem et bundkort og et mezzaninkort, med en enkelt afskærmning omkring de mange linjer.

- Flere afskærmede koaksialkabler i en enkelt kabelsamling med et enkelt parringsstik

Enkelt afskærmning til board-to-board-design

Konceptet med at bruge en enkelt afskærmning til flere signallinjer er i princippet ligetil. De mange linjer er omsluttet af et skjold, der er foldet over hylsteret, så det kommer i kontakt med konnektorens skal (figur 4).

Figur 4: Ved at vikle skærmen rundt om gruppen af signalledere, skærmes de mange linjer som en gruppe. (Billedkilde: Samtec)

Denne tilgang løser afskærmningsproblemet og kræver minimal ekstra plads på printkortet sammenlignet med en uafskærmet interconnect. Det er vigtigt, at det skærmede multiline-stik giver samme grundlæggende signallinjeydelse som et uskærmet stik, samtidig med at det sikrer pålidelig og konsekvent sammenkobling og adskillelse uden at kompromittere skærmen.

Et eksempel på denne flerstrengede afskærmede forbindelse er et 20-positioners board-to-board afskærmet stikpar, Samtecs ERM8-010-9.0-L-DV-EGPS-K-TR header og ERF8-010-7.0-S-DV-EGPS-K-TR sokkel (figur 5). Disse robuste højhastighedsstik er designet til højhastighedsapplikationer (NRZ-kodning (non-return to zero) ved 28 gigabit pr. sekund (Gbits/s) og PAM4 (pulse amplitude modulation) på fire niveauer ved 56 Gbits/s) med høj cyklus.

Figur 5: Den 20-positioners ERM8-header (til venstre) og den tilsvarende ERF8-sokkel (til højre) giver skærmet board-to-board-forbindelse. (Billedkilde: Samtec)

Stikkene giver op til 1,5 mm kontakttørring og har robust låsning, 360° afskærmning og er robuste, når de "lynes" (trækkes med en ikke-aksial, ikke-normal kraft) under frigørelse. Højhastighedsydelsen er muliggjort af Samtecs Edge Rate-kontaktsystem, som er designet til applikationer med høj hastighed og høj cyklus. Den er optimeret til signalintegritet gennem en reduktion i bredsidekoblingen, og den har en glat, bredfræset kontaktflade, der mindsker slid (figur 6).

Figur 6: For at reducere bredside-signalkobling bruger ERM8 og ERF8 et proprietært Edge Rate-kontaktsystem. (Billedkilde: Samtec)

De bredfræsede kontakter skaber en glat parringsoverflade i modsætning til en stanset kontakt, der parres på en skåret kant. Den glatte overflade reducerer slidsporene på kontakten, hvilket øger kontaktsystemets holdbarhed og levetid. Det sænker også indsættelses- og udtrækningskræfterne.

Koaksialkabler er også nødvendige

Koaksialkabler har en vigtig og uerstattelig rolle indenfor signaloverførsel, men det kan være frustrerende at bruge forbindelser, der kun understøtter et enkelt koaksialkabel, når der er brug for flere parallelle signaler. For at imødegå denne situation tilbyder Samtec en familie af flerstrengede afskærmede koaksialkabelstik, der understøtter 20, 30, 40 og 50 positioner. Blandt disse er LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR, en 20-positions, selvparrende, hermafroditisk overflademonteret konnektor (figur 7).

Figur 7: LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR er en 20-positions, selvparrende, hermafroditisk overflademonteret konnektor med op til 50 positioner. (Billedkilde: Samtec)

LSHM er en robust konnektor med høj densitet til brug i board-to-board- og board-to-cable-applikationer, med valgfri afskærmning til EMI-beskyttelse. Med sit Razor Beam kontaktsystem med tætsiddende ben sparer det hermafroditiske design plads på printkortet i X-, Y- og Z-aksen. Dette stik har en benafstand på 0,50 mm og giver et hørbart klik, når det parres, med indsættelses- og udtrækningskræfter, der er cirka fire til seks gange større end typiske stik med tæt benafstand.

Dette kortmonterede stik er kun halvdelen af forbindelseshistorien, da der er brug for et kabel (figur 8). Denne enhed bruger også Razor Beam-teknologi med en benafstand på 0,50 mm.

Figur 8: Razor Beam selvparrende koaksialkabel med tætsiddende ben giver en komplet multiline board-to-cable-løsning. (Billedkilde: Samtec)

Et supplerende kabel til den nævnte 20-positions, kortmonterede, skærmede multiline koaksialkonnektor er HLCD-10-40.00-TD-TH-1, et 1 meter langt kabel med selvparrende, ikke-kønnede, hermafroditiske konnektorer i hver ende (figur 9). Den bruger 38 AWG mikro-koaksial med en impedans på 50 ohm (Ω) og er klassificeret til 14 Gbits/s pr. kontakt.

Figur 9: Multiline 50 Ω mikrokoaksialkabel som HLCD-10-40.00-TD-TH-1 med 20 positioner har selvparrende, ikke-kønnede, hermafroditiske konnektorer i hver ende. (Billedkilde: Samtec)

Sætte det hele sammen

For at gøre disse højhastighedsstik lettere at specificere og bruge har Samtec udvidet konceptet med producentens printkortlayout og SPICE-modeller for stik ved at tilbyde referencedesign til et af de sværeste designproblemer på printkortet: det kritiske "break out region" (BOR) omkring højhastighedsstikket. Samtecs signalintegritetsingeniører har udviklet, hvad de kalder en "Final Inch Break Out Region" med anbefalinger vedrørende printkortets sporføring for mange af deres højhastighedsstik.

Disse designanbefalinger er baseret på brug af standardkortmaterialer, flere lag og billige, højtydende fremstillingsprocesser og kræver ingen særlig behandling. Disse anbefalinger kan spare tid og ressourcer til design, udvikling og validering og skabe balance mellem ydeevne, fremstillingsevne og omkostninger.

Konklusion

Komplet elektrisk afskærmning af kabler, stik og sammenkoblinger er afgørende for signalintegritet og ydeevne for både board-to-board- og board-to-cable-konfigurationer. Afskærmningsproblemet er mere udfordrende, når der er flere parallelle signaler, som skal afskærmes for at forhindre EMI/RFI-emissioner eller følsomhed over for disse emissioner. Som vist tilbyder Samtec forskellige familier af multiline board-to-board og koaksiale cable-to-board interconnects for at forenkle design-in og fremstilling, samtidig med at der opretholdes et højt niveau af mekanisk og elektrisk integritet og ydeevne.