Cum să garantați respectarea cerințelor de asamblare și utilizare de mare viteză pentru automobile de către conectorii placă-la-placă

Proiectanții de sisteme auto trebuie să selecteze și să aplice cu atenție conectorii, astfel ca aceștia să funcționeze în mod fiabil, atât din punct de vedere fizic, cât și electric, în medii în care sunt supuși la temperaturi și umiditate extreme, contaminare și vibrații. Îndeplinirea și menținerea cerințelor de performanță și fiabilitate ale automobilelor devin tot mai dificile, pe măsură ce vehiculele devin niște puternice „computere pe roți”. Conectorii trebuie să poată gestiona mai multe linii de transmisie în spații mai înguste, cu viteze de comunicare de câțiva gigabiți pe secundă, necesare pentru a se adapta la standarde precum 10GBASE-T1 și PCI Express versiunea 3 (PCIe 3.0).

Ceea ce face ca lucrurile să fie și mai dificile este faptul că companiile din industria auto solicită volume de producție foarte mari, astfel încât companiile de asamblare a componentelor electronice trebuie să apeleze la utilaje de asamblare de mare viteză pentru a ține pasul. Cu toate acestea, este dificil să se mențină ratele de producție și randamentele ridicate și, în același timp, să se plaseze cu precizie conectorii în așa fel încât să se îmbine ulterior fără probleme.

Aceste provocări pot fi rezolvate prin utilizarea unor conectori cu contact flotant robust din punct de vedere fizic și electric, care absorb deplasările poziționale sau nealinierile întâlnite în timpul asamblării automate.

Acest articol descrie semnalul electric și aplicațiile fizice și cerințele de fabricație aplicabile pentru conectorii pentru automobile. Apoi prezintă conectorii flotanți de la JAE Electronics pe care proiectanții îi pot folosi pentru a îndeplini aceste cerințe. Sunt incluse informații specifice privind standardele de comunicații de mare viteză și selecția și aplicarea conectorilor adecvați, împreună cu îndrumări privind modul de selectare a conectorilor pentru protocoalele de comunicații de mare viteză pentru automobile, cum ar fi 10GBASE-T1 și PCI Express versiunea 3 (PCIe 3.0).

Un rezumat al protocoalelor de comunicații de mare viteză

10GBASE-T1 face parte din familia de standarde Ethernet de 10 gigabiți (10 GbE) care oferă transmisia de cadre Ethernet la o rată de 10 gigabiți pe secundă (Gbps). 10GBASE-T1 este o soluție „Ethernet pentru automobile” care funcționează cu ajutorul unor cabluri cu perechi torsadate pe distanțe de până la 15 metri (m). Debitul de date de 10 Gbps este cel mai rapid standard de comunicații pentru automobile și poate susține aplicații precum conducerea autonomă.

PCIe 3.0 este un alt standard de magistrală de expansiune serială de mare viteză pentru computere. Acesta asigură până la 8 giga-transferuri pe secundă (GTps). Într-o implementare „x16 lane” de înaltă clasă, 8 GTps echivalează cu o rată de transfer de date agregată de 126 Gbps.

Folosită în mod tradițional ca o magistrală de mare viteză în PC-uri, tehnologia este acum destinată aplicațiilor auto pentru vehiculele viitorului, deoarece designul hardware garantează că pachetele de date transmise ajung la destinația dorită. Acest lucru face ca sistemul să fie extrem de fiabil și adecvat pentru conducerea autonomă.

Conectori pentru comunicații de mare viteză pentru automobile

Protocoalele de comunicații de mare viteză necesită conectori de înaltă calitate. Nu numai că trebuie să ofere o conexiune robustă și fiabilă pentru a asigura o integritate excelentă a semnalului, ci trebuie și să fie relativ ușor de deconectat și de reconectat pe parcursul a mai multor ani de funcționare. De asemenea, acestea trebuie să fie capabile să găzduiască mulți pini și multe socluri cu un pas mic, pentru a asigura o dimensiune compactă cu conectivitate pe mai multe benzi.

Un exemplu de familie de conectori moderni pentru protocoale de comunicații de mare viteză, cum ar fi 10GBASE-T1 și PCIe 3.0, este seria MA01 de la JAE Electronics. Acești conectori oferă caracteristici precum contactele cu suprafață laminată și structurile de contact în două puncte pentru a asigura conexiuni mecanice și electrice securizate chiar și în condiții de vibrații, șocuri și temperaturi extreme tipice aplicațiilor auto (Figura 1).

Figura 1: conectorii din seria MA01 dispun de un conector de contact cu două puncte care ajută la menținerea continuității electrice în timpul șocurilor și vibrațiilor. (Sursa imaginii: JAE Electronics)

Disponibili cu diferite înălțimi de stivuire cuprinse între 8 și 30 de milimetri (mm) (Figura 2) și capabili să transmită vitezele de 8 Gbps cerute de 10 GBASE-T1 și PCIe 3.0, conectorii din seria MA01 sunt ideali pentru aplicații precum unități de control digital de la placă la placă pentru automobile. Conectorii prezintă forțe reduse de inserție și de îndepărtare și sunt modulați pentru a preveni o potrivire incorectă. Conectorii dispun de o gamă largă de temperaturi de funcționare cuprinsă între -40 și 125 °C.

Figura 2: conectorii din seria MA01 sunt disponibili cu înălțimi de stivuire de la 8 la 30 mm. (Sursa imaginii: JAE Electronics)

Un exemplu din această gamă este MA01F030VABBR300. Acest conector este un conector de calitate auto, pentru transmisie de mare viteză, de la placă la placă. Are 30 de poziții pe un pas de 0,635 mm, într-un corp care măsoară 20,925 x 8,8 x 12,3 mm. Contactele sunt realizate din aliaj de cupru cu placare cu aur pe un strat de 0,1 micrometru (µm) (min.). Specificația electrică a conectorului este de 0,5 amperi (A) curent nominal și 50 de volți c.a. tensiune nominală. Acesta este proiectat pentru până la 100 de cicluri de conectare.

MA01F030VABBR300 este proiectat pentru a se conecta cu MA01R030VABBR600 pentru a forma conexiuni de la placă la placă pentru aplicații de mare viteză în domeniul automobilelor (Figura 3).

Figura 3: MA01F030VABBR300 (jos) are 30 de poziții și se conectează cu MA01R030VABBR600 pentru o conexiune robustă și fiabilă de mare viteză între plăci. (Sursa imaginii: JAE Electronics)

Depășirea provocărilor legate de asamblare

Producția de volume mari de electronice necesită utilizarea tehnologiei de asamblare robotizată. Cu toate acestea, utilajele de plasare automată folosite pentru această activitate au limitări mecanice. Acest lucru poate duce la apariția toleranțelor în poziționarea componentelor. În timp ce erorile mici de poziționare sunt tipice și nu reprezintă o problemă pentru componentele active și pasive, acestea pot cauza probleme atunci când se cuplează conectori cu mai multe poziții, cu pas fin. Problema este agravată de faptul că un conector tipic nu are o suprafață plană de care să se poată atașa în mod corespunzător duza de vid a utilajului de plasare.

Cu distanțe tipice de mai puțin de un milimetru de la un pin la altul, chiar și o mică nealiniere în timpul cuplării conectorilor poate provoca deteriorarea contactelor.

Pentru a depăși această problemă, JAE MA01F030VABBR300 are o tehnologie de contact flotant care permite o mișcare de ±0,5 milimetri, atât în direcția X, cât și în direcția Y. Acest flotor corectează deplasările de poziție sau nealinierea cauzată în timpul montării de către utilajele automate. Conectorii sunt prevăzuți cu un capac detașabil care asigură o prindere sigură pentru duzele de vid ale utilajului de plasare. De asemenea, capacul are și rolul de a împiedica pătrunderea resturilor mari în zona de cuplare înainte de montarea conectorului (Figurile 4 și 5).

Figura 4: MA01F030VABBR300 este jumătatea inferioară a acestei conexiuni MA01 și dispune de tehnologia de contact flotant, ce permite o mișcare de ±0,5 mm în direcțiile X și Y. Acest lucru ajută la corectarea deplasărilor poziționale sau a alinierii greșite în timpul asamblării. (Sursa imaginii: JAE Electronics)

Figura 5: seria MA01 este furnizată cu un capac detașabil care permite ca duza de vid a utilajului de plasare să se atașeze bine. (Sursa imaginii: JAE Electronics)

Partea mamă a conectorului placă-la-placă, MA01R030VABBR600, este un conector rigid, deoarece numai o parte a conexiunii trebuie să fie flotantă pentru a se adapta la toleranțele de poziționare pentru plasare.

O altă caracteristică a conectorilor din seria MA01 care simplifică procesul de asamblare este o vizualizare clară a îmbinărilor lipite în care conectorul se întâlnește cu placa de circuite imprimate. În mod obișnuit, conectorii convenționali ascund aceste îmbinări lipite, ceea ce face dificilă inspecția și riscă apariția defecțiunilor în timpul funcționării (Figura 6).

Figura 6: un conector cu montare laterală din seria MA01 arată modul în care designul facilitează inspectarea calității îmbinărilor lipite în locul în care conectorul este atașat la placa de circuite imprimate. (Sursa imaginii: JAE Electronics)

Asigurarea unei cuplări fără probleme

Tehnologia conectorilor flotanți din seria MA01 este utilă atunci când se compensează erorile de poziționare pentru plasare, dar poate apărea o nealiniere mai mare atunci când conectorii sunt cuplați manual. O astfel de aliniere incorectă poate avea loc deseori atunci când plăcile de circuite imprimate de sus și de jos care țin cele două jumătăți ale conectorului sunt cuplate „orbește”, ceea ce facilitează alinierea greșită a contactelor delicate. Mai rău, conectorul ar putea părea că s-a cuplat corect, chiar dacă contactele au fost deteriorate în timpul procesului. O astfel de nealiniere poate apărea atât pe direcția orizontală X, cât și pe direcția orizontală Y.

Conectorii JAE includ borne de ghidare care previn conectarea incorectă, chiar și în cazul în care conectorii sunt foarte nealiniați în una sau ambele direcții X și Y în timpul procesului de cuplare. Borna de ghidare este turnată în corpul conectorului și orientează cele două jumătăți ale conectorului în poziția corectă de cuplare (Figurile 7, 8 și 9).

Figura 7: atunci când este nealiniat în direcția X, borna de ghidare de pe JAE Electronics seria MA01 conduce jumătatea superioară a conectorului într-o orientare verticală. (Sursa imaginii: JAE Electronics)

Figura 8: în direcția Y, bornele de ghidare previn alinierea incorectă excesivă care ar putea altfel deteriora contactele. (Sursa imaginii: JAE Electronics)

Figura 9: atunci când două plăci sunt apropiate pentru inserarea oarbă a unui conector, bornele de ghidare compensează până la 1 mm de nealiniere orizontală. (Sursa imaginii: JAE Electronics)

Odată cuplat, contactul flotant al conectorului îi permite acestuia să absoarbă șocurile și vibrațiile tipice aplicațiilor auto, fără riscul deteriorării contactului.

Selectarea conectorilor de mare viteză

Proiectarea sistemelor de comunicații de mare viteză este dificilă. Chiar înainte ca proiectantul să înceapă să ia în considerare integritatea semnalului unui anumit conector, configurația plăcii de circuite imprimate asociate trebuie să ia în calcul factori precum impedanțele țintă și rutarea canalelor de semnal diferențial de mare viteză pentru a limita diafonia și pierderile. Cu toate acestea, presupunând că proiectantul a luat în considerare acești factori, dar și alți factori cheie de proiectare, conectorul poate avea un rol major în ceea ce privește lățimea de bandă finală, debitul de date neprocesate și integritatea semnalului sistemului.

Primul lucru care trebuie verificat atunci când se selectează un conector de mare viteză este lățimea de bandă maximă pentru protocolul de comunicare dorit. Nu prea are rost să proiectăm un sistem care poate funcționa la viteză mare dacă conectorul nu este capabil să gestioneze frecvența operațională a protocolului. O modalitate simplă de a face acest lucru este de a alege conectori care sunt certificați în conformitate cu standardul protocolului relevant. În acest fel, proiectantul poate fi sigur că conectorul a fost proiectat special pentru a asigura un debit și o lățime de bandă maxime.

De asemenea, un conector conform va avea impedanța țintă pentru protocolul de mare viteză relevant (de obicei 50 ohmi (Ω)). Alți factori de selecție, cum ar fi materialul din care este fabricat conectorul, stilul de montare pe placă și dimensiunile, sunt importanți, dar au un impact mai mic asupra integrității semnalului.

În timp ce certificarea conformității va da încredere proiectantului că alege un conector potrivit, este important să se testeze conectorul de pe lista scurtă pe o placă de circuite imprimate de testare cu o configurație similară sau identică cu cea a produsului de producție. Este posibil ca fișa tehnică sau testarea izolată a conectorului să nu prezinte probleme de integritate a semnalului care pot apărea în utilizarea în lumea reală. Testarea pe un ansamblu prototip va oferi o indicație clară a problemelor de reflexie și/sau distorsionare a semnalului.

Măsurătorile cheie pentru determinarea integrității semnalului conectorului sunt parametrii S și diagrama de ochi. Parametrii S indică pierderile de semnal la retur și inserție în domeniul frecvenței. Aceștia ar trebui măsurați pentru circuitul de lucru cu conectorul în poziție și apoi comparați cu rezultatele obținute când conectorul este îndepărtat pentru a evalua impactul acestuia asupra integrității semnalului.

O diagramă de ochi generată de osciloscop este o vizualizare a performanței circuitului în domeniul digital. Este metoda standard de vizualizare a pierderilor, a diafoniei, a interferenței între simboluri (ISI) și a ratelor de eroare de bit. Din nou, testele trebuie efectuate cu și fără conector pentru a stabili impactul acestuia asupra integrității semnalului.

Concluzie

Proiectanții întâmpină dificultăți în respectarea cerințelor exigente de performanță fizică și electrică ale conectorilor pentru automobile de la placă la placă, evitând, în același timp, deteriorarea conectorilor din cauza poziționării necorespunzătoare și a toleranței de nealiniere în timpul asamblării automate de mare viteză. Proiectanții pot depăși provocările folosind conectorii din seria MA01 de la JAE Electronics.

După cum s-a arătat, conectorii MA01 sunt compatibili cu protocoalele de comunicație multi-gigabit și oferă o soluție robustă și fiabilă cu inserare și deconectare cu rezistență redusă. În plus, conectorii au fost concepuți, de asemenea, pentru asamblare rapidă. Caracteristicile, cum ar fi capacele cu îndepărtare, conectorii flotanți și bornele de ghidare, permit toleranțe mai mari la montarea plăcii și conectarea oarbă între două plăci, fără riscul de aliniere greșită și de deteriorare a contactelor.